帶RTC的I2C總線鐵電存儲器FM31256的設(shè)計
FM31256是由Ramtron公司推出的新一代多功能系統(tǒng)監(jiān)控和非易失性鐵電存儲芯片。與其他非易失性存儲器比較,它具有如下優(yōu)點： 讀/寫速度快,沒有寫等待時間;功耗低,靜態(tài)電流小于1 mA,寫入電流小于150 mA;擦寫使用壽命長,芯片的擦寫次數(shù)為100億次,比一般的EEPROM存儲器高10萬倍,即使每秒讀/寫30次,也能用10年;讀/寫的無限性,芯片擦寫次數(shù)超過100億次后,還能和SRAM一樣讀/寫。
鐵電存儲器(FRAM)的核心技術(shù)是鐵電晶體材料。這一特殊材料使鐵電存儲器同時擁有隨機存取存儲器(RAM)和非易失性存儲的特性。本文介紹了FM31256的主要功能,并具體給出了基于嵌入式C語言編寫的存儲器讀/寫程序。
1 FM31256的基本結(jié)構(gòu)及原理
FM31256由256 KB存儲器和處理器配套電路(processor companion)兩部分組成。與一般的采用備份電池保存數(shù)據(jù)不同,FM31256是真正意義上的非易失(truly nonvolatile)存儲器,并且用戶可以選擇對不同的存儲區(qū)域以軟件方式進行寫保護。
FM31256 器件將非易失FRAM與實時時鐘(RTC)、處理器監(jiān)控器、非易失性事件計數(shù)器、可編程可鎖定的64位ID號和通用比較器相結(jié)合。其中,通用比較器可提前在電源故障中斷(NMI)時發(fā)揮作用或?qū)崿F(xiàn)其他用途。采用先進的0.35 μm制造工藝,這些功能通過一個通用接口嵌入到14個引腳的SOIC封裝中,從而取代系統(tǒng)板上的多個元件。存儲器的讀/寫以及其他控制功能都通過工業(yè)標準的I2C總線來實現(xiàn)。
圖1為FM31256的原理圖。其中,SDA和SCL引腳用于與CPU進行數(shù)據(jù)交換和命令寫入,數(shù)據(jù)輸出部分均具有施密特觸發(fā)器,以提高抗干擾性能;同時,SDA作為二線接口中的雙向信號線,集電極開路輸出,可與二線總線上其他器件進行“線或”。A1～A0為器件地址選擇信號,即總線上可同時使用4個同類器件。正常模式下,PFI引腳分別為比較器的輸入(不可懸空),CAL/PFO引腳輸出PFI引腳的輸入信號與1.2 V參考電壓之間的比較結(jié)果;校準模式下,CAL/PFO引腳將輸出512 Hz的方波用于時鐘校準。CNT2～CNT1是通過備份電池支持的事件計數(shù)器的兩路輸入端,通過邊沿觸發(fā)啟動計數(shù)器,觸發(fā)沿由用戶自由選擇。
圖1 FM31256原理圖
2 FM31256功能及使用方法
在FM31256中,有25個特殊功能寄存器(SFR)00H～18H。通過對這些功能寄存器進行操作,可以實現(xiàn)各種功能。
2.1 特殊功能寄存器
(1) 實時時鐘和比較器
實時時鐘包括晶體振蕩器、時鐘分頻器和寄存器系統(tǒng)。它分割32.768 Hz的時基信號以提供1 s(1 Hz)的分辨率,寄存器(02H～08H)以BCD格式提供秒、分、時、星期、日、月、年信息,用戶可對其進行讀/寫訪問。啟動時鐘前須將SFR中01H地址的OSCEN位(D7)置位,振蕩器起振;同時將00H地址的R位(D0)置位,可將時鐘數(shù)據(jù)寫入寄存器用于讀出。若此時正處于時鐘刷新階段,則由于刷新操作優(yōu)先于寫入寄存器的操作,因而保證了時鐘的準確性。重新設(shè)置時鐘時,只須設(shè)定00H地址的W位。
FM31256的時鐘精度可通過軟件校準,將00H地址的CAL位(D2)置位,時鐘進入校準模式,比較器輸出512 Hz的頻率信號,并可通過設(shè)置01H地址的CAL4～CAL0位(D4～D0)確定校準值。當00H地址的CAL位(D2)為0時,進入比較器模式。
(2) 處理器伴侶
處理器伴侶包括CPU通常需要的功能。系統(tǒng)監(jiān)測由低電平狀態(tài)或看門狗計數(shù)溢出的中斷輸出信號。
當系統(tǒng)電源電壓低于設(shè)定的閾值或看門狗計數(shù)器溢出時,FM31256將輸出低電平復(fù)位脈沖,復(fù)位信號持續(xù)100ms。改變0BH地址的VTP1～VTP0位(D1～D0),可以設(shè)定電平檢測的閾值;改變0AH地址的WDT4～WDT0位(D4～D0),看門狗的溢出時間可以在100 ms到3 s之間選擇,其中0AH地址的WDE位(D7),用于看門狗啟動或停止;09H地址用于監(jiān)視復(fù)位信號來源(看門狗計數(shù)器、上電復(fù)位或后備電源電壓)以及控制看門狗計數(shù)器清零。系統(tǒng)軟件須在要求的時間周期內(nèi),向09H地址的WR3～WR0位(D3～D0)寫入1010,使計數(shù)器清零。
(3) 事件計數(shù)器
FM31256有2個獨立的后備電池支持的16位事件計數(shù)器CN1和CN2,位于寄存器0DH～10H中。若將SFR中0CH地址的CC位(D2)置位,則可以組成一個32位的計數(shù)器。CIN1和CIN2是事件計數(shù)器信號輸入端,在32位計數(shù)器模式下CIN2無效。計數(shù)采用可編程邊沿觸發(fā)方式,若0CH地址的C1P位(D0)置位,則CIN1采用上升沿觸發(fā),否則是下降沿觸發(fā);0CH地址的C2P位(D1)用于控制CIN2。
(4) 串行數(shù)據(jù)標識區(qū)
FM31256的SFR中的11H～18H地址串行標識區(qū)中可以保存8字節(jié)(64位)數(shù)據(jù)。該存儲區(qū)為非易失性存儲區(qū),可對其進行無限次的讀/寫操作,但如果將0BH地址的SNL位(D7)置位,則不能再對該存儲區(qū)進行操作,且這種操作是不可逆的。
2.2 FM31256的讀/寫操作
FM31256作為從機,集成了兩個功能不同的部件,每個部件都可以被獨立訪問。一個是存儲器,訪問時從機地址的位7～4必須被設(shè)置為1010B;若要訪問實時時鐘/處理器伴侶,則從機地址的位7～4必須被設(shè)置為1101B。該器件采用二線制的I2C接口,二線協(xié)議由SDA和SCL兩個引腳的狀態(tài)確定。共有4種狀態(tài)： 開始、停止、數(shù)據(jù)傳輸及應(yīng)答。其通信基本格式如圖2所示。[!--empirenews.page--]
圖2 I2C總線通信基本格式
FM31256嚴格按I2C總線的時序和數(shù)據(jù)格式操作,其訪問操作過程可描述為如下步驟： 啟動—從機地址—應(yīng)答—目標地址—應(yīng)答—(啟動—從機地址—應(yīng)答)—數(shù)據(jù)(單或多字節(jié))—應(yīng)答—停止(注： 從機地址中包含了讀寫命令;括號中的步驟為當前地址讀和連續(xù)地址讀命令所特有的)。這里對應(yīng)答信號作些說明。應(yīng)答脈沖發(fā)生在第8個數(shù)據(jù)位傳送之后。在這個狀態(tài)下,發(fā)送方須釋放SDA讓接收方驅(qū)動;當接收方發(fā)出低電平時,表示正常應(yīng)答,當發(fā)出高電平時,表示無應(yīng)答。不應(yīng)答有兩種情況： 一是數(shù)據(jù)傳送出錯,無應(yīng)答使發(fā)送方終止當前操作,以便重新尋址;二是接收方有意不作應(yīng)答,以結(jié)束當前操作。
在對SFR操作時,首先發(fā)送的命令字節(jié)為“1 1 0 1 X A1 A0 R/W”,目標地址為單字節(jié)范圍(00H～18H)。FM31256的32 KB存儲單元地址為0000H～7FFFH,對其進行操作時,首先發(fā)送的命令字節(jié)為“1 0 1 0 X A1 A0 R/W”,目標地址長度為雙字節(jié),即RAM區(qū)的尋址能力為0～65 535。FM31系列存儲器具有內(nèi)部地址鎖存和自動累加功能,當對連續(xù)地址區(qū)進行讀/寫操作時,只須發(fā)送存儲區(qū)首地址。
3 FM31256在電磁鑄軋電源控制中的應(yīng)用
將FM31256應(yīng)用在電磁鑄軋電源控制裝置當中,實現(xiàn)主控系統(tǒng)的看門狗復(fù)位、給定參數(shù)、實時時鐘及故障記錄保存的功能。
作為一種解決微處理器因干擾而死機問題的有效方法,看門狗的作用是必不可少的。針對控制對象,需要對A、B、C三相控制裝置進行調(diào)節(jié),包括設(shè)定正弦波的頻率和幅值、反饋系數(shù)、PID參數(shù)、過流延時、開放延時和關(guān)斷延時等;將這些給定的參數(shù)及時寫入鐵電存儲器FM31256的存儲單元中,使之掉電后仍能保存。當系統(tǒng)發(fā)生故障時,例如控制裝置中晶閘管周圍溫度超過額定溫度,裝置就會發(fā)出報警信號,并將發(fā)生故障的準確時間、實際溫度值記錄在FM31256的存儲單元中,以便系統(tǒng)查詢;同時,FM31256的事件計數(shù)器加1計數(shù)。同樣,利用串行標識區(qū)可鎖定的功能,可將電磁鑄軋電源控制裝置的序列號寫入其中,非常安全可靠。
3.1 硬件原理
電磁鑄軋電源控制裝置應(yīng)用FM31256的硬件接口電路如圖3所示。從圖3中可以看出,系統(tǒng)以超低功耗MSP430系列芯片MSP430F149作為控制器;FM31256作為參數(shù)存儲單元,與處理器之間采用I2C總線進行通信。由于MSP430F149沒有I2C總線接口,所以任取2個I/O口模擬。實時時鐘在VDD掉電以后自動切換到后備電源VBAK。
圖3 FM31256與MSP430F149的硬件接口電路
32.768 kHz晶振等效于6 pF電容。若將SFR的01H單元對應(yīng)的OSCEN位設(shè)為0,同時置00H單元的CAL位為1,使CAL引腳輸出512 Hz的脈沖信號,則可檢測晶振工作是否正常,因為512 Hz是晶振頻率的64分頻。制PCB板時須注意： X1和X2晶振引腳均為高阻引腳,兩引腳之間的距離須小于5 mm;即使信號位于板內(nèi)層,也不允許信號線靠近X1和X2引腳。在晶振引腳周圍使用接地保護環(huán),內(nèi)部或板反面使用接地保護敷銅。
3.2 存儲區(qū)訪問程序設(shè)計
對FM31256存儲器訪問操作過程中,微處理器處于主機地位,器件始終處于從機地位。根據(jù)上述對FM31256的分析,可以把所有的通信過程歸納為3種類型： ① 單脈沖,如Start、Stop、Ack、Nack;② 字節(jié)發(fā)送,如從機地址、目標地址和數(shù)據(jù)傳送;③ 字節(jié)接收,如讀操作中的數(shù)據(jù)傳送。因此只要把這些操作以子程序的形式編寫好,所有的通信操作就可通過調(diào)用這些子程序來完成。這里以MSP430F149微處理器的嵌入式C語言編寫。設(shè)微處理器端口P6.6為數(shù)據(jù)線(SDA);P5.4為時鐘線(SCL)。
限于篇幅,本文不作詳細介紹,只給出模擬I2C總線及字節(jié)寫入、讀出的部分C語言程序：
#defineRTC_SDABIT6
#defineRTC_SCLBIT4
void FM31256_Start(void) {/*FM31256啟動程序*/
P6OUT |=RTC_SDA;// SDA=1
P5OUT |=RTC_SCL;// SCL=1
delay(IIC_DELAY);
P6OUT &=~ RTC_SDA;// SDA=0
delay(IIC_DELAY);
P5OUT &=~ RTC_SCL;// SCL=0}
void FM31256_Stop( void ) {/*FM31256停止程序*/
P6OUT &=~ RTC_SDA;// SDA=0
delay(IIC_DELAY);
P5OUT |=RTC_SCL;// SCL=1
delay(IIC_DELAY);
P6OUT |=RTC_SDA;// SDA=1
delay(IIC_DELAY);}
void FM31256_Send_Ack( void ) {/*FM31256應(yīng)答程序*/
P5OUT &=~ RTC_SCL;// SCL=0
P6OUT &=~ RTC_SDA;// SDA=0[!--empirenews.page--]
P5OUT |=RTC_SCL;// SCL=1
delay(IIC_DELAY);
P5OUT &=~ RTC_SCL;// SCL=0}
void FM31256_Send_noAck( void ) {/*FM31256不應(yīng)答程序*/
P5OUT |=RTC_SCL;// SCL=1
delay(IIC_DELAY);
P5OUT &=~ RTC_SCL;// SCL=0}
說明：SCL線是高電平時,SDA線從高電平向低電平切換,表示起始條件;當SCL是高電平時,SDA線由低電平向高電平切換,表示停止條件。相關(guān)的確認時鐘脈沖由主機產(chǎn)生,在確認的時鐘脈沖器件發(fā)送方釋放SDA(高電平),在此期間接收方須將SDA拉低。
void FM31256_transfByte_to_IIC( unsigned char tran_byte ) {/* CPU字節(jié)發(fā)送程序*/
unsigned char i , current_bit =0x80;
P5OUT &=~ RTC_SCL;
delay(IIC_DELAY);
for( i=0; i <=7; i++ ) {
if ( tran_byte & current_bit )
P6OUT |= RTC_SDA;
else
P6OUT &=~ RTC_SDA;
current_bit >>=1;
delay(IIC_DELAY);
P5OUT |=RTC_SCL;//SCL=1
delay(IIC_DELAY);
P5OUT &=~ RTC_SCL;//SCL=0
delay(IIC_DELAY);
}
}
unsigned char FM31256_receByte_from_IIC( void ){/*CPU字節(jié)接收程序*/
unsigned char mvalue, i, rece_data =0;
P6DIR &=~ RTC_SDA;//設(shè)置為輸入方向
P5OUT &=~ RTC_SCL; //SCL=0
delay(IIC_DELAY);
for(i=0;i<8;i++) {
rece_data = rece_data<<1;
P5OUT |=RTC_SCL;//SCL=1
delay(IIC_DELAY);
mvalue = P6IN & RTC_SDA;//當前位的值
if( mvalue )//接收位為高
rece_data = rece_data | 0x01;
else//接收位為低
rece_data = rece_data & 0xFE;
P5OUT &=~ RTC_SCL;//SCL=0
delay(IIC_DELAY);
}
P6DIR |=RTC_SDA;//P6.6輸出
return(rece_data);//返回收到的字節(jié)
}
說明：發(fā)送到SDA線上的每個字節(jié)須為8位。tran_byte為CPU要發(fā)送的字節(jié),CPU讀入的數(shù)據(jù)存儲在rece_data中。對FM31256存儲器可以直接對當前地址進行“讀”操作,也可以連續(xù)“讀/寫”多個字節(jié)而無須逐一指定地址。依據(jù)上述一般步驟,對存儲器的訪問操作可歸納為3種基本操作： ① 設(shè)置當前操作目標地址; ② 寫入數(shù)據(jù); ③ 讀出數(shù)據(jù)。
訪問存儲器操作有多種,如內(nèi)存“寫”、當前地址或順序連續(xù)“讀”和隨機地址“讀”操作。在控制程序中,需要向FM31256內(nèi)存中寫入并讀出給定參數(shù)、故障信息等數(shù)據(jù)。內(nèi)存讀/寫的方法如下：
內(nèi)存寫操作,首先由CPU發(fā)送從機地址,然后是內(nèi)存16位地址,主機通過設(shè)置從機地址字節(jié)的最低位為0聲明一個寫操作;接收應(yīng)答信號后,CPU向FM31256發(fā)送數(shù)據(jù)的每個字節(jié),之后器件又產(chǎn)生應(yīng)答信號,任何數(shù)量的連續(xù)字節(jié)可以被寫入,以停止信號結(jié)束傳輸。有兩種類型的讀操作：當前地址讀操作和隨機地址讀操作。讀操作同樣先由CPU發(fā)送從機地址,主機通過設(shè)置從機地址字節(jié)的最低位為1聲明一個讀操作。當要進行隨機讀操作時,還要在讀取數(shù)據(jù)之前,發(fā)送16位內(nèi)存地址之后讀取任意個字節(jié),每個字節(jié)后應(yīng)跟隨應(yīng)答信號,以停止信號結(jié)束傳輸。
在電磁鑄軋電源控制裝置的主控程序中,還將調(diào)用時鐘刷新函數(shù)Flash_time()、時鐘寫入函數(shù)Write_time()、寄存器寫入函數(shù)Register_write()和寄存器讀出函數(shù)Register_read()。
啟動RTC和WatchDog的流程圖如圖4所示。
圖4 啟動RTC和WatchDog的流程圖
結(jié)語
將鐵電存儲器用于電磁鑄軋電源控制裝置中,與MSP430系列單片機相結(jié)合,充分發(fā)揮了其強大的功能;同時取代了傳統(tǒng)的EEPROM和實時時鐘芯片,既降低了硬件成本,又簡化了軟件設(shè)計。
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