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1、带 RTC （Real-Time Clock） 的 I2C 总线铁电存储器 FM31256 内容摘要： FM31256 是一种基于I2C 总线、采用铁电体技术的多功能存储芯片。除了非易失存储器外，该器件还具有实时时钟、低电压复位、看门狗计数器、非易失性事件计数器、可锁定的串行数字标识等多种功能。文章主要介绍了FM31256的基本功能、原理，并结合实例给出了其在电磁铸轧电源控制装置中的具体应用方法。FM31256 是由 Ramtron 公司推出的新一代多功能系统监控和非易失性铁电存储芯片。与其他非易失性存储器比较，它具有如下优点：读/写速度快，没有写等待时间；功耗低，静态电流小于1 mA ，写入
2、电流小于150 mA ；擦写使用寿命长，芯片的擦写次数为100 亿次，比一般的 EEPROM存储器高10 万倍，即使每秒读/写 30 次，也能用10 年；读 /写的无限性，芯片擦写次数超过100 亿次后，还能和SRAM 一样读 /写。铁电存储器 (FRAM) 的核心技术是铁电晶体材料。这一特殊材料使铁电存储器同时拥有随机存取存储器(RAM) 和非易失性存储的特性。本文介绍了FM31256的主要功能，并具体给出了基于嵌入式C 语言编写的存储器读/写程序。1FM31256的基本结构及原理FM31256由 256 KB 存储器和处理器配套电路（processor companion ）两部分组成。与
3、一般的采用备份电池保存数据不同，FM31256是真正意义上的非易失（truly nonvolatile ）存储器，并且用户可以选择对不同的存储区域以软件方式进行写保护。FM31256 器件将非易失FRAM 与实时时钟（RTC ）、处理器监控器、非易失性事件计数器、可编程可锁定的64 位 ID 号和通用比较器相结合。其中，通用比较器可提前在电源故障中断 (NMI) 时发挥作用或实现其他用途。采用先进的0.35 m制造工艺， 这些功能通过一个通用接口嵌入到14 个引脚的 SOIC 封装中，从而取代系统板上的多个元件。存储器的读 /写以及其他控制功能都通过工业标准的I2C 总线来实现。图 1 为 F
4、M31256的原理图。其中，SDA 和 SCL 引脚用于与CPU 进行数据交换和命令写入，数据输出部分均具有施密特触发器，以提高抗干扰性能；同时，SDA 作为二线接口中的双向信号线，集电极开路输出，可与二线总线上其他器件进行“ 线或 ” 。A1A0 为器件地址选择信号，即总线上可同时使用4 个同类器件。正常模式下，PFI 引脚分别为比较器名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 10 页 - - - - - - - - - 的输入（不可悬空），CAL/PFO 引脚输
5、出 PFI 引脚的输入信号与1.2 V 参考电压之间的比较结果；校准模式下，CAL/PFO 引脚将输出512 Hz 的方波用于时钟校准。CNT2 CNT1是通过备份电池支持的事件计数器的两路输入端，通过边沿触发启动计数器，触发沿由用户自由选择。图 1FM31256原理图2FM31256功能及使用方法在 FM31256 中，有 25 个特殊功能寄存器（SFR ）00H 18H 。通过对这些功能寄存器进行操作，可以实现各种功能。2.1特殊功能寄存器（1）实时时钟和比较器实时时钟包括晶体振荡器、时钟分频器和寄存器系统。它分割32.768 Hz 的时基信号以提供 1 s（1 Hz）的分辨率，寄存器（0
6、2H 08H）以 BCD 格式提供秒、分、时、星期、日、月、年信息，用户可对其进行读/写访问。启动时钟前须将SFR 中 01H 地址的 OSCEN 位（ D7）置位，振荡器起振；同时将00H 地址的 R 位（D0）置位，可将时钟数据写入寄存器用于读出。若此时正处于时钟刷新阶段，则由于刷新操作优先于写入寄存器的操作，因而保证了时钟的准确性。重新设置时钟时，只须设定00H 地址的 W 位。FM31256的时钟精度可通过软件校准，将00H 地址的 CAL 位（ D2）置位，时钟进入校准模式， 比较器输出512 Hz 的频率信号， 并可通过设置01H 地址的 CAL4 CAL0 位（D4D0）确定校准
7、值。当00H 地址的 CAL 位（ D2）为 0 时，进入比较器模式。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 10 页 - - - - - - - - - （2）处理器伴侣处理器伴侣包括CPU 通常需要的功能。系统监测由低电平状态或看门狗计数溢出的中断输出信号。当系统电源电压低于设定的阈值或看门狗计数器溢出时，FM31256将输出低电平复位脉冲，复位信号持续100 ms 。改变 0BH 地址的 VTP1 VTP0 位（ D1 D0），可以设定电平检测的阈值；改变0
8、AH 地址的 WDT4 WDT0 位（ D4D0 ），看门狗的溢出时间可以在 100 ms 到 3 s 之间选择， 其中 0AH 地址的 WDE 位（D7），用于看门狗启动或停止；09H 地址用于监视复位信号来源（看门狗计数器、上电复位或后备电源电压）以及控制看门狗计数器清零。系统软件须在要求的时间周期内，向09H 地址的 WR3 WR0 位（ D3D0）写入 1010 ，使计数器清零。（3）事件计数器FM31256有 2 个独立的后备电池支持的16 位事件计数器CN1 和 CN2 ，位于寄存器0DH10H 中。若将SFR 中 0CH 地址的 CC 位（ D2）置位，则可以组成一个32 位的计
9、数器。 CIN1 和 CIN2 是事件计数器信号输入端，在32 位计数器模式下CIN2 无效。计数采用可编程边沿触发方式，若0CH 地址的 C1P 位（D0）置位，则 CIN1 采用上升沿触发，否则是下降沿触发；0CH 地址的 C2P 位（ D1）用于控制CIN2 。（4）串行数据标识区FM31256的 SFR 中的 11H 18H 地址串行标识区中可以保存8 字节（ 64 位）数据。该存储区为非易失性存储区，可对其进行无限次的读/写操作，但如果将0BH 地址的 SNL位（ D7）置位，则不能再对该存储区进行操作，且这种操作是不可逆的。2.2FM31256 的读 /写操作FM31256作为从机
10、，集成了两个功能不同的部件，每个部件都可以被独立访问。一个是存储器，访问时从机地址的位74 必须被设置为1010B ； 若要访问实时时钟/处理器伴侣，则从机地址的位74 必须被设置为1101B 。该器件采用二线制的I2C 接口，二线协议由S名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 10 页 - - - - - - - - - DA 和 SCL 两个引脚的状态确定。共有4 种状态：开始、停止、数据传输及应答。其通信基本格式如图2 所示。图 2I2C 总线通信基本格式F
11、M31256严格按 I2C 总线的时序和数据格式操作，其访问操作过程可描述为如下步骤：启动 从机地址 应答 目标地址 应答 (启动 从机地址 应答 )数据 (单或多字节 )应答 停止（注：从机地址中包含了读写命令；括号中的步骤为当前地址读和连续地址读命令所特有的)。这里对应答信号作些说明。应答脉冲发生在第8 个数据位传送之后。在这个状态下，发送方须释放SDA 让接收方驱动；当接收方发出低电平时，表示正常应答，当发出高电平时，表示无应答。不应答有两种情况：一是数据传送出错，无应答使发送方终止当前操作，以便重新寻址；二是接收方有意不作应答，以结束当前操作。在对 SFR 操作时， 首先发送的命令字节
12、为“1 1 0 1 X A1 A0 R/W ”，目标地址为单字节范围（ 00H18H ）。FM31256 的 32 KB 存储单元地址为0000H 7FFFH ，对其进行操作时，首先发送的命令字节为“1 0 1 0 X A1 A0 R/W ”，目标地址长度为双字节，即RAM区的寻址能力为065 535。FM31 系列存储器具有内部地址锁存和自动累加功能，当对连续地址区进行读/写操作时，只须发送存储区首地址。3FM31256在电磁铸轧电源控制中的应用将 FM31256 应用在电磁铸轧电源控制装置当中，实现主控系统的看门狗复位、给定参数、实时时钟及故障记录保存的功能。作为一种解决微处理器因干扰而死
13、机问题的有效方法，看门狗的作用是必不可少的。针对控制对象，需要对A、B、C 三相控制装置进行调节，包括设定正弦波的频率和幅值、反馈系数、 PID 参数、过流延时、开放延时和关断延时等；将这些给定的参数及时写入铁电存储器 FM31256的存储单元中，使之掉电后仍能保存。当系统发生故障时，例如控制装置中名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 10 页 - - - - - - - - - 晶闸管周围温度超过额定温度，装置就会发出报警信号，并将发生故障的准确时间、实际温度
14、值记录在FM31256的存储单元中，以便系统查询；同时，FM31256 的事件计数器加1计数。同样，利用串行标识区可锁定的功能，可将电磁铸轧电源控制装置的序列号写入其中，非常安全可靠。3.1硬件原理电磁铸轧电源控制装置应用FM31256 的硬件接口电路如图3 所示。从图 3 中可以看出，系统以超低功耗MSP430 系列芯片 MSP430F149作为控制器； FM31256 作为参数存储单元，与处理器之间采用I2C 总线进行通信。由于MSP430F149没有 I2C 总线接口，所以任取 2 个 I/O 口模拟。实时时钟在VDD 掉电以后自动切换到后备电源VBAK 。图 3FM31256 与 MS
15、P430F149的硬件接口电路32.768 kHz 晶振等效于6 pF 电容。 若将 SFR 的 01H 单元对应的OSCEN 位设为 0，同时置 00H 单元的 CAL 位为 1，使 CAL 引脚输出 512 Hz 的脉冲信号， 则可检测晶振工作是否正常，因为512 Hz 是晶振频率的64 分频。制 PCB 板时须注意：X1 和 X2 晶振引脚均为高阻引脚， 两引脚之间的距离须小于5 mm ；即使信号位于板内层，也不允许信号线靠近X1 和 X2 引脚。在晶振引脚周围使用接地保护环，内部或板反面使用接地保护敷铜。3.2存储区访问程序设计名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - -
16、- - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 10 页 - - - - - - - - - 对 FM31256 存储器访问操作过程中，微处理器处于主机地位，器件始终处于从机地位。根据上述对FM31256的分析，可以把所有的通信过程归纳为3 种类型： 单脉冲，如Start、Stop 、Ack 、Nack ； 字节发送，如从机地址、目标地址和数据传送；字节接收，如读操作中的数据传送。因此只要把这些操作以子程序的形式编写好，所有的通信操作就可通过调用这些子程序来完成。这里以 MSP430F149微处理器的嵌入式C 语言编写。 设微处
17、理器端口 P6.6 为数据线（ SDA ）； P5.4 为时钟线（ SCL）。限于篇幅，本文不作详细介绍，只给出模拟I2C 总线及字节写入、读出的部分C 语言程序：#defineRTC_SDABIT6#defineRTC_SCLBIT4void FM31256_Start(void) /*FM31256启动程序 */P6OUT |=RTC_SDA;/ SDA=1P5OUT |=RTC_SCL;/ SCL=1delay(IIC_DELAY);P6OUT &= RTC_SDA;/ SDA=0delay(IIC_DELAY);P5OUT &= RTC_SCL;/ SCL=0void FM31256_
18、Stop( void ) /*FM31256停止程序 */P6OUT &= RTC_SDA;/ SDA=0delay(IIC_DELAY);P5OUT |=RTC_SCL;/ SCL=1delay(IIC_DELAY);P6OUT |=RTC_SDA;/ SDA=1名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 10 页 - - - - - - - - - delay(IIC_DELAY);void FM31256_Send_Ack( void ) /*FM31256应答
19、程序 */P5OUT &= RTC_SCL;/ SCL=0P6OUT &= RTC_SDA;/ SDA=0P5OUT |=RTC_SCL;/ SCL=1delay(IIC_DELAY);P5OUT &= RTC_SCL;/ SCL=0void FM31256_Send_noAck( void ) /*FM31256不应答程序 */P5OUT |=RTC_SCL;/ SCL=1delay(IIC_DELAY);P5OUT &= RTC_SCL;/ SCL=0说明： SCL 线是高电平时，SDA 线从高电平向低电平切换，表示起始条件；当SCL 是高电平时， SDA线由低电平向高电平切换，表示停止条
20、件。相关的确认时钟脉冲由主机产生，在确认的时钟脉冲器件发送方释放SDA （高电平），在此期间接收方须将SDA 拉低。void FM31256_transfByte_to_IIC( unsigned char tran_byte ) /* CPU字节发送程序 */unsigned char i , current_bit =0 x80;P5OUT &= RTC_SCL;delay(IIC_DELAY);for( i=0; i =1;delay(IIC_DELAY);P5OUT |=RTC_SCL;/SCL=1delay(IIC_DELAY);P5OUT &= RTC_SCL;/SCL=0dela
21、y(IIC_DELAY);unsigned char FM31256_receByte_from_IIC( void )/*CPU字节接收程序 */unsigned char mvalue, i, rece_data =0;P6DIR &= RTC_SDA;/设置为输入方向P5OUT &= RTC_SCL; /SCL=0delay(IIC_DELAY);for(i=0;i8;i+) rece_data = rece_data1;P5OUT |=RTC_SCL;/SCL=1delay(IIC_DELAY);mvalue = P6IN & RTC_SDA;/当前位的值if( mvalue )/接收
22、位为高rece_data = rece_data | 0 x01;else/接收位为低rece_data = rece_data & 0 xFE;名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 10 页 - - - - - - - - - P5OUT &= RTC_SCL;/SCL=0delay(IIC_DELAY);P6DIR |=RTC_SDA;/P6.6输出return(rece_data);/返回收到的字节说明： 发送到 SDA 线上的每个字节须为8 位。 tra
23、n_byte 为 CPU 要发送的字节， CPU 读入的数据存储在rece_data中。对 FM31256存储器可以直接对当前地址进行“ 读” 操作，也可以连续 “ 读/写” 多个字节而无须逐一指定地址。依据上述一般步骤，对存储器的访问操作可归纳为 3 种基本操作：设置当前操作目标地址；写入数据；读出数据。访问存储器操作有多种，如内存 “ 写” 、当前地址或顺序连续“ 读” 和随机地址 “ 读” 操作。 在控制程序中， 需要向 FM31256 内存中写入并读出给定参数、故障信息等数据。内存读 /写的方法如下：内存写操作，首先由CPU 发送从机地址，然后是内存16 位地址，主机通过设置从机地址字
24、节的最低位为0 声明一个写操作；接收应答信号后，CPU 向 FM31256 发送数据的每个字节， 之后器件又产生应答信号，任何数量的连续字节可以被写入，以停止信号结束传输。有两种类型的读操作：当前地址读操作和随机地址读操作。读操作同样先由CPU 发送从机地址，主机通过设置从机地址字节的最低位为1 声明一个读操作。当要进行随机读操作时，还要在读取数据之前，发送16 位内存地址之后读取任意个字节，每个字节后应跟随应答信号，以停止信号结束传输。在电磁铸轧电源控制装置的主控程序中，还将调用时钟刷新函数Flash_time() 、时钟写入函数 Write_time() 、寄存器写入函数Register_
25、write()和寄存器读出函数Register_read()。启动 RTC 和 WatchDog的流程图如图4 所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 10 页 - - - - - - - - - 图 4启动 RTC 和 WatchDog的流程图结语将铁电存储器用于电磁铸轧电源控制装置中，与MSP430 系列单片机相结合，充分发挥了其强大的功能；同时取代了传统的EEPROM 和实时时钟芯片，既降低了硬件成本，又简化了软件设计。实践证明，FM31256具有良好的推广应用前景。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 10 页 - - - - - - - - -