铁电存储器FM25640及其在电表数据存储中的应用

　　0 引言

　　在电子技术日新月异、新型多功能电能表层出不穷的今天，电能表中存储器的选择也是多种多样，存储器的好坏直接关系到电能表的正常使用和测量精度。目前应用最多的方案仍是SRAM加后备电池、EEPROM、NVRAM这三种。但这三种方案均存在着缺陷。其中SRAM加后备电池的方法增加了硬件设计的复杂性，同时由于加了电池又降低了系统的可靠性；而EEPROM的可擦写次数较少(约10万次)，且写操作时间较长(约10 ms)；而NVRAM的价格问题又限制了它的普及应用。因此，工程人员在设计电能表的存储模块时，往往要花很大的精力来完善方案，才能使电表数据准确无误的写入存储器中。鉴于以上情况，越来越多的设计者将目光投向了新型的非易失性铁电存储器(FRAM)。铁电存储器具有以下几个突出的优点：

　　(1)读写速度快。串口FRAM的时钟速度可达20 MHz，并口FRAM的访问速度达70 ns，几乎无须任何的写入等待时间，可认为是实时写入，所以不用担心掉电后数据会丢失；

　　(2)擦写次数多。一般认为FRAM的擦写次数为100亿次，而最新的铁电存储器的写入次数可达一亿亿次，这几乎可以认为是无限次；

　　(3)超低功耗。FRAM的静态工作电流小于10μA，读写电流小于150μA。

　　目前，铁电存储器的主要生产商Ramtron公司的FRAM主要包括串行FRAM和并行FRAM两大类。而串行FRAM由于可节省大量的管脚而得到更为广泛的应用。实际上，串行接口FRAM又分为I2C和SPI两种接口。经过多方比较，本设计选择带有SPI接口的FM25640来进行说明。

　　1 FM25640芯片介绍

　　1.1 FM25640的主要特性

　　FM25640为64Kb的非易失性铁电存储器，结构容量为8192×8位，具有100亿次的读写次数，掉电数据可保持10年。该器件支持SPI的模式0&3，最大可达到5 MHz的总线速度，采用8脚SOP或DIP封装。

　　1.2 引脚功能

　　FM25640的引脚图如图1所示。各引脚的具体功能如下：

　　CS：片选，低电平有效。当它为高电平时，所有的输出处于高阻态，芯片忽略其它输入；当它为低电平时，芯片功能开启，并根据SCK的信号而动作。

　　SO：串行输出。数据输出引脚。

　　WP：写保护，低电平有效时，将阻止向状态寄存器进行写操作。

　　VSS：电源地。

　　SI：串行输入。数据输入引脚。

　　SCK：串行时钟。

　　HOLD：保持端口，低电平有效。当SCK为低电平且该脚亦为低电平时，暂停当前的操作。而当SCK为低电平而HOLD为高电平时，则恢复被暂停的操作。

　　VDD：5 V引脚电源。

　　1.3 SPI接口

　　FM25640带有高速SPI(Serial Peripheral Interface)接口。在通过它来进行串行通信时，其最大可以达到5 MHz的操作速度。

　　SPI接口是一种时钟和数据同步的串行接口，应使用SO、SI、SCK、CS四个引脚，可与任何具有SPI接口的MCU直接连接。对于没有SPI接口的MCU，SPI可以与普通I／O口相连。然后用软件模拟SPI接口，当然，也可以选择其它带有I2C总线接口和并口的FRAM产品。

　　SPI有四种工作方式。分别为方式0、方式1、方式2和方式3，FM25640支持其中的方式0(CPOL=0，CPHA=0)和方式3(CPOL=1，CPHA=1)，等两种方式，数据可在时钟的上升沿移进FM25640，而且数据一般出现在CS有效后的第一个时钟的上升沿。因此，如果时钟从高电平开始，将不能产生第一个有效的上升沿而导致数据传输失败。数据传输时，所有移进和移出FM25640的数据都是8位为一组，它们与时钟信号同步，最高有效位(MSB)在前，串行数据在时钟的上升沿移进，并在时钟的下降沿移出。FM25640在SPI方式0和SPI方式3时的操作时序如图2所示。

　　SPI接口是通过操作指令来控制的，FM25640的操作指令集如表1所列，该指令集共有6条指令。当有效后，第一个传输的字节就是操作指令，紧跟着操作指令之后的是两字节的地址，该地址共16位，其中高三位不起作用，后13位则指定了一个唯一的地址。地址后面为所要写入的数据，若数据多于1个，则第一个数据之后的数据存储地址由FM25640自动按顺序增加。如果地址到达最高地址1FFFH，地址计数器将重新置为0000H。