带RTC的I2C总线铁电存储器FM31256

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。
关键词 I2C总线 铁电体技术 RTC MSP430F

　　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。

1  FM31256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 μm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FM31256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”。A1～A0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引脚分别为比较器的输入（不可悬空），CAL/PFO引脚输出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1  FM31256原理图

2  FM31256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（02H～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（D4～D0）确定校准值。当00H地址的CAL位（D2）为0时，进入比较器模式。

（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0AH地址的WDT4～WDT0位（D4～D0），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（D3～D0）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0DH～10H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。

2.2  FM31256的读/写操作

　　FM31256作为从机，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7～4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7～4必须被设置为1101B。该器件采用二线制的I2C接口，二线协议由SDA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2  I2C总线通信基本格式

　　FM31256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为“1 1 0 1 X A1 A0 R/W”，目标地址为单字节范围（00H～18H）。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0～65 535。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。

3  FM31256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3  FM31256与MSP430F149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

　　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： ① 单脉冲，如Start、Stop、Ack、Nack；② 字节发送，如从机地址、目标地址和数据传送；③ 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_SCLBIT4
　　void FM31256_Start(void) {/*FM31256启动程序*/
　　　　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应答程序*/
　　　　P5OUT &=~ RTC_SCL;// SCL=0
　　　　P6OUT &=~ RTC_SDA;// SDA=0
　　　　P5OUT |=RTC_SCL;// SCL=1
　　　　delay(IIC_DELAY);
　　　　P5OUT &=~ RTC_SCL;// SCL=0}
　　void FM31256_Send_noAck( void ) {/*FM31256不应答程序*/
　　　　P5OUT |=RTC_SCL;// SCL=1
　　　　delay(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 =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=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;//当前位的值
　　　　　　if( mvalue )//接收位为高
　　　　　　　　rece_data = rece_data | 0x01;
　　　　　　else//接收位为低
　　　　　　　　rece_data = rece_data & 0xFE;
　　　　　　P5OUT &=~ RTC_SCL;//SCL=0
　　　　　　delay(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。tran_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： ①  设置当前操作目标地址； ②  写入数据； ③  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_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。
                     

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。

参考文献

［1］  Ramtron International Corporation. FM3104/16/64/256 Integrated Processor Companion with Memory.2002.
［2］  胡大可．MSP430系列单片机C语言程序设计与开发．北京：北京航空航天大学出版社，2003.
［3］  孙树印.铁电存储器原理及应用比较.单片机与嵌入式系统应用，2004(9).