作者：中南大学 陈淼 凌玉华 廖力清

    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100ms。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。