标签: 铁电存储器

铁电存储器（FRAM）产品将ROM的非易失性数据存储特性和RAM的无限次读写、高速读写以及低功耗等优势结合在一起。FRAM产品包括各种接口和多种密度，像工业标准的串行和并行接口，工业标准的封装类型，以及4Kbit、16Kbit、64Kbit、256Kbit和1Mbit等密度。 FRAM 提供一种与RAM一致的性能,但又有与ROM 一样的非易失性。 FRAM 克服以上二种记忆体的缺陷并合并它们的优点，它是全新创造的产品，一个非易失性随机存取储存器。 这些令人振奋的发展使FRAM在人们日常生活的各个领域找到了应用的途径。从办公复印机、高档服务器到汽车安全气囊和娱乐设备， FRAM 使一系列产品的性能得到改进并在全世界范围内得到广泛的应用。 很多用过铁电的人都知道，一直以来Ramtron公司就是铁电的代名词，作为未来存储发展趋势的铁电，只有Ramtron一家对存储这个市场来说是不健康的，没有竞争的市场是不利于技术的发展，日本富士通公司致力于铁电存储器的技术研发和生产，此举打破了Ramtron在铁电领域一家独大的历史，对市场来说是十分利好的消息！！ 目前富士通的铁电存储器已经正式批量生产，并且都有相对应的型号与Ramtron替换，价格很有竞争力，从富士通代理商上海本宏电子科技有限公司可以申请免费样品以便测试！！ 目前富士通开始销售的FRAM型号如下： MB85RC64:   64Kb, 2.7~3.6V, I 2 C 接口 , 直接替换 FM*4CL64                MB85RC128:   128Kb, 2.7~3.6V, I 2 C 接口 , Ramtron 没有 128Kb 的 MB85RS256:  256Kb, 2.7~3.6V, SPI 接口 , 直接与 FM*5CL256 替换       MB85R256H:  256Kb, 2.7~3.6V, 并行 接口 , 直接与 FM18L08 替换     MB85R1001 ： 1Mb, 3.0 V - 3.6 V, 并行 接口 , 128k x 8, 可替换 FM*0L08 MB85R1002 ： 1Mb, 3.0 V - 3.6 V, 并行 接口 , 64k x 16 MB85R2001 ： 2Mb, 3.0 V - 3.6 V, 并行 接口， 256k x 8, 可替换 FM*1L16 MB85R2002 ： 2Mb, 3.0 V - 3.6 V, 并行 接口， 128k x 16 以上来自：上海本宏电子科技有限公司  周本亮(销售工程师；直线：021-54997750；138 1722 1825，Email:zhoubenliang@hobos.com.cn; QQ：539570524)

摘 要 ：分析不同种类 单片机 之间通信的方式及难点，提出一种基 铁电 存储 器 的解决方案与实例。包括一个可靠通信协议和流程以及此方法的优点和需要注意的方法。 关键词 ： 单片机 通信 铁电 存储 器 I2C总线仲裁通信协议 谁着电子技术的飞速发展， 单片机 也步如一个新的时代，越来越多的功能各异的 单片机 为我们的设计提供了许多新的方法与思路。对于莫一些场合，比如：复杂的后台运算及通信与高实时性前台控制系统、软件资源消耗大的系统、功能强大的低消耗系统、加密系统等等。如果合理使用多种不同类型的 单片机 组合设计，可以得到极高灵活性与性能价格比，因此，多种异型 单片机 系统设计渐渐成为一种新的思路，但 单片机 之间的通信一直是困扰这种方法拓展的主要问题。本文将分析比较几种 单片机 之间的方式、难点，并提出一种解决方案。 1 几种常用 单片机 之间的通信方式 ①采用硬件UART进行异步串行通信。这是一种占用口线少，有效、可靠的通信方式；但遗憾的是许多小型 单片机 没有硬件 UART，有些也只有1个UART，如果系统还要与上位机通信的话，硬件资源是不够的。这种方法一般用于 单片机 有应件UART且不需与外界进行串行通信或采用双UART 单片机 的场合。 ②采用片内SPI接口或2C总线模块串行通信形式。SPI/I2C接口具有硬件简单、软件编程容易等特点，但目前大多数 单片机 不具备硬件SPI/I2C模块。 ③利用软件模拟SPI/I2C模式通信，这种方式很难模拟从机模式，通信双方对每一位要做出响应，通信速率与软件资源的开销会形成一个很大的矛盾，处理不好会导致系统整体性能急剧下降。这种方法只能用于通信量极少的场合。 ④口对口并行通信，利用 单片机 的口线直接相连，加上1～2条握手信号线。这种方式的特点是通信速度快，1次可以传输4位或8位，甚至更多，但需要占用大量的口线，而且数据传递是准同步的。在一个 单片机 向另一个 单片机 传送1个字节以后，必须等到另一个 单片机 的接收响应信号后才能传送下一个数据。一般用于一些硬件口线比较富余的场合。 ⑤利用双口RAM作为缓冲器通信。这种方式的最大特点就是通信速度快，两边都可以直接用读写 存储器 的指令直接操作；但这种方式需要大量的口线，而且双口RAM的价格很高，一般只用于一些对速度有特殊要求的场合。 从上面几种方案来看，各种方法对硬件都有很大的要求与限制，特别是难以在功能简单的 单片机 上实现，因此寻求一种简单、有效的，能在各种 单片机 之间通信的方法具有重要的意义。③、④方案中，双方 单片机 要传递的每一位或每一个字节做出响应，通信数据量较大时会耗费大量的软件资源，这在一些实时性要求高的地方是不允许的。针对这一问题，假设在 单片机 之间增加1个数据缓冲器，大批数据先写入缓冲区，然后再让对方去取，各个 单片机 对数据缓冲器都是主控模式，这样必然会大大提高通信效率。谈到数据缓冲，我们马上会想到并行RAM，但是并行RAM需要占用大量的口线（数据线+地址线+读写线+片选线+握手线），一般在16条以上。这是一个让人望而生畏的数字，而且会大大增加PCB面积并给布线带来一定的困难，极少有人采用这种方式。串行接口的RAM在市场上很少见，不但难以买到而且价格很高。移位寄存器也可以做数据缓冲器，但目前容量最大的也只128位，因为是“先进先出”结构，所以不管传递数据多少，接收方必须移完整个寄存器，灵活性差而且大容量的移位寄存器也是少见难买的。一种被称为“ 铁电 存储 器 ”芯片的出现，给我们带来了解决方法。 2 利用 铁电 存储 器 作为数据缓冲器的通信方式 铁电 存储 器 是美国Ramtran公司刚刚推出的一种新型非易失性 存储器 件，简称 FRAM 。与普通 EEPROM 、Flash-ROM相比，它具有不需写入时间、读写次数无限，没有分布结构可以连续写放的优点，因此具有RAM与 EEPROM 的双得特性，而且价格相对较低。现在大多数的 单片机 系统配备串行 EEPROM （如24CXX、93CXX等）用来存储参数。如果用1片 FRAM 代替原有 EEPROM ，使它既能存储参数，又能作串行数据通信的缓冲器。2个（或多个） 单片机 与1片 FRAM 接成多主-从的I2C总线方式，增加几条握手线，即可得到简单高效的通信硬件电路。在软件方面，只要解决好I2C多主-从的控制冲突与通信协议问题，即可实现简单、高效、可靠的通信了。 3 实例（双 单片机 结构，多功能低功耗系统） （1）硬件 W78LE52与EMC78P458组成一个 电池 供电、可远程通信的工业流量计。78P458采用32.768kHz晶振，工作电流低，不间断工作，实时采集传感器的脉冲及温度、压力等一些模拟量；W78LE52采11.0592MHz晶振，由于它的工作电流较大，采用间断工作，负责流量的非线性校正、参数输入、液晶显示、与上位机通信等功能，它的UART用于远程通信。通信接口部分线路如图1所示，2个 单片机 共用1片I2C接口的 FRAM （ FM*4CL16 ）组成二主一从的I2C总线控制方式，W78LE52的P3.5、P3.2分别与78P458的P51、P50连接作握手信号线A与B。我们把握手线A（简称A线）定义为总线控制、指示线，主要用于获取总线控制权与判别总线是否“忙”；握手线B（简称B线）定义为通知线，主要用于通知对方取走数据。

（2）I2C总线仲裁 由于我们采用的是二主一从的I2C总线方式，因此防止2个主机同时去操作从机（防冲突）是一个非常重要的问题。带有硬件I2C模块的器件一般是这样的，器件内部有1个总线仲裁器与总线超时定时器：当总线超时定时器超时后指示总线空闲，这时 单片机 可以发出获取总线命令，总线仲裁器通过一系列操作后确认获取总线成功或失败；超时定时器清零，以后的每一个SCL状态变化对总线所有主机的超时定时器进行清零，以防止它溢出，指示总线正处于“忙”状态，直到一个主机对总线控制结束不再产生SCL脉冲；超时定时器溢出，总线重新回到“空闲”状态。但是目前大多数 单片机 没有配备硬件I2C模块，而且当2个主机的工作频率相差较大时，超时定时器定时值只能设为较大的值，这样也会影响总线的使用效率。下面介绍一种用软件模拟I2C总线仲裁的方式（I2C读写操作程序的软件模拟十分多见，这里不再多述）：用1条握手线A，流程图如图2所示，当A线高电平时，指示总线空闲；当其中一个主机要获取总线控制权时，先查询总线是否空闲，“忙”则退出，空闲则向A线发送一个测试序列（如：1000101011001011），在每次发送位“1”后读取的A线状态。如果读取状态为“0”，马上退出，说明有其它器件已经抢先获取总线；如果一个序列读取的A线状态都正确，则说明已成功获得总线控制权，这时要拉低A线以指示总线“忙”，直到读写高A线，使总线回到“空闲”状态。不同的主机采用不同的测试序列，或产生随机测试序列，测试序列长度可以选得长一些，这样可以增加仲裁的可靠性。 （3）通信协议 一个可靠通信体系，除了好的硬件电路外，通信协议也至关重要。在 单片机 系统RAM资源与执行速度都非常有限的情况下，一个简捷有效的协议是非常重要的。下面具体介绍一种比较适用于 单片机 通信的协议，数据以包的形式传送。数据包结构： ①包头——指示数据包的开始，有利于包完整性检测，有时可省略； ②地址——数据包要传送的目标地址，若只有双机通信或硬件区分地址可以省略； ③包长度——指示整个数据包的长度； ④命令——指示本数据包的作用； ⑤参数——需要传送的数据与参数； ⑥校验——验证数据包的正确性，可以是和校验、异或校验、CRC校验等或者是它们的组合； ⑦包尾——指示数据包的结尾，有利于包完整性检测，有时可省略。 （4）通信流程 首先，要在 FRAM 里划分好各个区域，各个 单片机 的参数区、数据接收区等。然后， 单片机 可以向另一个 单片机 发送数据包，发送完毕之后通过向握手线B发送1个脉冲通知对方取走数据；接收方读取数据并进行处理后，向 FRAM 内发送方的数据接收区写入回传数据或通信失败标志，再向握手线B发送1个脉冲回应发送方。表3是 单片机 1启动1次与 单片机 2之间的通信的例子。 如果需要 单片机 2发送的话，只需交换一下操作过程即可。   4 总结 通过实践可知，以上方法是可行的。与其它方法相比具有发下优点： ①简单。占用 单片机 口线少（SCL、SDA、握手线A、握手线B）。 ②通用。软件模拟I2C主机方式，可以在任何种类的 单片机 之间通信。 ③高效。由于采用数据缓冲，可以在不同时钟频率、不同速度的 单片机 之间通信；读写数据时，可以I2C总线的最高速度进行，可以实现1次传送大量数据；在一个 单片机 向 FRAM 传送数据时，另一个 单片机 无须一一作出响应或等待，可以进行其它程序操作，提高软件工作效率。 ④灵活。通信硬件接口对于各个 单片机 是对等的，通过软件配置，每个 单片机 既可以根据需要主动发送通信，也可以只响应其它 单片机 的呼叫。 ⑤容易扩展。通过增加地址识别线，修改通信协议，即可做到多机通信。 以下是需要注意的地址： ①为了提高通信效率，握手线B最好使用中断端口，负脉冲宽度一定要满足速度较低 单片机 中断信号要求。如果没有中断的话应增加1条口线，用改变端口状态的方法通知对方，等待对方查询，而不是负脉冲。 ②向对方发送负脉冲时，应屏蔽自己的中断。 ③由于参数与通信缓冲区同时设在同一片 FRAM 内，要避免对参数部分的误操作。一个较好的解决办法是把参数存放在地址的后半部分（A2=1），在进行通信操作时，把 FRAM 的WP引脚拉高（地址在后半部分的单元写保护），这样可以有效地防止测验时对参数区误操作。 ④由于I2C总线在一个时间段内只有1个主机和1个从机，所以当1个 单片机 正在写通信数据时，另一个 单片机 是不能对 FRAM 进行操作的。如果需要实时、频繁地读取 FRAM 中参数的话，请预先将参数读入RAM单元使用或另外增加专门存放参数的芯片。

u摘要: 本文介绍了一种集非易失 存储器 、实时时钟、低电压复位、掉电检测、看门狗、非易失事件计数器等多种功能于一体的 铁电 存储 器 和应用示例。 关键词: 铁电 存储 器 ; 多功能; 低成本 引言 在电子产品中,往往需要同时使用非易失 存储器 、实时时钟、低电压复位、掉电检测、看门狗、非易失事件计数器等功能,传统方案是采用具备上述功能的分立器件完成。这种传统方案不仅电路复杂、成本高、电路板面积大,而且由于集成度低导致产品的可靠性降低,维护成本增高。 Ramtron 公司 推出的FM31系列多功能 铁电 存储 器 ( FRAM ) ,内部集成了具有I2C 接口的串行 铁电 存储 器 、实时时钟、低电压复位、看门狗计数器、非易失性事件计数器;具有高集成度、低功耗和低成本等优点,可以方便的应用于采用 单片机 、ARM、CPLD、FPGA 设计的电子产品中,尤其适合于 电池 供电的产品。目前,该系列 FRAM 已被广泛应用于机顶盒、汽车电子、三表收费、考勤门禁、商业收款等行业。 FM31 系列多功能 FRAM 简介 FM31 系列 FRAM 采用I2C 总线结构,以 FM31256 为例,其内部具有256Kb 的串行 FRAM ;可按字节读写,写入速度达70ns ,写入寿命为1 万亿次( EEPROM 为100 万次) ,写入电流为150μA(是 EEPROM 的1P20) 。片内的实时时钟以BCD 格式提供时间和日期信息,时钟使用一个32. 768 kHz 晶振,可以使用软件校准模式来提供时间记录器的精确性,校准后的精度可达2. 17ppm。片内包括一个低电压复位模块,当电源电压下降到低于可编程的门限电压时,PRST被激活并一直保持有效状态,直到VDD 上升到高于正常点后的100ms ,。该芯片包括一个可编程看门狗计数器, “喂狗”时间从100 毫秒到2 秒可编程,复位信号保持有效100 毫秒。该芯片包括一个通用的比较器,将外部输入电压和板上的参考电压相比较,并根据比较结果产生一个输出信号,该功能模块可被用于产品的掉电检测。 FM31 系列产品全部为14 个引脚,A1-A0 器件选择,用于在串行总线上为多个器件寻址;CNT1 和CNT2 为事件计数器输入端;CALPPFO 为校准模式P和早期掉电输出端;X1 和X2 用于连接32. 768 kHz 晶振。PRST 为复位输出端;SDA 为I2C 串行数据地址线,SCL 为串行时钟线;PFI 为早期掉电输入端;VBAK为后备电源电压输入端;VDD 为电源电压输入端;VSS 为接地端。 应用示例 税控收款机是一种通过自动记录交易流水作为报税凭据的电子产品,国家标准对税控收款机各方面的指标进行了严格规定,尤其是对事务完整性方面的要求非常高。要求收款机在市电突然停电并再次来电后,能够自动完成停电前正在进行的任务。这就要求收款机能够自动保存停电时的状态、数据的中间结果和任务的完成进度。 铁电 存储 器 是解决税控收款机事务完整性要求的是一个理想选择, 下面以 FM31256 在税控收款机中的应用为例, 说明FM31 系列多功能 FRAM 与 单片机 的具体连接方法和电路的工作原理。为了突出主题,在图1 中将税控收款机电路中的键盘、显示器、通讯接口、外设接口、IC 卡接口、打印机驱动、报警、钱箱控制等部分省略,仅体现出与 FM31256 相关的部分电路。 在图1 所示电路中, FM31256 作为P89LPC920 单片机 的串行 存储器 ,保存收款机运行所需的配置信息、商品信息、交易纪录和任务进度等信息;同时,提供实时时钟、看门狗、掉电检测、低电压复位等功能。 图1 的工作原理是,220V 交流电经过变压器T1 降为约交流7V ,再经整流桥B1 整流成直流约9V ,该电压一方面通过DC- DC 转换成5V 作为VDD ,另一方面通过电阻R1 和R2 分压后由PFI 脚输入到 FM31256 ,作为掉电检测输入。当交流掉电后,将由CALPPFO 脚输出掉电中断信号到P89LPC920 的外部中断输入脚PINT,P89LPC920 响应掉电中断,进入掉电处理程序进行处理。后备 电池 BAT接到 FM31256 的VBAK脚,当交流掉电后将自动切换到后备 电池 向内部实时时钟供电。X1 和X2 脚直接接32. 768KHz 的晶振,为片内实时时钟提供时钟基准。P89LPC920按I2C 协议标准,并通过SCL 和SDA 脚从 FM31256 中读出或写入数据。 结束语 虽然 FRAM 是NV - RAM、 EEPROM 和FLASH 的理想替代品,但是,目前 FRAM 最大容量只能做到1Mb ,在大容量 存储器 市场上还不能发挥其优势。但是我们相信,随着 铁电 材料 、集成电路设计和加工工艺等技术的不断创新和发展,具有更大容量、更低成本、提供更多功能的 FRAM 会不断推出,甚至可能出现基于 FRAM 的片上系统(SOC) 。在电子产品应用方面, FRAM 必将大有可为。

FM33xx SPI Companion – Typical Application DESCRIPTION The schematic below shows a typical application of an FM33xx device. It is shown as an example of external components that could be used, typical values, and their connections to other system devices. In this case, a line-operated (AC powered) system is shown with microcontroller, FM33xx device, and passive components. The micro, in this case, has a dedicated SPI interface. Your micro may not have this port, but an SPI protocol may be written and the GPIO pins may be bit-banged to achieve the same result. Early Power Fail AC line power is rectified and C1 filters the ripple. A 3.3V linear regulator supplies clean DC voltage to the Vdd pins of the FM33xx and microcontroller. The unregulated voltage on C1 is, say, 8V with ripple. The early power fail feature of the FM33xx can be used by connecting a voltage divider (R3, R4) to the PFI input. Once this input goes below 1.5V, the PFO pin which is tied to the controller’s NMI pin will drive low, signalling a Non Maskable Interrupt. The resistor values are chosen based on how early you’d like to warn the microcontroller that the power supply is powering down. The trip voltage VTR that causes the PFO to drive the NMI is determined by this equation: 1.5V = VTR (R3/(R3+R4)) If R3=100K and R4=300K, then VTR is about 6V.