铁电存储器及其在电表存储中的应用
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2020-11-19
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铁电存储器及其在电表存储中的应用铁电存储器及其在电表存储中的应用
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
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芯片介绍芯片介绍
1.1 FM25640的主要特性的主要特性
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 引脚功能引脚功能
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。
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