1 引言
在單片機(jī)應(yīng)用和智能儀器中，存儲器已成為不可或缺的一部分，包括系統(tǒng)工作時存儲臨時性數(shù)據(jù)的RAM，以及永久性存儲數(shù)據(jù)的非易失性存儲器。RAM簡單易用，存儲速度快，但掉電數(shù)據(jù)易丟失；而非易失性存儲器盡管能夠長期保存數(shù)據(jù)，但存儲速度慢，寫入功耗高，而且讀寫次數(shù)受限。采用鐵電存儲器(FRAM)可解決上述問題。這種存儲器的核心是鐵電晶體材料具有RAM快速讀寫的優(yōu)點，同時也具有非易失性存儲器永久存儲數(shù)據(jù)的特點。基于上述特點，介紹一種FRAM FM3116在復(fù)費(fèi)率電能表中的應(yīng)用設(shè)計。
2 FM3116簡介
FM3116是Ramtron公司新一代鐵電存儲器，該存儲器主要包括16 KB的非易失性存儲器、實時時鐘、低電壓復(fù)位、看門狗計數(shù)器、非易失性的事件計數(shù)器等。FM3116的引腳配置如圖1所示，各引腳功能描述如表1所列。
FM3116采用I2C接口。FM3116內(nèi)部集成存儲器及實時時鐘／處理器伴侶。可獨立訪問每個元件，其訪問地址分別為1010B和1101B。主機(jī)通過對這兩個元件的讀寫操作實現(xiàn)對FM3116讀取、存儲數(shù)據(jù)和對實時時鐘／處理器伴侶的控制。
3 電能表的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)
作為計量電能的儀表，電能表的計量精度極為重要，它不但與電能計量器件的精度有關(guān)，而且還與電能表的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)有關(guān)。如果檢測到的電能數(shù)據(jù)無法寫入存儲器或?qū)懭氪鎯ζ鲿r出錯，電能表的精度將大大降低。
傳統(tǒng)電能表數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)采用EEPROM存儲器+掉電檢測電路。由于EEPROM存儲器的存儲次數(shù)約一百萬次，因此不是一個電能脈沖就存儲一次，而是將脈沖暫存到單片機(jī)的RAM中，等脈沖記錄到一定值或一定時間，再將脈沖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到EEPROM中。因此需要掉電檢測電路實時檢測當(dāng)前是否處于昝電狀態(tài)，當(dāng)檢測到掉電時就將RAM中的脈沖數(shù)據(jù)存儲到EEPROM中。由于寫EEPROM較慢，大概有10 ms的寫周期，這就要求在掉電后有足夠的電壓，以保證脈沖數(shù)據(jù)寫入EEPROM中，通常是利用大容量電容來確保掉電后的電壓。但是，基于寫EEPROM的特點，寫入EEPROM數(shù)據(jù)易于出錯。為了提高寫入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要在軟件設(shè)計上采取一些措施。因此，傳統(tǒng)電能表數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)無論是在硬件上還是在軟件上都比較復(fù)雜。
該系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)費(fèi)率電能表采用ADE7755將電網(wǎng)中采集到的功率信息轉(zhuǎn)換成與之成正比的脈沖信號，送給單片機(jī)。AVR單片機(jī)作為中心處理單元對脈沖進(jìn)行計數(shù)，從而實現(xiàn)電能計量。由于是復(fù)費(fèi)率電能表，除了實時計量電能外，還具有復(fù)費(fèi)率、事件記錄等多種功能，需存儲大量數(shù)據(jù)，并且擦寫次數(shù)多。因此，復(fù)費(fèi)率電能表系統(tǒng)需要設(shè)計一種壽命長，讀寫數(shù)據(jù)安全的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。目前，F(xiàn)M3116是非常適合電能表設(shè)計要求的存儲器。它的存儲時間短，能夠在極短的時間內(nèi)保存大量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了電能表在突然掉電時數(shù)據(jù)及時、安全存儲。
4 FM3116在復(fù)費(fèi)率電能表中的應(yīng)用
4.1 FM3116的硬件設(shè)計
圖2所示為AVR單片機(jī)與FM3116的接口電路，AVR單片機(jī)提供了實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)I2C通信的硬件接口TMI，因此可直接將TMI接口的數(shù)據(jù)傳輸引腳PD1/SDA和時鐘輸出引腳PD0/SCL分別與FM3116的SDA和SCL相連，通過對TWI接口寄存器的設(shè)置實現(xiàn)與FM3116的I2C通信。R1和R2為I2C總線的上拉電阻。
4.2 FM3116的軟件設(shè)計
4.2.1 FM3116初始化操作
單片機(jī)對FM3116的讀寫程序包括存儲器讀寫程序和實時時鐘／處理器伴侶讀寫程序兩部分。在對FM3116讀寫前，單片機(jī)首先需對其初始化。在復(fù)費(fèi)率電能表系統(tǒng)設(shè)計中，就是對相應(yīng)寄存器初始化，采用C語言編寫的程序代碼如下：
4.2.2 實時時鐘程序
復(fù)費(fèi)率電能表實現(xiàn)復(fù)費(fèi)率功能，需要準(zhǔn)確的實時時鐘作為時段劃分根據(jù)。FM3116內(nèi)部集成有高精度的實時時鐘模塊，可通過對相應(yīng)寄存器的讀寫，實現(xiàn)對實時時鐘的設(shè)置與讀取操作。設(shè)置實時時鐘的C語言程序代碼(只舉例了設(shè)置時鐘的日期數(shù)據(jù))如下：
讀取實時時鐘的C語言程序代碼如下：
此外，F(xiàn)M31XX存儲器還具有時鐘校準(zhǔn)功能，可提高時鐘準(zhǔn)確度。
4.2.3 存儲器讀寫程序
讀寫FM3116存儲器一般用于實現(xiàn)電能表電能數(shù)據(jù)及各種事件記錄數(shù)據(jù)的讀取和存儲。由于各種事件數(shù)據(jù)的格式不同，包括單字節(jié)的字符型數(shù)據(jù)、雙字節(jié)的整型數(shù)據(jù)以及4字節(jié)浮點型數(shù)據(jù)。因此，為了方便讀取各種數(shù)據(jù)，需要編寫對各種數(shù)據(jù)讀寫函數(shù)。FM3116存儲器讀寫程序與普通的I2C器件的讀寫操作基本相同，其從機(jī)地址為1010 xxxxb和1101xxxxb。
5 結(jié)束語
由于鐵電存儲器具有讀寫速度快，功耗低和無限次寫入等特性，同時擁有RAM存儲器和非易失性存儲器的特性，它是EEPROM的理想替代品。將FM3116應(yīng)用到復(fù)費(fèi)率電能表中既節(jié)省成本，又簡化軟件設(shè)計。