FM3116 鐵電存儲(chǔ)器在復(fù)費(fèi)率電能表中的應(yīng)用

1 引言

      在單片機(jī)應(yīng)用和智能儀器中，存儲(chǔ)器已成為不可或缺的一部分，包括系統(tǒng)工作時(shí)存儲(chǔ)臨時(shí)性數(shù)據(jù)的RAM，以及永久性存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的非易失性存儲(chǔ)器。RAM簡(jiǎn)單易用，存儲(chǔ)速度快，但掉電數(shù)據(jù)易丟失；而非易失性存儲(chǔ)器盡管能夠長(zhǎng)期保存數(shù)據(jù)，但存儲(chǔ)速度慢，寫入功耗高，而且讀寫次數(shù)受限。采用鐵電存儲(chǔ)器(FRAM)可解決上述問題。這種存儲(chǔ)器的核心是鐵電晶體材料具有RAM快速讀寫的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也具有非易失性存儲(chǔ)器永久存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，介紹一種FRAM FM3116在復(fù)費(fèi)率電能表中的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

      2 FM3116簡(jiǎn)介

      FM3116是Ramtron公司新一代鐵電存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器主要包括16 KB的非易失性存儲(chǔ)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、低電壓復(fù)位、看門狗計(jì)數(shù)器、非易失性的事件計(jì)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(chǔ)器及實(shí)時(shí)時(shí)鐘／處理器伴侶?？瑟?dú)立訪問每個(gè)元件，其訪問地址分別為1010B和1101B。主機(jī)通過對(duì)這兩個(gè)元件的讀寫操作實(shí)現(xiàn)對(duì)FM3116讀取、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘／處理器伴侶的控制。

      3 電能表的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)

      作為計(jì)量電能的儀表，電能表的計(jì)量精度極為重要，它不但與電能計(jì)量器件的精度有關(guān)，而且還與電能表的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)有關(guān)。如果檢測(cè)到的電能數(shù)據(jù)無法寫入存儲(chǔ)器或?qū)懭氪鎯?chǔ)器時(shí)出錯(cuò)，電能表的精度將大大降低。

      傳統(tǒng)電能表數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)采用EEPROM存儲(chǔ)器+掉電檢測(cè)電路。由于EEPROM存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)次數(shù)約一百萬次，因此不是一個(gè)電能脈沖就存儲(chǔ)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(shí)間，再將脈沖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到EEPROM中。因此需要掉電檢測(cè)電路實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前是否處于昝電狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到掉電時(shí)就將RAM中的脈沖數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(diǎn)，寫入EEPROM數(shù)據(jù)易于出錯(cuò)。為了提高寫入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要在軟件設(shè)計(jì)上采取一些措施。因此，傳統(tǒng)電能表數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jì)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(hào)，送給單片機(jī)。AVR單片機(jī)作為中心處理單元對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量。由于是復(fù)費(fèi)率電能表，除了實(shí)時(shí)計(jì)量電能外，還具有復(fù)費(fèi)率、事件記錄等多種功能，需存儲(chǔ)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(jì)一種壽命長(zhǎng)，讀寫數(shù)據(jù)安全的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)。目前，F(xiàn)M3116是非常適合電能表設(shè)計(jì)要求的存儲(chǔ)器。它的存儲(chǔ)時(shí)間短，能夠在極短的時(shí)間內(nèi)保存大量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了電能表在突然掉電時(shí)數(shù)據(jù)及時(shí)、安全存儲(chǔ)。

      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(jì)

      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(shí)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(shí)鐘輸出引腳PD0/SCL分別與FM3116的SDA和SCL相連，通過對(duì)TWI接口寄存器的設(shè)置實(shí)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(jì)

      4.2.1 FM3116初始化操作

      單片機(jī)對(duì)FM3116的讀寫程序包括存儲(chǔ)器讀寫程序和實(shí)時(shí)時(shí)鐘／處理器伴侶讀寫程序兩部分。在對(duì)FM3116讀寫前，單片機(jī)首先需對(duì)其初始化。在復(fù)費(fèi)率電能表系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，就是對(duì)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(shí)時(shí)時(shí)鐘程序

      復(fù)費(fèi)率電能表實(shí)現(xiàn)復(fù)費(fèi)率功能，需要準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)時(shí)鐘作為時(shí)段劃分根據(jù)。FM3116內(nèi)部集成有高精度的實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊，可通過對(duì)相應(yīng)寄存器的讀寫，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘的設(shè)置與讀取操作。設(shè)置實(shí)時(shí)時(shí)鐘的C語言程序代碼(只舉例了設(shè)置時(shí)鐘的日期數(shù)據(jù))如下：

      讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘的C語言程序代碼如下：

      此外，F(xiàn)M31XX存儲(chǔ)器還具有時(shí)鐘校準(zhǔn)功能，可提高時(shí)鐘準(zhǔn)確度。

      4.2.3 存儲(chǔ)器讀寫程序

      讀寫FM3116存儲(chǔ)器一般用于實(shí)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(chǔ)。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(diǎn)型數(shù)據(jù)。因此，為了方便讀取各種數(shù)據(jù)，需要編寫對(duì)各種數(shù)據(jù)讀寫函數(shù)。FM3116存儲(chǔ)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(chǔ)器具有讀寫速度快，功耗低和無限次寫入等特性，同時(shí)擁有RAM存儲(chǔ)器和非易失性存儲(chǔ)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(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)。