FM31256的基本结构及原理

FM31256的基本结构及原理
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。

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
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。