铁电存储器的三个典型应用

铁电存储器的三个典型应用

2009-07-24 09:46:51 来源：与非网

摘要:铁电存储器(FRAM)以其非挥发性,读写速度块, 擦写次数多,和低功耗等特点被广泛应用各行各业. 文章首先介绍铁电的原理, 之后分别介绍铁电储存器在电表, 税款机, 和电子道路收费系统的典型应用.

关键词: 铁电储存器, 应用

1 铁电储存器的原理

上图是铁电的原子结构图. 当一个电场施加到铁电晶体时, 中心原子会顺着电场的方向在晶体里移动. 当原子移动通过一个能量壁垒时, 会引起电荷击穿. 内部电路感应到电荷击穿并设置储存器. 移去电场后, 中心原子保持不动, 储存器的状态也得以保存.铁电储存器不需要定时更新, 调电后数据却能够继续保存, 速度快而且不容易写坏. 铁电储存器就是根据该原理设计而成.

2 铁电储存器的典型应用

2.1 铁电存储器在电表存储中的应用

2.1.1 概述

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100万次)，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。由于所有的非易失性记忆体均源自ROM技术。你能想象到,只读记忆体的数据是不可能修改的。所有以它为基础发展起来的非易失性记忆体都很难写入，而且写入速度慢，它们包括EPROM（现在基本已经淘汰）,EEPROM和Flash，它们存在写入数据时需要的时间长，擦写次数低,写数据功耗大等缺点。

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：

i. 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；

ii. 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；

iii. 超低功耗。FRAM的静态工作电流小于10μA，读写电流小于150μA。

2.1.2 FM25640与MCU的连接图

上图是一款适用于电表设计的方块图，其MCU还具有一个带有红外功能的串行通信接口SCI，一个高速SPI，8个键盘输入中断，以及内部LCD 驱动模块，因而节省了外挂液晶驱动芯片。系统中的电能计量芯片使用ADI 公司的三相电能计量芯片ADE7755/8，该芯片精确度高，可以提供有功功率、无功功率、视在功率、电压有效值和电流有效值等多项数据，具有两路脉冲输出，同时也带有SPI串口。由于SPI接口可支持多个器件挂在同一个总线上，并可通过片选信号区分每一个器件，因此，将FM25640和ADE7755/8都通过SPI接口与单片机相连，并将MCU的两个I／O口分别与FM25640和ADE7755/8的片选端CS相连接，就可以实现片选。

2.1.3 工作过程

本电表系统上电复位后，首先将进行一系列的初始化操作，包括单片机的时钟发生模块的寄存器设置、系统时钟的选择、I／O口输入输出的设置、SPI的控制寄存器的初始化、以及开中断允许等。然后再进行ADE7755/8的模式设置。在这些初始化工作完成后，ADE7755/8便开始将检测到的各个电能数据存放在相应的内部寄存器中。单片机通过I／O口给ADE7755/8的CS端一个低电平，即可选中ADE7755/8，之后再由ADE7755/8把电能数据通过SPI接口传输到单片机的RAM中。单片机在对数据进行处理后，

再通过I／O口给FM25640的CS端一个低电平，以选中FM25640，同时调用写数据的子程序，将数据存储到FM25640中去。之后每隔一分钟，单片机便发出一次更新数据的命令，重复上述操作过程。由于每隔一分钟更新一次数据，这样，一年365天的擦写次数为1×60×24×365，即525600次，而FM25640的擦写次数达100亿次，按这样计算，FM25640可以工作的年数为19025年!因此，如果系统要求更低的实时性，则完全可以减少更新数据的周期，而FM25640出色的擦写性能完全可以满足该要求。另外, 在要求更高的系统实时性方面, 也不必担心数据传输过程中掉电时数据的丢失，因为FM25640几乎可以认为是实时写入，无须任何等待时间，从而保证了系统具有很高的实时性和可靠性。

2.1.4 结束语

FRAM是一高可靠性的非挥发性储存器,适合于各种电表的应用。在未来的几年，其存储密度也将不断持续提升,成为储存主流之一，逐渐替换现有的储存记忆体，提供了其它存储记忆体无法解决的方案优势。

2.2 铁电存储器在税控机中的应用

2.2.1 概述

许多使用电子电气设备的场合都需要采集现场数据(如电表、水表、煤气灌装车间、加油站、税控机及一些破坏性实验装置等)。特别是税控机系统的实时数据保存方式、存取速度、使用寿命及防篡改是需要电子开发人员仔细衡量的问题。

税控机就是在原有电子收款机上加上税控功能，所以税控功能和资讯储存是整个系统的关键所在。当前其资讯储存的非易失性数据存储方案有静态

存储器SRAM加电池的组合、FLASH闪存芯片、EEPROM和铁电存储器FRAM (Ferroelectric Random Accessmemory)等。SRAM加电池的组合容易因电池掉电被数据篡改，而FLASH闪存芯片和EEPROM则有寿命问题，故具有读写速度快、无限次擦写及低功耗的特点的FRAM则成为开发人员的最佳存储器选则。

2.2.2 系统结构

下图所示是一典型的税控机方块图，数据采集系统利用铁电存储器方便的随采随存特点，来对每次的数据进行处理。

2.2.3 工作过程

图中的MCU为单片机主控制器，用于控制与作业装置的通信和数据采集、保存、显示，以及键盘扫描等；FRAM是铁电存储器，可保存采集到的数据和采集数据的时间及读写FRAM的地址；身份识别是ID卡读卡模块，每台税控机需要用两张卡，分别是税控卡和用户卡，税控卡在出厂时已经在税控机内，用户持有用户卡，系统会提示用户在适当的时候插入税控机使用以读取操作员的工作号码,以便于责任管理；数据采集通道用的是工业