FM31xxx铁电存储器及其读写程序

器件应用 《电子技术》2004年第 6期 中国传感器 http://www.sensor.com.cn 50 FM31xxx铁电存储器及其读写程序 福州大学自动化研究所（350001） 郑剑翔 摘 要 铁电存储器是新一代的非易失性存储器，FM31xxx是 Ramtron 公司新近推出的几种不同存储 容量的铁电存储器系列芯片。该器件除了相应容量的存储器外，还集成了多种支持 CPU工作所必须的 辅助功能。特别适合在为工业记录仪器、数据采集、可移动存储器等方面的应用。文章简要介绍 FM31xxx 芯片，并具体给出了用 Atmel公司的 AVR单片机汇编语言编写的存储器读写程序。 关键词 铁电存储器 单片机 数据记录 铁电存储器（FRAM）是新一代的非易失性存储 器，它与其他非易失性存储器比较，具有如下优点： 读写速度快，没有写等待时间；低功耗，静态电流小 于 1mA，写入电流小于 150mA；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，只是掉电后数据不能保存。它的出 现为电子技术、计算机技术的普及和发展开辟了许多 新的可能性 [1] 。美国国际市场调查公司（Datquest）的 预测 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 指出，目前科研和生产的种种迹象 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，铁 电存储器有可能取代快闪存储器而成为 21 世纪的最 终存储器 [2] 。Ramtron 公司是美国的一家专门开发生 产铁电存储器的企业。该公司新近推出的铁电存储芯 片 FM31xxx，除了集成有上述性能优良的铁电存储器 外，还集成了多种用于记录仪器的辅助功能。主要有 实时时钟、电源检测、看门狗定时器、CPU复位信号 输出、2个有备用电池支持的 16位计数器、8字节用 于安全保密用的有熔断保护的存储器。特别适合在为 工业记录仪器、数据采集、可移动数据存储器等方面 的应用。本文简要介绍该器件的主要功能，并具体给 出了用AVR单片机汇编语言编写的存储器读写程序。 1 芯片简介 FM31xxx为 14脚 SOIC（贴片）封装，各引脚功 能如表 1所列。 1.1 存储功能 FM3104/16/64/256系列的存储器有 4kbit、16kbit、 64kbit和 256kbit（或 512，2k，8k，32kByte）四种存 储容量供选择。这些存储器的寻址方式、读写指令、 接口协议以及性能指标与 Ramtron公司的同类产品基 表 1 FM31xxx各管脚功能 引脚 名称 功能 1，2 CNT1，CNT2 事件计数（输入） 3，4 A0，A1 器件选择地址（输入） 5 CAL/PFO 时钟校准/掉电报警（输出） 6 RST 复位 （输入/输出） 7 GRD 电源地 8 VBAK 备用电池（输入） 9 PFI 掉电检测（输入） 10，11 X1，X2 晶振连接端 12 SDA 串行通信数据线（入/出） 13 SCL 串行通信时钟线（输出） 14 VDD 电源（2.7～5.5V） 本相同（如 FM24C256、FM30C256等）。但 FM31xxx 系列增加了软件可设置的存储器“写”保护功能。通 过对地址为“0Bh”的寄存器中WP0，WP1控制位的 设置，可改变存储器受保护的区域。 1.2 微处理器辅助功能 为了方便构成智能仪器，本产品还在芯片中集成 了辅助微处理器安全有效工作的多种功能。这是该系 列产品不同于 Ramtron公司其他产品的主要特点。现 分别予以简要介绍。 1.2.1 电源监测功能 电源检测包括两个内容： （1）电源电压过低检测输出。供电电压低于设定 值 Vtp时，器件第 6脚（RST）输出低电平，并一直 保持低电平，直到电压回到 Vtp值以上并持续 100ms 后才结束，保证系统在正常供电情况下开始工作。通 过对地址为“0Bh”的寄存器中的控制位 Vtp0、Vtp1 的设置，Vtp值有 2.6V、2.9V、3.9V、4.4V等选择。 （2）随机掉电监测。器件的第 5、9 脚（PFO、 PFI）就是为此功能服务的。把系统电源电路中稳压器 之前对电压波动敏感的电压接到 PFI端口，通过片内 的一个比较器，就可以在电源掉电时及早捕捉到掉电 《电子技术》2004年第 6期 器件应用 中国传感器 http://www.sensor.com.cn 51 先兆。通过 PFO端口输出低电平作为微处理器的中断 信号，使微处理器进入掉电中断处理程序，在电源消 失前做好数据保护工作。此比较器是一个通用比较器， 还可以用于其他用途。 1.2.2 看门狗定时器 看门狗定时器的作用是防止处理器程序走飞（即 死机）。当处理器不能按时重新启动定时器，定时器 一旦超过定时周期就输出一个复位脉冲，使处理器复 位运行。该器件的看门狗定时器是一个独立运行的每 100ms加 1的 5位可编程定时器。通过软件编程，可 使定时周期在 100ms～3s之间选择。当定时时间到时， 输出端（ RST）就送出复位脉冲。与之相关控制有使 能位（WDE）、重启动字（WR=1010b，4 位）和定 时器预设值。当WDE=0时 定时器工作但不输出复位 脉冲。当预设值写为“11111b”时可使定时器不工作 而省电。当电源电压低于 Vtp时定时器停止工作。 1.2.3 人工复位与复位标志 FM31xxx的复位输出端（RST）是一个双向端口， 它可以检测外部复位按键的下拉信号，随即作出响应， 自主输出一个 100ms的低电平脉冲。这就有效地克服 了人工按键产生的信号波动弹跳。内部具有的弱上拉 电阻省去了外加上拉器件。 为了区分复位信号产生的原因，在“09h”寄存器 的第 6位（POR）和第 7位（WTR）作为复位标志。 POR 是低电压标志，WTR 是看门狗标志。人工复位 没有标志。当复位后两标志均为零即是人工复位。 1.2.4 事件计数器 FM31xxx 提供了两个有备用电池支持的 16 位事 件计数器。端口 CNT1、CNT2分别是两个计数器的输 入端，可通过控制位 C1P和 C2P的设置使之对脉冲的 上升沿或下降沿起作用。当供电电压低于 Vtp值时， 只要备用电池有效，计数器仍然可计数工作。两个计 数器的访问地址为“0Dh”“0Eh”和“0Fh”“10h”。 要“读”操作时把控制位 RC置“1”，可使读出的数 据不受计数操作的影响。计数器也可作“写”操作。 以便系统可对它作清零或初始化操作。作“写”操作 时计数器停止计数。控制位“CC”置“1”可使两个 计数器级联成 32 位计数器。这些控制位都在地址为 “0Ch”的寄存器中。 1.2.5 具有写保护功能的序列字存储器 地址为“18h”～“11h”的 8个字节寄存器是有 特殊写保护功能的非易失性寄存器。当锁存位“SNL” （位于 0Bh寄存器的第 7位）没有设置之前，这些寄 存器可作为通用寄存器使用，写入次数没有限制。一 旦“SNL”置“1”，寄存器就只能“读”不能“写”。 同时“SNL”也不能再改为“0”。这一功能用途很多， 如用于保存产品的防伪标识字或身份标志等。 1.3 实时时钟日历单元（RTC） 实时时钟日历（RTC）由振荡器、分频器、时间 保持寄存器和用户接口寄存器组成。分频器把振荡器 产生的 32.768kHz 的信号分频为用户所需的最小分辨 率的秒信号（1Hz），并在时间保持寄存器中产生秒、 分钟、小时、天、月、年等信息。用户通过寄存器“00h” 中的“W”和“R”控制位来同步时间保持寄存器与 用户接口寄存器中的内容。当“R”置 1 时，时间保 持寄存器数据传送到接口寄存器（读当前时间），当 “W”置 1 时时间保持寄存器被冻结，当“W”从 1 回到 0时，接口寄存器中的数据被写入时间保持寄存 器。这一过程用来校正当前时间。当“CAL”控制位 置 1时，时钟单元进入校正状态。当进入校正状态时， 引脚 5（CPL/PFO）不再作为掉电检测输出端，而是 输出 512 Hz（正常情况）的测试方波信号。 校准时， 对此脚信号的频率进行测量，得到频率误差，再通过 查表得到时钟的误差以及所需的校正值。校正符号控 制位（CALS）的设置可决定校正的正负。写入寄存 器 1的“CAL0”～“CAL4”位，可使时钟的最大误 差小于±2.17×10-6（或±0.09分钟/月）的精度。 为保证时钟日历单元在外电源掉电时还能工作， 该芯片的 8 脚（VBAK）可接 3V 电池或大电容作为 备用电源。当 VDD脚的电压低于 2.5V时，RTC（也 包括上述的事件计数器）将自动切换到 VBAK供电， 此时 RTC只消耗很小的电流以延长工作时间。同时该 产品还提供了小电流充电功能。当 VBC控制位置“1” 时，VBAK脚能提供大约4ìA的充电电流。直到VBAK 上的电压上升到 VDD或 3.75V（两者中低的一个）。 这使得系统不管在 3V系统还是 5V系统都可以对 3V 电池或电容安全地充电而不需附加任何器件。 1.4 两线通信接口 FM31xxx使用工业标准两线串行通信总线，在通 信时发出通信控制命令和时钟脉冲的器件称为主件， 另一方为从件。本器件总是处于从件地位。本产品在 单个芯片中使用了两个不同的从件地址，分别管理存 储器和寄存器（其中包括时钟日历单元以及微处理器 辅助功能），以便主件可独立地访问它们而不相互干 扰。从件地址的构成如下：高半字节为规定的数字， 存储器为“1010”，寄存器为“1101”。低半字节为 《电子技术》2004年第 6期 器件应用 中国传感器 http://www.sensor.com.cn 53 这是 AVR单片机指令的特点。 2.2 字节读入子程序 RECEBYTE : ；字节接收子程序 LDI AH，8 CLR BL CBI DDRB，0 ；设置 B3输入 RED10： SBI PORTB，1 ；SCL置“1” NOP IN AL，PINB ；读入 B口数据 BST AL，0 LSL BL BLD BL，0 CBI PORTB，1 ；SCL置“0” DEC AH BRNE RED10 SBI PORTB，4 ；SCL置“1” NOP CBI PORTB，4 ；SCL置“0” RET 说明：程序运行结束，读入的数据存于 BL 中。 程序中用到了 AH、AL寄存器，AH作为循环计数器， AL作为 PortB.0读入暂存器，读入后数据位于 AL的 最低位。 2.3 读写访问程序 对于 FM31xxx存储器的访问，由于内部设有一个 能自动加一的地址锁存器，这就使得访问更加方便。 如可以直接对当前地址进行“读”操作（即无须给出 目标地址，但“写”操作必须从指定目标地址开始）， 也可以连续“读/写”多个字节而不须逐一指定地址。 依据上述的一般步骤，对存储器的访问操作可归纳为 三种基本操作：（1）设置当前操作目标地址；（2） 写入数据；（3）读出数据。以下给出这些程序。 设 CH、CL 为目标地址寄存器， X 为微处理器 内存数据地址指针寄存器，BH为操作字节数寄存器。 程序中“START”、“STOP”为启动和停止单脉冲 子程序，由于比较简单本文未给出，请读者参照图 1 的时序自行编写。 ADDRESS : ；设置当前操作目标地址子程序 RCALL START ；启动脉冲 LDI AL，0B11010000 ；装写命令及从件地址 RCALL TRANBYTE ；送出写命令及从件地址 MOV AL，CH RCALL TRANBYTE ；送出源地址（MSB） MOV AL，CL RCALL TRANBYTE ；送出源地址（LSB） RET WRITE： ；写入数据子程序 LD BL，X+ ；从内存读数据，指针加 1 RCALL TRANBYTE ；写入存储器 DEC BH ；循环控制计数器减 1 BRNE WRITE ；未完，转WRITE RECALL STOP ；BH=0，结束操作 RET ；返回 READ： ；当前地址多字节读出子程序 RCALL START ；启动脉冲 LDI AL，0B11010001 ；装读命令及从件地址 RCALL TRANBYTE ；送出读命令及从件地址 LOP: RCALL RECEBYTE ；接收数据 ST X+，BL ；存入内存，指针加 1 DEC BH ；循环控制计数器减 1 BRNE LOP1 ；未收完转 LOP1 SBI PORTB，0 ；已完，发 NACK RJMP LOP2 ；转 LOP2 LOP1: CBI PORTB，0 ；未完，发 ACK SBI PORTB，1 ；SCL 置“1” NOP CBI PORTB，1 ；SCL 置“0” RJMP LOP ；转 LOP 继续接收 LOP2 : RECALL STOP ；结束操作 RET ；返回 访问存储器操作有多种，如“写”操作、当前地 址“读”和随机地址“读”操作。我们可通过调用上 述基本操作来完成。 “写”操作程序如下： LDI BL，BYTE_NUMBER；装字节数 LDI CL，ADD_LOW ；装目标地址（低位） LDI CH，ADD_HIGH ；装目标地址（高） LDI XL，DATA_ADDL ；装源数据地址（低） LDI XH，DATA_ADDH ；装源数据地址（高） RCALL ADDRESS ；目标地址设置 RCALL WRITE ；写入数据 程序的头5行为子程序入口参数设定。显然被写 《电子技术》2004年第 6期 中国传感器 http://www.sensor.com.cn 54 指纹芯片及 USB接口指纹采集系统设计 北京邮电大学电子 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院（100876） 张新跃 张 艳 沈树群 摘 要 AF-S2 指模感应器采用了 Authentec 公司专利的 TruePrint 技术而研制。文章介绍了该芯片的 组成框图及各功能模块，并且用芯片完成了一个 USB接口的指纹采集系统，实现了指纹采集系统的硬 件和软件设计。 关键词 指模感应器 固件 驱动程序 1 芯片特性 AF-S2指模感应器采用了 Authentec Inc公司专利 的 TruePrint技术而研制。这种技术区别于传统的热、 光、静电等指纹传感技术，通过芯片内部的天线矩阵 激励电路，感应和套取人体表皮下的活性皮层资料。 套取的是真正的指模信息，确保受辨认者的身份不会 因表皮出现变化而出错。TurePrint能够在任何恶劣的 环境下套取指模，即使是表皮沾污或潮湿也不受影响。 AF-S2是一枚采用 68脚的PLCC作封装的自载式硅片 指模感应器。采用 5V 的电压来操作，且备有多种可 编程功率状态而帮助节省功耗。它具有如下特点：可 编程指纹检测速度；独立控制检测和测量模式的频率 和振幅；自动设定延期时间以降低因噪音引起的测量 模式变化；可编程的柱行扫描；成像的开始和结束行 的可编程控制；当主机不能接收数据时可以终止图像 扫描处理；可编程的异步串行通信模式。 2 芯片结构 AF-S2 采用 CMOS 工艺制造，芯片表面由一个 128×128 像素的感应矩阵及其驱动回路电路组成。感 应矩阵的周围是环形驱动回路，驱动回路由内部电路 控制产生一个正弦激励信号，激励信号的相位、频率 和振幅均可由寄存器编程控制。传感矩阵实际上是一 个微型天线矩阵，能够接收由驱动回路感应的微弱的 信号。当感应矩阵工作时，驱动回路产生的激励信号 被位于感应矩阵上的人体表皮结构所调制而发生相位 改变。此相位变化被天线矩阵感应接收，从而套取真 正的人体表皮活性皮层资料。 芯片的结构原理框图如图 1所示，芯片内部包括 异步串行通信单元、激励信号发生单元、像素感应矩 阵、串行 A/D模数转换单元。 的数据必须先保存在首地址为 DATA_ADDH： DATA_ADDL 的处理器内存中。BL 中装所要写的字 节数（1～255）。CL、CH装目标地址，XL、XH为地 址指针，指向内存数据首地址。 对于“读”操作，入口参数设定同上，当前地址 “读”操作不须作目标地址设置，因此只需调用 READ 子程序即可。而随机地址“读”操作则同时调用 ADDRESS和 READ子程序。 FM31xxx 作为铁电存储器的新产品，以实用多样 的功能和优良的品质受到广大电子工程师的青睐，在 自动化仪器仪表，数字电子产品中有着广阔的用途。 本人用 FM31256与 AVR单片机相结合，开发了可移 动数据采集器，充分发挥了铁电存储器读写速度快， 使用寿命长的优点。芯片的多种功能同时得到利用。 尤其是实时日历单元，在不增加器件的条件下，使记 录事件或数据发生的时刻成为可能，大大提高了产品 的性能指标，取得了满意的效果。 以上简要介绍了铁电存储器 FM31xxx 产品系列 的主要性能特点和存储器访问程序 ，希望能对读者 了解使用该产品有所帮助。 参 考 文 献 1 周志刚等．铁电存储器研究进展．信息记录材料，2002， （1） 2 苏月琼．快闪存储器新品闪亮登场．微电子与基础产品， 2003，（44） 3 吴正民．铁电存储器在单片机系统中的应用．电子产品 世界，2003，（4下） 4 耿德根，宋建国等．AVR高速嵌入式单片机原理与运用．北 京航空航天大学出版社，2001.4 v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v