牟學文，徐祿勇，李尚柏

（四川大學 輻射物理及技術教育部重點實驗室，四川 成都 61005）

隨著科技的發(fā)展與儀器儀表的自動化、智能化。設備要求更短的讀寫周期，更低的功耗。特別是在數據采集系統(tǒng)或高要求的工業(yè)控制領域，傳統(tǒng)EEPROM具有較長的訪問周期，數據由于外界干擾而失真、丟失；當系統(tǒng)故障或其他原因掉電時，有限次擦除可能造成狀態(tài)數據丟失，達不到實時反饋和有效控制的目的。FRAM是利用鐵電晶體的鐵電效應存儲數據的。鐵電晶體中心原子在外加電場的作用下運動，達到一種穩(wěn)定狀態(tài)，當電場移走后，中心原子會保持在原來的位置。中心原子在沒有獲得外部能量時不能越過晶體中間層的高能階到達另一穩(wěn)定位置，從而達到掉電數據保護目的[1]。

1 FM25l256簡介

寫、掉電數據存儲和低功耗。讀寫頻率可達25 MHz，而EEPROM讀寫頻率為kHz量級，工作電壓2.7～3.6 V，旁路電流為1 μA。另外，能掉電保存數據達10年之久，工作的溫度范圍為－40～+85℃，還提供軟件、硬件的雙重寫保護。FM25L256有8－pin SOIC和8－pin DFN兩種環(huán)保封裝，其引腳功能說明如圖1所示[2]。

圖1 FM25L256封裝Fig.1 Package of FM25L26

FM25L256B是存儲結構為32 768×8 bit的串行鐵氧隨機存儲器，可通過標準SPI接口訪問其32 K空間，其操作和串行EEPROM相似，主要優(yōu)點是快速讀寫功能、可無限次讀

各引用卻功能如下：

/CS:片選。低電平有效。高電平時為低功耗模式，無輸入，輸出為三態(tài)；下降沿跟操作字。

/WP:寫保護，低電平有效，只禁止狀態(tài)寄存器寫操作。

/HOLD:保持，輸入引腳。CPU必中斷存儲器操作去執(zhí)行其他任務，將它置低，掛起當前操作，器件忽略SCK或/CS的變化。

SCK:串行時鐘?？赏剿蠭/O動作，上升沿輸入，下降沿輸出。因設備是靜態(tài)的，時鐘頻率在0～25 MHz間，在任何時候可被中斷。

SI:串行輸入。時鐘上升沿采樣，其他時間被忽略。被驅動到有效邏輯電平以滿足電流供應規(guī)范。（在單引腳數據接口中，可直接和SO連接）

SO:數據輸出引腳。在讀期間被驅動到有效電平，其他時間（包括/HOLD低電平時）保持三態(tài)，數據傳輸在串行時鐘下降沿被驅動。

VDD:電源供電（2.7～3.6 V）。 VSS:接地端。

FM25L256還有1個8位的狀態(tài)寄存器，如表1所示。當WPEN為0，/WP被忽略；WPEN為1，/WPEN可以寫狀態(tài)寄存器。例如：WPEN為1，/WP為0時，硬件寫保護，禁止任何寫的操作；WPEN為1，/WP為1時，寫狀態(tài)寄存器的 BP1、BP0位設置軟件寫保護，其值和對應的保護區(qū)域如表2。WEL是寫使能的標志位，送完允許寫命令WREN，該位自動置1，當送完禁止寫命令WRDI，該位又清零，直接修改將視為無效。因此，CPU可以讀寄存器命令，查寄存器的值，得出FM25L256寫保護模式和工作狀態(tài)。

表1 狀態(tài)寄存器Tab.1 Status register

表2 塊存儲器Tab.2 Block memory write protection

2 配網監(jiān)測系統(tǒng)

隨著電力供應的日趨充足和經濟的快速發(fā)展，人們對供電質量和安全要求更高。傳統(tǒng)放射式網狀結構的配電系統(tǒng)線路具有結構簡單、自動化程度低、可靠性低、線損率高、故障排查困難等缺點。配網監(jiān)測系統(tǒng)[3]是由配網監(jiān)測終端構成的分布式電網參數監(jiān)測系統(tǒng)，可實現隨時在線監(jiān)測，控制電氣設備的運行狀態(tài)，為配網的科學管理提供信息和決策依據（根據電網的運行情況進行預防性的定期檢修計劃，既可減少工作量又可防止設備的損壞）。從而實現電力調度自動化，管理科學化，提高了可靠性，方便了維護，增加了經濟效益。

2.1 配網監(jiān)測終端結構

監(jiān)測終端裝于電力系統(tǒng)的末端，一般工作在野外無人值守的惡劣環(huán)境下，實時記錄電站供電或用戶用電的各項重要參數，如供電時間、停電時間、停電時刻、供電峰值、供電谷值以及日統(tǒng)計數據和月統(tǒng)計數據，并最少保持3個月以上。記錄的數據可通過無線或相應的接口送入計算機，作為配電網統(tǒng)一管理和電力調度的參考。配網終端整個硬件結構可簡單的分為處理器、數據采集、LCD顯示、時鐘、數據存儲、GSM通信、其他通信接口8個功能模塊，其硬件連接都是以SPI總線和相應的片選連接，結構和軟件實現都比較簡單。配網終端的總體設計框圖如圖2。

圖2 配網終端整體設計框圖Fig.2 Whole block diagram of distribution terminal

微處理器采用C8051f340高性能處理器，流水線結構的CIP－51高速控制器內核、4352B的數據RAM、硬件增強型SPI等豐富的片內資源，且有與標準51單片機基本相同的指令集、軟件設定端口配置，可通過JTAG接口和USB Debug接口在線調試，設計方便。與DSP（Digital Signal Processor）相比，價格更便宜，成本更低。

配網終端采用高精度三相電能計量芯片ATT7022A（內部集成了6通道16位ADC和高性能的24位DSP），減輕單片機的計算負擔。作為數據采集模塊，ATT7022A集成了功率、能量、有效值、功率因數以及頻率測量的數字信號處理等電路，能夠測量各相以及合相的功率、能量、電流電壓有效值、功率因數、相角頻率等參數，充分滿足三相多功能電能表的需求。ATT7022A內部的電壓監(jiān)測電路可以保證加電和斷電時正常工作，還提供一個SPI接口方便與MCU進行數據交換。

LCD按鍵顯示模塊由按鍵開關、簡易鍵盤和液晶屏LCM12864ZK45組成，可實現選擇、查詢、方向鍵、設定、確定和相關顯示，查看監(jiān)測的統(tǒng)計數據，調節(jié)絕對時間。

監(jiān)測終端不采用自帶的定時器編程的軟件時鐘，因為繁瑣的程序不利于其他模塊的實現，且當系統(tǒng)復位，也會失去系統(tǒng)絕對時間。MT41T94是一款高精度、多功能、低功耗實時時鐘器件，除了具備日歷時鐘、鬧鐘等功能外，自帶有44字節(jié)的非易失性RAM，提供更精確的時間標定、掉電時間鎖存、看門狗等功能，與MCU實現數據通訊的SPI接口。當檢測到系統(tǒng)掉電，自動切換到電池供電，鎖存當前的掉電時間，保持絕對時間。上電時，單片機首先讀取上次掉電時間，并記錄來電時刻。總之，MT41T94在監(jiān)測系統(tǒng)中提供供電時間、停電時刻、停電時間、來電時間、來電時刻等重要信息[4]。

通信模塊有無線通訊和有線通訊模塊。前者用西門子推出的TC35i無線模塊，可以快速、可靠、安全地進行數據、語音、短消息和傳真的傳輸，在物理連線無法到達的地方可方便地通訊。通過USB接口，可將記錄的數據轉存到移動存儲設備（如U盤）。RS232/RS485復用的串行通訊接口可以通過串口線同PC機通訊，適合無線服務盲區(qū)，或近距離的物理連接的本地設備之間。

存儲系統(tǒng)由FM25L256（256 Kb）和Flash存儲器M25P80(8 M)2部分組成，在停電時重要的系統(tǒng)設置和采集的數據能夠保存下來而不需電池供電，監(jiān)測系統(tǒng)的成本降低累了，可靠性提高了。它們都支持SPI接口，各施其職：FM25L256用于存儲CPU運行所需的重要設置信息 （如運算的比例系數、密碼等），采樣數據和中間計算結果。M25P80單位成本低，用于存放歷史的監(jiān)測數據和統(tǒng)計文件，既減少它的磨損又有利于減少系統(tǒng)的成本。

2.2 配網終端數據存儲系統(tǒng)實現流程

配網終端的數據包括原始監(jiān)測數據的記錄、任務操作記錄和統(tǒng)計文件。按照要求系統(tǒng)要保存三個月內監(jiān)測的日統(tǒng)計數據和一年內各個月的月統(tǒng)計數據，包含運行時間、合格時間、合格率、超上限時間、超上限率、超下限時間、超下限率、停電次數、停電總時間以及停電的詳細信息。如圖3所示，ATT7022A采集的數據和MT41T94時間記錄，是數據的來源。如時間異常，數據不參加統(tǒng)計，送M25P80保存以便能追溯原始監(jiān)測數據記錄，生成正確的統(tǒng)計數據；反之送FM25L256，一天結束時生成日統(tǒng)計文件，存在M25P80供以后查詢。然后將一天里停電信息附加在日統(tǒng)計文件里。一天數據處理結束，天數加1、時鐘清零。一個月滿，日統(tǒng)計文件生成月統(tǒng)計文件并存入M25P80。這樣，FM25L256以環(huán)形的方式存儲（從0地址存儲到整個存儲器滿，然后又循環(huán)從0存儲并覆蓋前面內容，周而復始），數據可任意修改。M25P80只是存相對少得多而且變化慢的統(tǒng)計數據、異常數據和掉電信息，節(jié)省了存儲空間，減少了擦除的次數，延長使用時間。

圖3 數據系統(tǒng)流程Fig.3 Flow chart of data-system

2.3 FM25L256在配網終端的作用

FM25L256扮演的是數據緩存器，真正存儲數據的是大容量的Flash存儲器M25P80。如果定義一個如下結構體NetworkState，其所占字節(jié)數就可以確定[5]。

typedef struct NetworkState

{ unsigned char year；//日期：年、月、日

unsigned char month；

unsigned char date；

unsigned char hour；//時間：時、分、秒

unsigned char minute；

unsigned char second；

float voltage_RMS；//有效電壓

float reserved；//預留

}NetworkState；

由前面可知，月統(tǒng)計文件是以日統(tǒng)計文件為基礎的，日統(tǒng)計文件是以小時統(tǒng)計信息為依據的，同理，小時和分鐘的統(tǒng)計數據來源則分別是分鐘統(tǒng)計和每次測量的數據。本監(jiān)測系統(tǒng)只簡單地測量電壓，參數累計求和做平均作為該參數分統(tǒng)計值。與此同時，可以統(tǒng)計運行時間、超上限時間、超下限時間、停電時間、各參數最大值、最小值等作為日統(tǒng)計和月統(tǒng)計的內容。日統(tǒng)計和月統(tǒng)計有相同的數據結構：

typedef struct Statistics

{ unsigned char year；//日期

unsigned char month；

unsigned char date；

unsigned long runtime；//運行時間

unsigned long uplmttime；//超上限時間

unsigned long dnlmttime；//超下限時間

float meanvoltage；//平均電壓

unsigned long powercuttime；//掉電時間

unsigned long maxmoment[3]；//最大電壓時刻：時、分、秒

unsigned long minmoment[3]；//最小電壓時刻：時、分、秒

unsigned char powercutcount://停電次數

unsigned char reserve；//保留

}Statistics；

日統(tǒng)計文件和月統(tǒng)計文件都占49個字節(jié)，其中掉電時間是CPU上電時直接從MT41T94中讀取的掉電時間。由于日統(tǒng)計和月統(tǒng)計文件有相同的數據結構，就要一個文件頭來表征它們的屬性：文件類型（月文件還是日文件），文件建立的時間、文件名等，以示區(qū)別。

struct header

{ char filetype；//文件類型

unsigned long createtime；//文件建立時間

char name[namesize]；//文件名

unsigned char reserve；//保留

}

就測量單相電壓來說，必須包括：單次測量的14字節(jié)，最大及最小電壓各14字節(jié)，分統(tǒng)計的14字節(jié)及1小時60分鐘的分統(tǒng)計60×14，時統(tǒng)計的14字節(jié)及一天的時統(tǒng)計24×14，日統(tǒng)計文件49字節(jié)，一天共要1 253個字節(jié)。FM25L256有32 K（32 768字節(jié)）的空間可以利用，足夠存下生成日統(tǒng)計文件所需的數據。由此看出，分、時統(tǒng)計數據耗費大部分的存儲空間，如果要測量更多的參數，存儲器空間不夠。其實，有問題的單次測量才有存下來以備后用的必要，所以記錄分鐘、小時統(tǒng)計和時間錯誤的數據代替全部的數據，可以滿足要求，并節(jié)約更多空間。單次數據依次在FM25L256中環(huán)形存儲，下次輪到寫該地址時，以前的數據將被覆蓋掉，日、月統(tǒng)計和時間錯誤數據就存于Flash存儲器M25P80。另外，如果任務被打斷了，系統(tǒng)復位后如何處理上次未完成的任務，特別是數據未保存或保存操作中斷，處理不好會導致數據的丟失。于是基于FM25L256掉電后能保存數據的特性，其內建立一個任務記錄文件，每當單片機完成任務的一個階段就以文件的方式記錄下來。單片機復位后，首先讀取任務記錄文件的最后一項，就知道上次停電正在完成的任務在什么階段，這樣就可以接著上次的任務繼續(xù)運行。

隨著時間的推移，Flash存儲器M25P80里的統(tǒng)計文件和原始監(jiān)測數據越來越多，這給查找?guī)砹藰O大的不便。統(tǒng)計文件是按時間順序存儲在Flash中的，要查找一個特定的文件就要順序讀取整個Flash塊，這就會花費大量的時間，效率低下，而且影響CPU的數據采集。如果預先在FM25L256里建立一個以環(huán)形存儲方式組織的目錄索引表，20字節(jié)的目錄項包括文件的名稱、生成日期、時間是否過時、開始地址。由于記錄文件的目錄項是按時間順序排列的，要索引文件，只要根據查找的時間計算和當前時間的時間差，然后換算成數據目錄數之差就可以找到目錄項。要找哪一天的數據，只需在里面調出它的地址，并訪問它就行了。索引表要和統(tǒng)計文件的更新保持一致，才能索引到正確的位置，文件的快速更新要求索引表內容也不斷變化，FM25L256也發(fā)揮了它的易寫，無限讀寫次數的優(yōu)點。

3 硬件設計

由于FM25L256支持SPI接口通信，直接將它和單片機C8051F340 的 SPI 引 腳 SCK、MOSI、MISO 相 連 ，R1、R2、R3作為上拉電阻，圖4是具體的SPI連接電路[6]。

圖4 C8051F340和FM25L256連接電路圖Fig 4 Connection circuit of C8051F340 and FM25L256

采用三線主機模式：C8051F340為主機，FM25L256為從機，P4端口的第3引腳為從器件FM25L256的片選信號。因為SPI接口要與多個器件連接，每次只能選擇一個從器件，且NSS是受時鐘信號控制的，如果連接上了，主機SPI就只能控制一個器件，實現主從一對一通信，所以片選引腳NSS懸空。被NSS選擇的從器件只能以字節(jié)，而不能多字節(jié)進行通信，大大降低了通信的速率?，FNSS懸空，用通用I/O口做片選，從而一個SPI可以分時控制多個器件，SPI接口就充分利用了。因為要對FM25L256進行即時讀寫，/WP通常被R5上拉成高電平，禁止硬件寫保護。/HOLD和VCC都連在電源上，禁止其保持功能。

4 軟件設計

單片機控制從器件之前，要對C8051F340進行配置。首先，關閉看門狗以防止復位。然后，系統(tǒng)時鐘采用最高內部時鐘12 MHz，經SPI0CKL寄存器分頻使SPI總線時鐘可達6 MHz。 其次，SPI采用模式 0，即控制位 CPHA（SPI0CN.5）=0，SCK時鐘前沿采樣數據，CPOL （SPI0CN.4）=0，SCK時鐘低電平為空閑狀態(tài)。并且將SPI配置到相關端口，使能交叉開關。接下來就可以進行控制操作了[7]。

當片選信號/CS為低時，送操作命令進行相關操作，控制操作結束時將/CS置為高電平。操作應遵循一個命令對應一次有效片選，即一次操作之前片選拉低，以拉高片選結束操作。始終保證/CS的一次拉低和拉高對應一次操作，有利于操作命令有序地切換。FM25L256提供了6個操作命令：寫使能命令字（WREN）、寫禁止命令字（WRDI）、寫命令字（WRITE）、寫狀態(tài)寄存器命令字（WRSR）、讀狀態(tài)寄存器（RDSR）和讀命令（READ）。其中前兩個是單操作命令，即是不跟任何操作數的命令，后面的4個命令都要緊跟像地址和數據這樣的操作數。

讀（寫）數據步驟：送讀命令，2字節(jié)數據地址，SPI0DAT返回一字節(jié)或是多字節(jié)數據，并賦給定義的變量或是數組變量，拉高片選結束操作。（拉低片選，寫使能、寫命令、送寫數據的2字節(jié)地址和緊跟一字節(jié)或是多字節(jié)的數據）。多字節(jié)數據讀寫時，地址自動增加，滿7FFF則置0。軟件操作流程圖如圖5所示。

圖5 軟件操作流程圖Fig.5 Flow chart of software operation

5 測試結果

A/D轉換器每秒采集3次數據，當總線頻率為200 kHz，ATT7022A可與C8051f340無延時數據傳輸，Flash擦除時間為0.64 ms，而FM25L256頻率最大為6 MHz，讀寫周期為49×1/6 000 000≈8.2 μs， 減少了寫時間。 Flash能擦除 100 000次，不用FM25L256，數據變化對應著flash擦除，一天就3×60×60×24=259 200次，反之，只需存儲一個日統(tǒng)計數據和不正常的數據（留有余量10次），延長了使用壽命。在總線為200 KHz的情況下，至少要訪問文件的頭文件（20個字節(jié)）。最差的情況下，可能所有Flash的文件（如1 000個）才能找到所需要的文件，則要 0.000 005×20×1 000=0.1 s，因為很多器件都通過SPI總線和單片機相連，一個時刻只允許一個器件通訊，很多任務都要獨占SPI資源，這0.1 s的時間超過了ATT7022A數據采集的等待極限時間，勢必給系統(tǒng)帶來時間誤差，甚至造成數據不完全。而用索引文件，只需訪問一個頭文件和數據時間，計算出差值和相對地址之差，然后直接訪問該地址，共用時 0.000 005×（20+1+1）=0.000 11 s ，檢索時間減少到原來的0.11%。

6 結束語

FM25L256是一塊具有無限次擦寫﹑高速讀寫﹑低功耗，在掉電的情況下能把數據完整地保存起來的鐵氧存儲器芯片。使用它可避免其他的非易失性存儲器帶來的復雜操作（如寫前必須擦除、塊擦除）和提高系統(tǒng)的可靠性。FM25L256在配網監(jiān)測終端中的使用，不僅簡化了設計，也提高了系統(tǒng)的可靠性。配網監(jiān)測終端的現場長期運行，也證明了這一點。正因為其操作簡單，性能卓越，也廣泛地應用于水表﹑煤氣表﹑汽車﹑多功能影印機﹑風速測量儀、打印機和其他在掉電情況下需要保留可靠數據的產品中。

[1] 馬良.鐵電存儲器工作原理和器件結構 [J].電子與封裝，2008，8（64）：37-38.MA Liang.The work principle and device structure of feram[J].Electronics&Pakaging，2008，8（64）:37-38.

[2] Ramtron International Corporation，FM25L256 Datasheet.[EB/OL].（2005-04）.http://data.eeworld.com.cn/part/198276_RAMTRON_FM25L256.html.

[3] 毛竹林.配網無線分布監(jiān)測系統(tǒng)智能終端的研制[D].成都:四川大學，2008.

[4] 楊波，徐祿勇，鐘睿，等.實時時鐘器件M41T94在配網監(jiān)測終端中的應用[J].電子設計工程，2009 6（6）：17-19.YANG Bo，XU Lu-yong，ZHONG Rui，et al.Application of real-time clock M41T94 in monitor terminal of network distribution [J].Electronic Design Engneering， 2009， 6（6）:17-19.

[5] 譚浩強.C程序設計[M].2版.北京：清華大學出版社，1999.

[6] 郝文化.Protel DXP電路原理圖與PCB設計 [M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[7] 童長飛.C8051F系列單片機開發(fā)與C語言編程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.