基于鐵電存儲(chǔ)器的溫度記錄儀系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

1、引言

高溫測(cè)試儀主要用于加熱過(guò)程中的溫度跟蹤測(cè)量和數(shù)據(jù)采集，通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，研究爐內(nèi)的溫度分布和溫差變化規(guī)律，分析影響加熱質(zhì)量的主要因素，對(duì)加熱爐加熱過(guò)程和加熱制度進(jìn)行優(yōu)化，提高加熱質(zhì)量，降低燃料消耗。

而在一些收集存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，系統(tǒng)的電壓可能變化不定或者突然斷電，F(xiàn)M20L08就是針對(duì)這些系統(tǒng)可以用來(lái)直接替換異步靜態(tài)存儲(chǔ)器（SRAM）而設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)器，也是Ramtron現(xiàn)有的最大容量的鐵電存儲(chǔ)器（FRAM），能夠進(jìn)行無(wú)限次的讀寫操作。 使用FM20L08能夠極大的節(jié)約電路板空間。使用FM20L08存儲(chǔ)器的溫度測(cè)試儀，兼具大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、抗沖擊、抗干擾、數(shù)據(jù)斷電不丟失、實(shí)時(shí)采集速度高的特點(diǎn)。

2、鐵電存儲(chǔ)器（ FRAM）與FM20L08

2.1 鐵電存儲(chǔ)器介紹

FRAM是Ramtron公司近年推出的一款掉電不揮發(fā)存儲(chǔ)器，它結(jié)合了高性能和低功耗操作，能在沒(méi)有電源的情況下保存數(shù)據(jù)。FRAM存儲(chǔ)器技術(shù)的核心技術(shù)是鐵電晶體材料。這一特殊材料使得鐵電存儲(chǔ)產(chǎn)品同時(shí)擁有隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）和非易失性存儲(chǔ)產(chǎn)品的特性。鐵電晶體材料的工作原理是：當(dāng)把電場(chǎng)加到鐵電晶體材料上，晶陣中的中心原子會(huì)沿著電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。晶陣中的每個(gè)自由浮動(dòng)的中心原子只有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。一個(gè)用來(lái)記憶邏輯中的０，另一個(gè)記憶１。中心原子能在常溫、沒(méi)有電場(chǎng)的情況下停留在此狀態(tài)達(dá)一百年以上。鐵電存儲(chǔ)器不需要定時(shí)刷新，能在斷電情況下保存數(shù)據(jù)。由于在整個(gè)物理過(guò)程中沒(méi)有任何原子碰撞， FRAM擁有高速讀寫、超低功耗和無(wú)限次寫入等超級(jí)特性。

2.2 FM20L08特點(diǎn)與引腳功能

FM20L08是Ramtron公司近年推出的一款存儲(chǔ)容量為128×8bits FRAM，其讀寫操作與標(biāo)準(zhǔn) SRAM 相同。主要特點(diǎn)如下：3.3V單電源供電；并行接口；提供SOIC和DIP兩種封裝；功耗低，靜態(tài)電流小于10μA，讀寫電流小于15mA；非揮發(fā)性，掉電后數(shù)據(jù)能保存10年；訪問(wèn)進(jìn)入時(shí)間為 60 ns。高速的頁(yè)模式操作總線速度最高可達(dá)到 33MHz，4 字節(jié)脈沖；寫操作無(wú)延時(shí)，讀寫無(wú)限次；可滿足工業(yè)溫度 （-40℃ 到 +85℃）。

FM20L08的引腳排列如圖1所示。各引腳功能如下：

CE1/CE2：片選端；

WE：寫使能端；

OE：輸出使能端口；

A0～A16：地址端；

DQ0～DQ7 ：數(shù)據(jù)端；

VDD：電源；

VSS：接地端。

圖1 FM20L08引腳圖

圖2 溫度記錄儀原理框圖

3、 溫度記錄儀系統(tǒng)硬件組成

采用內(nèi)含多路開(kāi)關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器、電壓參考源的16位單片機(jī)CPU形成16通道低功耗溫度記錄儀［2］。RC組成的濾波電路濾掉熱電偶信號(hào)中的干擾信號(hào)，經(jīng)八選一多路開(kāi)關(guān)輸入至運(yùn)算放大器放大到適當(dāng)電平，再輸入至CPU 進(jìn)行A/ D 采樣，經(jīng)數(shù)值轉(zhuǎn)換和線性化后存貯至FRAM存貯器中。在整個(gè)測(cè)量結(jié)束后，由通信接口與PC 機(jī)相連，將數(shù)據(jù)傳送給PC 機(jī)做進(jìn)一步的分析和處理。電源部分則由低功耗低壓差穩(wěn)壓電路和濾波電路組成，系統(tǒng)提供3.3 V 的工作電源。溫度記錄儀各零部件均選用工業(yè)級(jí)，使工作溫度在- 45～85 ℃之間正常運(yùn)行。圖2為溫度記錄儀原理框圖。

FM20L08FRAM與一般的SRAM在使用過(guò)程中有所差別。FM20L08在 為低電平CE2為高電平時(shí)被選中，每一次訪問(wèn)都必須確保 的由高向低的躍變。由于鐵電存儲(chǔ)器使用的技術(shù)比較特殊，在操作過(guò)程中有預(yù)充電過(guò)程。預(yù)充電操作是為新訪問(wèn)記憶體的一個(gè)內(nèi)部條件，所有記憶體周期包括記憶體訪問(wèn)和預(yù)充電，預(yù)充電是由 引腳為高電平開(kāi)始，它必須保持高電平至少為一特定的最小時(shí)間。

4、 溫度記錄儀系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序分為主程序、數(shù)據(jù)采集程序、USB通訊程序［3］。工作過(guò)程為： 記錄儀首先加電壓， 通過(guò)外部信號(hào)進(jìn)行中斷， 使單片機(jī)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集的子程序并循環(huán)，達(dá)到定時(shí)時(shí)間后， 停止采集，退出子程序， 進(jìn)入主循環(huán)， 等待串口信號(hào)外部觸發(fā)， 從而進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸子程序， 將數(shù)據(jù)通過(guò)串口送入PC 機(jī)，圖3為溫度記錄儀程序流程圖。

圖3 溫度記錄儀程序流程圖［page］

5、抗干擾措施

5.1 硬件抗干擾

為防止記錄儀在回收并重新上電以后， AD的誤操作將存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)沖掉，應(yīng)考慮從硬件設(shè)計(jì)上排除這種可能性， 最根本的方法是從硬件上斷開(kāi)與采集模塊的連接。

5.2 軟件抗干擾

單片機(jī)受干擾信號(hào)作用時(shí)， 將使系統(tǒng)失控， 最典型的就是PC 的狀態(tài)值。它的修改將導(dǎo)致兩種主要的軟件非正常工作形式：“程序跑飛”和“死循環(huán)”， 為此在設(shè)計(jì)上采用了三種抗干擾方法：（1） 指令冗余技術(shù)。指令由操作碼和操作數(shù)組成，操作

碼指明CPU要完成什么樣的操作，而操作數(shù)是操作碼的對(duì)象。單字節(jié)指令只有操作碼，隱含操作數(shù)；雙字節(jié)指令，第一個(gè)字節(jié)是操作碼，第二個(gè)字節(jié)是操作數(shù)；三字節(jié)指令第一個(gè)字節(jié)是操作碼，后二個(gè)字節(jié)是操作數(shù)。CPU在取指令的時(shí)候是先取操作碼再取操作數(shù)，如何判斷是操作碼還是操作數(shù)就是通過(guò)取指令的順序。而取指令的順序完全由指令計(jì)數(shù)器PC來(lái)控制，因此，一旦PC受干擾出現(xiàn)錯(cuò)誤程序便會(huì)脫離正常軌道，出現(xiàn)“亂飛”，這樣就會(huì)出現(xiàn)把操作數(shù)當(dāng)作操作碼，或者把操作碼當(dāng)作操作數(shù)的情況。但只要PC指針落在單字節(jié)指令上程序就可納入正軌，所以為了快速將程序納入正軌，應(yīng)該多用單字節(jié)指令，并在關(guān)鍵的地方人為插入一些單字節(jié)指令NOP，或?qū)⒂行У膯巫止?jié)指令重寫，這就稱之為指令冗余。常用的方法就是在一些雙字節(jié)、三字節(jié)指令后面插入兩個(gè)單字節(jié)指令NOP，或在一些對(duì)程序的流向起決定作用的指令前面插入兩條NOP指令。還可對(duì)一些重要的指令進(jìn)行重復(fù)放置。但采用指令冗余技術(shù)將程序納入正軌的條件是：亂飛的PC必須指向程序運(yùn)行區(qū)。 （2） 看門狗技術(shù)［4］。 專用硬件看門狗是指一些集成化的或集成在單片機(jī)內(nèi)的專用看門狗電路，實(shí)際上它是一個(gè)特殊的定時(shí)器，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到時(shí)發(fā)出溢出脈沖。從實(shí)現(xiàn)角度上看，該方式是一種軟件與外部專用電路相結(jié)合的技術(shù)，硬件電路連接好以后，在程序中適當(dāng)?shù)夭迦胍恍┛撮T狗復(fù)位指令，保證程序正常運(yùn)行時(shí)看門狗不溢出；而當(dāng)程序運(yùn)行異常時(shí)，看門狗超時(shí)發(fā)出溢出脈沖，并通過(guò)單片機(jī)的RESET引腳使單片機(jī)復(fù)位。 （3） 軟件陷阱技術(shù)。當(dāng)亂飛的程序進(jìn)入非程序區(qū)的時(shí)候，就可設(shè)定軟件陷阱對(duì)亂飛的程序進(jìn)行攔截從而將程序引向一個(gè)固定的位置。這樣就可將捕獲的程序重新納入正軌。軟件陷阱主要就是把程序重新引入它的復(fù)位入口處，也就是說(shuō)在適當(dāng)?shù)牡胤皆O(shè)置這樣的指令：

NOP

NOP

LJMP 0000H

軟件陷阱主要安排在這樣一些區(qū)域：未使用的中斷區(qū)、未使用的EPROM空間及非EPROM空間、程序運(yùn)行區(qū)及中斷服務(wù)程序區(qū)。

5、 結(jié)語(yǔ)

鐵電存儲(chǔ)器作為新一代非易失性記憶體， 無(wú)論其寫入速度還是數(shù)據(jù)的安全性都可以得到很好的保證，已經(jīng)在國(guó)外的地鐵系統(tǒng)、抄表系統(tǒng)及IT等各種行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。文章設(shè)計(jì)的溫度記錄儀，除具有抗過(guò)載沖擊、抗干擾、數(shù)據(jù)斷電不丟失的特點(diǎn)外，并具有實(shí)時(shí)采集速度要求很高，存儲(chǔ)容量大的特點(diǎn)。它的實(shí)際應(yīng)用具有軍用和商用價(jià)值，能獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。

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