采用FM20L08鐵電存儲器實現(xiàn)溫度測試儀系統(tǒng)的設計

1 、引言

高溫測試儀主要用于加熱過程中的溫度跟蹤測量和數(shù)據(jù)采集,通過對測試數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)分析,研究爐內的溫度分布和溫差變化規(guī)律,分析影響加熱質量的主要因素,對加熱爐加熱過程和加熱制度進行優(yōu)化,提高加熱質量,降低燃料消耗。

而在一些收集存儲數(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就是針對這些系統(tǒng)可以用來直接替換異步靜態(tài)存儲器(SRAM)而設計的存儲器，也是Ramtron現(xiàn)有的最大容量的鐵電存儲器(FRAM)，能夠進行無限次的讀寫操作. 使用FM20L08能夠極大的節(jié)約電路板空間。使用FM20L08存儲器的溫度測試儀，兼具大容量數(shù)據(jù)存儲、抗沖擊、抗干擾、數(shù)據(jù)斷電不丟失、實時采集速度高的特點。

2 、鐵電存儲器( FRAM)與FM20L08

2.1 鐵電存儲器介紹

FRAM是Ramtron公司近年推出的一款掉電不揮發(fā)存儲器，它結合了高性能和低功耗操作，能在沒有電源的情況下保存數(shù)據(jù)。FRAM存儲器技術的核心技術是鐵電晶體材料。這一特殊材料使得鐵電存儲產品同時擁有隨機存取存儲器(RAM)和非易失性存儲產品的特性。鐵電晶體材料的工作原理是：當把電場加到鐵電晶體材料上，晶陣中的中心原子會沿著電場方向運動，到達穩(wěn)定狀態(tài)。晶陣中的每個自由浮動的中心原子只有兩個穩(wěn)定狀態(tài)。一個用來記憶邏輯中的0，另一個記憶1。中心原子能在常溫、沒有電場的情況下停留在此狀態(tài)達一百年以上。鐵電存儲器不需要定時刷新，能在斷電情況下保存數(shù)據(jù)。由于在整個物理過程中沒有任何原子碰撞， FRAM擁有高速讀寫、超低功耗和無限次寫入等超級特性。

2.2 FM20L08特點與引腳功能

FM20L08是Ramtron公司近年推出的一款存儲容量為128×8bits FRAM，其讀寫操作與標準 SRAM 相同。主要特點如下：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;訪問進入時間為 60 ns。高速的頁模式操作總線速度最高可達到 33MHz，4 字節(jié)脈沖;寫操作無延時，讀寫無限次;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：

/CE2：片選端;

：寫使能端;

：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。

3、 溫度記錄儀系統(tǒng)硬件組成

采用內含多路開關、A/D轉換器、電壓參考源的16位單片機CPU形成16通道低功耗溫度記錄儀。RC組成的濾波電路濾掉熱電偶信號中的干擾信號，經(jīng)八選一多路開關輸入至運算放大器放大到適當電平，再輸入至CPU 進行A/ D 采樣，經(jīng)數(shù)值轉換和線性化后存貯至FRAM存貯器中。在整個測量結束后，由通信接口與PC 機相連，將數(shù)據(jù)傳送給PC 機做進一步的分析和處理。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，使工作溫度在- 45～85 ℃之間正常運行。圖2為溫度記錄儀原理框圖。

FM20L08FRAM與一般的SRAM在使用過程中有所差別。FM20L08在 為低電平CE2為高電平時被選中，每一次訪問都必須確保 的由高向低的躍變。由于鐵電存儲器使用的技術比較特殊，在操作過程中有預充電過程。預充電操作是為新訪問記憶體的一個內部條件，所有記憶體周期包括記憶體訪問和預充電，預充電是由 引腳為高電平開始，它必須保持高電平至少為一特定的最小時間。

4、 溫度記錄儀系統(tǒng)軟件設計

程序分為主程序、數(shù)據(jù)采集程序、USB通訊程序。工作過程為: 記錄儀首先加電壓, 通過外部信號進行中斷, 使單片機進入數(shù)據(jù)采集的子程序并循環(huán)，達到定時時間后, 停止采集,退出子程序, 進入主循環(huán), 等待串口信號外部觸發(fā), 從而進入數(shù)據(jù)傳輸子程序, 將數(shù)據(jù)通過串口送入PC 機，圖3為溫度記錄儀程序流程圖。

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的誤操作將存儲器中的數(shù)據(jù)沖掉,應考慮從硬件設計上排除這種可能性, 最根本的方法是從硬件上斷開與采集模塊的連接。

5.2 軟件抗干擾

單片機受干擾信號作用時, 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)”, 為此在設計上采用了三種抗干擾方法：(1) 指令冗余技術。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，第一個字節(jié)是操作碼，第二個字節(jié)是操作數(shù);三字節(jié)指令第一個字節(jié)是操作碼，后二個字節(jié)是操作數(shù)。CPU在取指令的時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)就是通過取指令的順序。而取指令的順序完全由指令計數(shù)器PC來控制，因此，一旦PC受干擾出現(xiàn)錯誤程序便會脫離正常軌道，出現(xiàn)"亂飛"，這樣就會出現(xiàn)把操作數(shù)當作操作碼，或者把操作碼當作操作數(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，應該多用單字節(jié)指令，并在關鍵的地方人為插入一些單字節(jié)指令NOP，或將有效的單字節(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)指令后面插入兩個單字節(jié)指令NOP，或在一些對程序的流向起決定作用的指令前面插入兩條NOP指令。還可對一些重要的指令進行重復放置。但采用指令冗余技術將程序納入正軌的條件是：亂飛的PC必須指向程序運行區(qū)。 (2) 看門狗技術。 專用硬件看門狗是指一些集成化的或集成在單片機內的專用看門狗電路，實際上它是一個特殊的定時器，當定時時間到時發(fā)出溢出脈沖。從實現(xiàn)角度上看，該方式是一種軟件與外部專用電路相結合的技術，硬件電路連接好以后，在程序中適當?shù)夭迦胍恍┛撮T狗復位指令，保證程序正常運行時看門狗不溢出;而當程序運行異常時，看門狗超時發(fā)出溢出脈沖，并通過單片機的RESET引腳使單片機復位。 (3) 軟件陷阱技術。當亂飛的程序進入非程序區(qū)的時候，就可設定軟件陷阱對亂飛的程序進行攔截從而將程序引向一個固定的位置。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位入口處，也就是說在適當?shù)牡胤皆O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、程序運行區(qū)及中斷服務程序區(qū)。

6、結語

鐵電存儲器作為新一代非易失性記憶體, 無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)中得到廣泛的應用。文章設計的溫度記錄儀，除具有抗過載沖擊、抗干擾、數(shù)據(jù)斷電不丟失的特點外,并具有實時采集速度要求很高，存儲容量大的特點。它的實際應用具有軍用和商用價值，能獲得較高的經(jīng)濟效益。

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