FM3116 鐵電存儲器在復費率電能表中的應用

1 引言

      在單片機應用和智能儀器中，存儲器已成為不可或缺的一部分，包括系統工作時存儲臨時性數據的RAM，以及永久性存儲數據的非易失性存儲器。RAM簡單易用，存儲速度快，但掉電數據易丟失；而非易失性存儲器盡管能夠長期保存數據，但存儲速度慢，寫入功耗高，而且讀寫次數受限。采用鐵電存儲器(FRAM)可解決上述問題。這種存儲器的核心是鐵電晶體材料具有RAM快速讀寫的優點，同時也具有非易失性存儲器永久存儲數據的特點。基于上述特點，介紹一種FRAM FM3116在復費率電能表中的應用設計。

      2 FM3116簡介

      FM3116是Ramtron公司新一代鐵電存儲器，該存儲器主要包括16 KB的非易失性存儲器、實時時鐘、低電壓復位、看門狗計數器、非易失性的事件計數器等。FM3116的引腳配置如圖1所示，各引腳功能描述如表1所列。

      FM3116采用I2C接口。FM3116內部集成存儲器及實時時鐘／處理器伴侶。可獨立訪問每個元件，其訪問地址分別為1010B和1101B。主機通過對這兩個元件的讀寫操作實現對FM3116讀取、存儲數據和對實時時鐘／處理器伴侶的控制。

      3 電能表的數據存儲系統

      作為計量電能的儀表，電能表的計量精度極為重要，它不但與電能計量器件的精度有關，而且還與電能表的數據存儲系統有關。如果檢測到的電能數據無法寫入存儲器或寫入存儲器時出錯，電能表的精度將大大降低。

      傳統電能表數據存儲系統采用EEPROM存儲器+掉電檢測電路。由于EEPROM存儲器的存儲次數約一百萬次，因此不是一個電能脈沖就存儲一次，而是將脈沖暫存到單片機的RAM中，等脈沖記錄到一定值或一定時間，再將脈沖數據轉存到EEPROM中。因此需要掉電檢測電路實時檢測當前是否處于昝電狀態，當檢測到掉電時就將RAM中的脈沖數據存儲到EEPROM中。由于寫EEPROM較慢，大概有10 ms的寫周期，這就要求在掉電后有足夠的電壓，以保證脈沖數據寫入EEPROM中，通常是利用大容量電容來確保掉電后的電壓。但是，基于寫EEPROM的特點，寫入EEPROM數據易于出錯。為了提高寫入數據的準確性，需要在軟件設計上采取一些措施。因此，傳統電能表數據存儲系統無論是在硬件上還是在軟件上都比較復雜。

      該系統設計的復費率電能表采用ADE7755將電網中采集到的功率信息轉換成與之成正比的脈沖信號，送給單片機。AVR單片機作為中心處理單元對脈沖進行計數，從而實現電能計量。由于是復費率電能表，除了實時計量電能外，還具有復費率、事件記錄等多種功能，需存儲大量數據，并且擦寫次數多。因此，復費率電能表系統需要設計一種壽命長，讀寫數據安全的數據存儲系統。目前，FM3116是非常適合電能表設計要求的存儲器。它的存儲時間短，能夠在極短的時間內保存大量數據，實現了電能表在突然掉電時數據及時、安全存儲。

      4 FM3116在復費率電能表中的應用

      4.1 FM3116的硬件設計

      圖2所示為AVR單片機與FM3116的接口電路，AVR單片機提供了實現標準I2C通信的硬件接口TMI，因此可直接將TMI接口的數據傳輸引腳PD1/SDA和時鐘輸出引腳PD0/SCL分別與FM3116的SDA和SCL相連，通過對TWI接口寄存器的設置實現與FM3116的I2C通信。R1和R2為I2C總線的上拉電阻。

      4.2 FM3116的軟件設計

      4.2.1 FM3116初始化操作

      單片機對FM3116的讀寫程序包括存儲器讀寫程序和實時時鐘／處理器伴侶讀寫程序兩部分。在對FM3116讀寫前，單片機首先需對其初始化。在復費率電能表系統設計中，就是對相應寄存器初始化，采用C語言編寫的程序代碼如下：

      4.2.2 實時時鐘程序

      復費率電能表實現復費率功能，需要準確的實時時鐘作為時段劃分根據。FM3116內部集成有高精度的實時時鐘模塊，可通過對相應寄存器的讀寫，實現對實時時鐘的設置與讀取操作。設置實時時鐘的C語言程序代碼(只舉例了設置時鐘的日期數據)如下：

      讀取實時時鐘的C語言程序代碼如下：

      此外，FM31XX存儲器還具有時鐘校準功能，可提高時鐘準確度。

      4.2.3 存儲器讀寫程序

      讀寫FM3116存儲器一般用于實現電能表電能數據及各種事件記錄數據的讀取和存儲。由于各種事件數據的格式不同，包括單字節的字符型數據、雙字節的整型數據以及4字節浮點型數據。因此，為了方便讀取各種數據，需要編寫對各種數據讀寫函數。FM3116存儲器讀寫程序與普通的I2C器件的讀寫操作基本相同，其從機地址為1010 xxxxb和1101xxxxb。

      5 結束語

      由于鐵電存儲器具有讀寫速度快，功耗低和無限次寫入等特性，同時擁有RAM存儲器和非易失性存儲器的特性，它是EEPROM的理想替代品。將FM3116應用到復費率電能表中既節省成本，又簡化軟件設計。