作者：盧偉，周永強 來源：現代電子技術

1、鐵電存儲器技術原理、特性及應用

美國Ramtron公司鐵電存儲器(FRAM)的核心技術是鐵電晶體材料。這一特殊材料使鐵電存儲器同時擁有隨機存取記憶體(RAM)和非易失性存儲器的特性。鐵電晶體的工作原理是：當在鐵電晶體材料上加入電場，晶體中的中心原子會沿著電場方向運動，達到穩定狀態。晶體中的每個自由浮動的中心原子只有2個穩定狀態，一個記為邏輯中的0，另一個記為1。中心原子能在常溫、沒有電場的情況下，停留在此狀態達100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據。由于整個物理過程中沒有任何原子碰撞，鐵電存儲器有高速讀寫、超低功耗和無限次寫入等特性。 鐵電存儲器和E2PROM比較起來，主要有以下優點：

(1)FRAM可以以總線速度寫入數據，而且在寫入后不需要任何延時等待，而E2PROM在寫入后一般要5～10ms的等待數據寫入時間；

(2)FRAM有近乎無限次寫入壽命。一般E2PROM的壽命在十萬到一百萬次寫人時，而新一代的鐵電存儲器已經達到一億個億次的寫入壽命。

(3) E2PROM的慢速和大電流寫入使其需要高出FRAM 2 500倍的能量去寫入每個字節。

由于FRAM有以上優點，其特別適合于那些對數據采集、寫入時間要求很高的場合，而不會出現數據丟失，其可靠的存儲能力也讓我們可以放心的把一些重要資料存儲于其中，其近乎無限次寫入的使用壽命，使得他很適合擔當重要系統里的暫存記憶體，用來在于系統之間傳輸各種數據，供各個子系統頻繁讀寫。從FRAM問世以來，憑借其各種優點，已經被廣泛應用于儀器儀表、航空航天、工業控制系統、網絡設備、自動取款機等。

在設計的碳控儀系統中，由于對控制碳勢適時性的要求較高，而且系統由2個子系統構成，每個子系統都要頻繁讀寫存儲器，所以我們把原來的X25045換成FM24C16以滿足要求。

2 FM24C16引腳說明及工作過程

FM24C16-P(8腳雙列直插)外形圖及引腳定義如圖1及表1所示。

FM24C16是串行非易失存儲器，存儲容量為2 048×8b，共分8頁，每頁256B；工作電壓為+5V；接口方式為工業標準的2線接口：SDA和SCL；功能操作和串行E~PROM相似，有讀和寫兩種操作狀態，讀、寫時序和I2C總線類似。

FM24C16的寫操作可以分為2種：字節寫和頁面寫。字節寫就是每次寫入單個字節，頁面寫可以一次寫入整頁(256B)的數據。而且，由于沒有寫延時，數據寫入速度很快(一般為μs級)，特別是在頁面寫的時候，不需要數據緩沖，可以一次寫入256B的數據，真正實現頁面寫，這是其他E2PROM做不到的，比如AT24C16，在頁面寫的時候，每次最多能寫入16B數據。

FM24C16的寫操作時序中可分為起始位(START)、數據位、從應答位、停止位(STOP)，其中，從應答位(因為FM24C16為從器件，MCU為主器件，所以稱為從應答)是FM24C16在每接收一個字節數據后發出的應答信號，是檢驗數據寫入是否成功的惟一標志。寫入過程為：MCU通過SDA，SCI。發出起始位，然后從SDA輸出從器件固定地址位：1010，再輸出3b頁選擇位(選擇寫入數據到FM24C16的哪一頁)，再輸出寫控制位0(讀為1，寫為0)，然后接收來自FM24C16的從應答位，如果沒有收到從應答，則退出操作。在接收到從應答后，MCU從SDA串行輸出8位FM24C16字節地址以確定寫入數據的字節單元，并在收到從應答后發送1b數據寫入到FM24C16，然后等待從應答信號確認數據寫入成功。如果是字節寫，則由MCU發出停止位，結束寫操作。如只是頁面寫，MCU輸出第2個字節數據，FM24C16判斷出MCU要繼續寫入數據后，自動使其內部的地址指針加1，并把數據寫入到加1后的字節單元，然后給出從應答，MCU就繼續寫入數據到FM24C16。頁面寫操作時，當地址指針到7FH(頁尾地址)單元的時候，在下一個寫入周期時自動翻轉到00H，寫入的數據覆蓋掉00H單元原來的數據。

具體寫操作時序圖和后面的讀操作時序圖比較繁瑣，在這里不給出，如果需要，可以登錄到Ramtron公司網站查閱技術資料.也可以仿I2C總線時序圖。

FM24C16讀操作比寫操作較為復雜，相應也可以分為2種：字節讀和頁面讀，相應于字節寫和頁面寫，兩種讀的功能也是單字節和整頁的區別。讀操作的另一種分法可分為：立即讀和任意讀(包括連續讀)，其區別在于立即讀是在寫人數據后馬上讀數，而任意讀和連續讀則是隨時讀，所以，在他們操作時，必須先執行偽寫，然后再讀數。所謂偽寫，是指執行寫操作到寫入數據之前，其目的是確定要讀出的字節單元地址。下面對任意讀的操作過程給予說明：執行寫操作到寫人數據前，也就是在收到輸入字節單元地址后的從應答后，MCU再發送起始位，然后發送從器件固定地址(1010)、3b頁選擇位和讀控制位1，在收到從應答后，MCU從FM24C16里面讀出1 B的數據。如果只讀1 B的數據，則MCU發送一個無需應答信號，然后發送停止位結束讀操作。如果是頁面讀，MCU就發一個主應答信號，繼續讀下一個字節數據，直到讀出最后一個字節數據后，MCU發出無需應答信號和停止位結束讀操作。

在對FM24C16進行讀、寫操作的過程中，應該注意以下2個問題：

(1)時序問題，這主要是指SDA，SCL的高低電子的時序。如果在讀、寫過程中時序不對或者不穩定，都會引起讀、寫失敗，所以為了保證穩定，可以在程序中適當加入NOP語句延時，但不要過多，以免影響讀、寫速度。

(2)SDA數據只能在SCL為低期間變化，在SCL為高期間，SDA數據要保持不變否則會被錯誤地認為是控制位而不是數據位，導致讀、寫失敗。

3、應用接口及程序

FM24C16與單片機接口電路非常簡單，下面以碳控儀系統中的應用為例給予說明，并給出部分子程序。應用接口圖如圖2所示，系統中采用2片AT89C55單片機，用其P2．0和P2．1口與SDA，SCL相連接，在SDA和SCL引腳接1．8kΩ的上拉電阻到+5V，工作
電源也為+5V，WP引腳接電源地以保證可以任意寫入數據。2片AT89C55用P1．0，P1．1作為通訊口，來確定誰操作FM24C16：片1操作前，檢測P1．0口，如果為高，則置低P1．1口，向片2發出占用FM24C16信號，然后再檢測P1．0口，還為高，則進入操作，若為低，則退出操作并把P1．1口置高；如果P1．0口為低，則說明片2占用FM24C16，片1就放棄操作，等待下次查詢和操作。片2的操作相對應于片1。這樣，FM24C16不僅作為了公共數據區，而且也成為了2片MCU的一個模擬的通訊口，而且理論上來說，1片FM24C16上可以掛很多MCU，而可以省去不必要的MCU間的通訊。這就需要FM24C16承受快速、頻繁讀寫，這是其他E2PROM望塵莫及的。

下面給出FM24C16的頁面寫和任意字節讀匯編子程序。程序經過應用驗證，效果良好(為保證穩定性，可以在相應地方加入空語句以延時)。

頁面寫子程序：
PAGE-WR： ACALL START_BIT
MOV A，#10100000B
MOV R7，#4
ACALL SHFTO
；SHFTO為送位子程序，以上3行送
1010到FM24C16
MOV A，#20H
MOV R7，#3
ACALL SHFTO
；以上3行確定寫FM24C16的00l頁
MOV A，#00H
MOV R7，#1
ACALL SHFTO ；以上3行送寫控制位0
ACALL SlAVE_ACK
；SLAVE-ACK為從應答子程序，在此檢測
從應答位
MOV A，#00H
MOV R7，#8
ACALL SHFTO
；以上3行確定寫入數據首地址為00H
ACALLSLAVE-ACK ；檢測從應答位
MOV R0，#00H ；R0中為被寫人數據
所在單元首地址
MOV R4，#7FH ；R4中為寫入字節數
(現為256B)
NEXT-DATA：MOV A，@R0 ；調入第1個寫入數據
INC R0 ；R0指向第2個數據所在單元地址
MOV R7，#8
ACALL SHFTO；寫入數據
ACALL SLAVE-ACK ；檢測從應答位
DJNZ R4，NEXT-DATA
；循環寫入下一個字節數據
ACALL STOP-BIT
；STOP-BIT為停止位，結束寫操作(此處沒有寫延時等待)
RET ；返回，程序結束

讀任意地址子程序：
SELECT-RD：ACALL START-BIT
ACALL START-BIT
MOV A，#10100000B
MOV R7，#4
ACALL SHFTO
MOV A，#20H
MOV R7，#3
ACALL SHFTO
MOV A，#0FOH
MOV R7，#1
ACALL SHFTO
ACALL SlAVE-ACK
MOV R5，#00H
MOV R7，#8
ACALL SHFTO
ACALL SlAVE-ACK
；以上為偽寫，確定讀FM24C16的001
00H單元數據
ACALL START-BIT
MOV A，#10100000B
MOV R7，#4
ACALL SHFTO
MOV A，#20H
MOV R7，#3
ACALL SHFTO
MOV A，#0FOH
MOV R7，#1
ACALL SHFTO ；上面3行送讀控制位1
ACALL SlAVE-ACK
MOV R5，#00H ；清R5，以存儲讀出數據
MOV R7，#8 ；R7作讀出位記數器
CLOCK8： SETB SCL
MOV C，SDA
CLR SCL
MOV A，R5
RLC A
MOV R5，A
；以上6行讀出FM24C16送來的1位
DJNZ R7，CLOCK8 ；循環讀出1B數據
ACALL NO_ACK
；NO_ACK為無需應答位子程序
ACLL STOP_BIT ；停止
RET ；程序結束