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铁电存储器的三个典型应用

2014-4-25 11:05:59 5457

0 本帖最后由 skysoon33958085 于 2014-4-25 11:34 编辑来源:与非网摘要:铁电存储器(FRAM)以其非挥发性,读写速度块, 擦写次数多,和低功耗等特点被广泛应用各行各业. 文章首先介绍铁电的原理, 之后分别介绍铁电储存器在电表, 税款机, 和电子道路收费系统的典型应用. 关键词: 铁电储存器, 应用 1 铁电储存器的原理上图是铁电的原子结构图. 当一个电场施加到铁电晶体时, 中心原子会顺着电场的方向在晶体里移动. 当原子移动通过一个能量壁垒时, 会引起电荷击穿. 内部电路感应到电荷击穿并设置储存器. 移去电场后, 中心原子保持不动, 储存器的状态也得以保存.铁电储存器不需要定时更新, 调电后数据却能够继续保存, 速度快而且不容易写坏. 铁电储存器就是根据该原理设计而成. 2 铁电储存器的典型应用 2.1 铁电存储器在电表存储中的应用 2.1.1 概述在电子技术日新月异、新型多功能电能表层出不穷的今天，电能表中存储器的选择也是多种多样，存储器的好坏直接关系到电能表的正常使用和测量精度。目前应用最多的方案仍是SRAM加后备电池、EEPROM、NVRAM这三种。但这三种方案均存在着缺陷。其中SRAM加后备电池的方法增加了硬件设计的复杂性，同时由于加了电池又降低了系统的可靠性；而EEPROM的可擦写次数较少(约100万次)，且写操作时间较长(约10 ms)；而NVRAM的价格问题又限制了它的普及应用。因此，工程人员在设计电能表的存储模块时，往往要花很大的精力来完善方案，才能使电表数据准确无误的写入存储器中。由于所有的非易失性记忆体均源自ROM技术。你能想象到,只读记忆体的数据是不可能修改的。所有以它为基础发展起来的非易失性记忆体都很难写入，而且写入速度慢，它们包括EPROM（现在基本已经淘汰）,EEPROM和Flash，它们存在写入数据时需要的时间长，擦写次数低,写数据功耗大等缺点。鉴于以上情况，越来越多的设计者将目光投向了新型的非易失性铁电存储器(FRAM)。铁电存储器具有以下几个突出的优点： i. 读写速度快。串口FRAM的时钟速度可达20 MHz，并口FRAM的访问速度达70 ns，几乎无须任何的写入等待时间，可认为是实时写入，所以不用担心掉电后数据会丢失； ii. 擦写次数多。一般认为FRAM的擦写次数为100亿次，而最新的铁电存储器的写入次数可达一亿亿次，这几乎可以认为是无限次； iii. 超低功耗。FRAM的静态工作电流小于10μA，读写电流小于150μA。 2.1.2 FM25640与MCU的连接图上图是一款适用于电表设计的方块图，其MCU还具有一个带有红外功能的串行通信接口SCI，一个高速SPI，8个键盘输入中断，以及内部LCD驱动模块，因而节省了外挂液晶驱动芯片。系统中的电能计量芯片使用ADI公司的三相电能计量芯片ADE7755/8，该芯片精确度高，可以提供有功功率、无功功率、视在功率、电压有效值和电流有效值等多项数据，具有两路脉冲输出，同时也带有SPI串口。由于SPI接口可支持多个器件挂在同一个总线上，并可通过片选信号区分每一个器件，因此，将FM25640和ADE7755/8都通过SPI接口与单片机相连，并将MCU的两个I／O口分别与FM25640和ADE7755/8的片选端CS相连接，就可以实现片选。　　 2.1.3 工作过程本电表系统上电复位后，首先将进行一系列的初始化操作，包括单片机的时钟发生模块的寄存器设置、系统时钟的选择、I／O口输入输出的设置、SPI的控制寄存器的初始化、以及开中断允许等。然后再进行ADE7755/8的模式设置。在这些初始化工作完成后，ADE7755/8便开始将检测到的各个电能数据存放在相应的内部寄存器中。单片机通过I／O口给ADE7755/8的CS端一个低电平，即可选中ADE7755/8，之后再由ADE7755/8把电能数据通过SPI接口传输到单片机的RAM中。单片机在对数据进行处理后，再通过I／O口给FM25640的CS端一个低电平，以选中FM25640，同时调用写数据的子程序，将数据存储到FM25640中去。之后每隔一分钟，单片机便发出一次更新数据的命令，重复上述操作过程。由于每隔一分钟更新一次数据，这样，一年365天的擦写次数为1×60×24×365，即525600次，而FM25640的擦写次数达100亿次，按这样计算，FM25640可以工作的年数为19025年!因此，如果系统要求更低的实时性，则完全可以减少更新数据的周期，而FM25640出色的擦写性能完全可以满足该要求。另外, 在要求更高的系统实时性方面, 也不必担心数据传输过程中掉电时数据的丢失，因为FM25640几乎可以认为是实时写入，无须任何等待时间，从而保证了系统具有很高的实时性和可靠性。 2.1.4 结束语 FRAM是一高可靠性的非挥发性储存器,适合于各种电表的应用。在未来的几年，其存储密度也将不断持续提升,成为储存主流之一，逐渐替换现有的储存记忆体，提供了其它存储记忆体无法解决的方案优势。　　 2.2 铁电存储器在税控机中的应用 2.2.1 概述许多使用电子电气设备的场合都需要采集现场数据(如电表、水表、煤气灌装车间、加油站、税控机及一些破坏性实验装置等)。特别是税控机系统的实时数据保存方式、存取速度、使用寿命及防篡改是需要电子开发人员仔细衡量的问题。税控机就是在原有电子收款机上加上税控功能，所以税控功能和资讯储存是整个系统的关键所在。当前其资讯储存的非易失性数据存储方案有静态存储器SRAM加电池的组合、FLASH闪存芯片、EEPROM和铁电存储器FRAM (Ferroelectric Random Accessmemory)等。SRAM加电池的组合容易因电池掉电被数据篡改，而FLASH闪存芯片和EEPROM则有寿命问题，故具有读写速度快、无限次擦写及低功耗的特点的FRAM则成为开发人员的最佳存储器选则。 2.2.2 系统结构下图所示是一典型的税控机方块图，数据采集系统利用铁电存储器方便的随采随存特点，来对每次的数据进行处理。 2.2.3 工作过程图中的MCU为单片机主控制器，用于控制与作业装置的通信和数据采集、保存、显示，以及键盘扫描等；FRAM是铁电存储器，可保存采集到的数据和采集数据的时间及读写FRAM的地址；身份识别是ID卡读卡模块，每台税控机需要用两张卡，分别是税控卡和用户卡，税控卡在出厂时已经在税控机内，用户持有用户卡，系统会提示用户在适当的时候插入税控机使用以读取操作员的工作号码,以便于责任管理；数据采集通道用的是工业上最常见的RS232总线．它有两个功能，即与作业设备的通信和单片机程序的下载；液晶模块可实时显示工作状态信息；键盘可方便工作人员设置系统参数并向作业装置发送命令；Printer可以列印发票以及报表。 2.2.4 结束语铁电存储器因其读写次数几乎可以接近无限次，而且具有速度快、功耗低和操作方便等优点，日益受到电子工程师的关注，在数据采集系统中用FRAM实时保存数据的方法可使税控机的数据更可靠，软件编程更容易用性。 2.3 铁电存储器在电子道路收费中的应用 2.3.1 概述电子道路收费系统（ElectronicToll Collection，缩写ETC；或Electronic Road Pricing System，缩写ERPS）是一种自动收费方式，通常被使用于高速公路或收费的桥梁或隧道，也被使用于实施市中心道路收费，以减轻交通挤塞的地区。现行电子道路收费系统是使用于行进中的车辆，所以一般都采用RFID的无线传送方式作为资料收发，由于现行RFID的读写距离非对称,所以典型的电子道路收费系统均采用有源标应答器在系统应用中作为资料读写，这使得系统成本增加且需更换电池。RAMTRON的FRAM产品具有低功耗、快速写入的能力，在非接触式记忆体应用领域中具有相等读写距离的特性可提供比较好的解决方案。应用在电子道路收费系统中，可以在等功耗的环境下，达到15米以上的读写距离，因而改变系统架构由有源标应答器变为无源应答器，这不但能节省系统成本同时还能提高产品可靠性。当系统性能得到提升，则系统可以选择收集更多的资料类型、或以更高频率收集资料。此时铁电(FRAM)记忆体的优点会转变为直接而明显的系统优点，例如快速的写入周期能让系统在更短的时间内收集到更多的资料。 2.3.2 系统架构以下是典型电子道路收费系统架构 2.3.3 工作过程 PC 数据库为后台管理资料库，用于车辆管理及收费记录控管，可保存采集到的数据以及采集数据的时间；应答器(标签)置于车辆前挡风玻璃作为车辆识别,以及储值卡内含FRAM铁电存储器；读卡器用于发射功耗强度固定,得到RF讯号后以读写应答器；天线安装于车道上方作为数据采集的收发天线。 2.3.4 结束语铁电存贮器（FRAM）的等距离读写特性快速擦写和非易失性等特点带来无线应答器的技术革命，令系统工程师可以缩小现有大体积的有源应答器成为无源的小型应答器，简单地扩展了应用范围，节省了功耗, 成本, 空间，同时增加了整个系统的可靠性。在接下来几年，会有越来越多的电子道路收费系统采用FRAM应答器，因为FRAM技术提供了其它RFID记忆体无法解决或满足的方案优势。本公司专业代理Cypress、Adesto等品牌的SRAM、FRAM、FLASH、EEPROM等芯片，欢迎来人来电咨询深圳市时讯捷通信有限公司联系人：杨勇电话：0755-33958085 QQ:1394308786 0
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