近年來隨著智能三表、物聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療器械及醫(yī)療電子標(biāo)簽、汽車后裝設(shè)備、以及工業(yè)傳感網(wǎng)絡(luò)的快速增長,F(xiàn)RAM存儲器以及FRAM微控制器的應(yīng)用越來越多。似乎幾年前電子工程專輯的報道還傾向于把FRAM(那時候遇到的縮寫還是以FeRAM居多)作為一種新的存儲方式來報道,而現(xiàn)在,越來越多的應(yīng)用借FRAM的特性實現(xiàn)了自身在可靠性、性能等方面的突破。
在上周舉辦的2015易維訊年度ICT媒體論壇上,來自富士通半導(dǎo)體上海有限公司市場部經(jīng)理蔡振宇先生與媒體分享了公司的FRAM產(chǎn)品,其中舉了一些行業(yè)應(yīng)用的案例尤為吸引,很多時候,一款簡單的新的器件往往能為設(shè)計者的終端產(chǎn)品帶來革命性的突破。
富士通的FRAM主要包括三大類,除了單體FRAM,另外兩類是RFID FRAM和認證FRAM。本文所提到的一些創(chuàng)新應(yīng)用,主要是基于后兩類FRAM。
FRAM RFID是比較新的產(chǎn)品。目前市場上常用的RFID產(chǎn)品嵌入的是EEPROM,若是換成FRAM+RFID,讀寫速度會比EEPROM快很多,抗輻射性比EEPROM高的也不僅一個數(shù)量級。
下圖為FRAM RFID與EEPROM RFID的比較:
使用案例一:高速收費
在高速收費領(lǐng)域,蔡振宇先生舉了身邊的案例。
在廣東,有些交通的收費、公路收費卡,有朋友表示進站和出站的時候就讀不出來,因為用的頻率比較高,超過一百萬次沒辦法把數(shù)據(jù)讀出來,若使用FRAM RFID則不會讀到極限(10的12次方我是數(shù)不過來)。
FRAM讀和寫的距離一樣?!爱?dāng)您使用RFID產(chǎn)品的時候,寫的距離比讀的距離近一些,最簡單的例子,您可能拿一個RFID的讀寫頭,你讀的時候距離可能做到兩米,真正把信息寫到RFID里可能只有一米的距離,因為他里面嵌入的是EEPROM,讀的時候有一個升壓,會把整個電壓升到9伏、12伏才能寫。RFID是要通過收集場上的電場能量寫,勢必需要把讀頭更靠近才能把電壓升高,所以有這個問題在里面,造成它讀和寫的距離不是一樣?!?蔡振宇先生解釋到。而FRAM可以做到一樣讀和寫的距離。
容量更大一點?!拔覀兒湍壳俺S玫腅EPROM比起來,RFID會大一點。市面上比較多的RFID產(chǎn)品都是128個bit或是512Bit,客戶有需要往里面多放信息,EEPROM可能不能滿足客戶的需求?!辈陶裼钕壬硎?。
使用案例二:工廠自動化和維護的應(yīng)用
汽車生產(chǎn)線例如大眾,他們每年的生產(chǎn)量都會往上提,因為在整個汽車生產(chǎn)中使用了RFID,如果要把生產(chǎn)線、流水線變快的話,那么RFID讀取速度要變快,就需要更快的流水線運轉(zhuǎn)速度。富士通的128C就成功的運用在這樣的領(lǐng)域。
還有一個是波音飛機使用FRAM RFID,大家知道飛機過一段時間需要大修、年檢,每個零件可以讀取,可以把維修記錄通過RFID反映出來,可以知道哪個部件要壞了,哪個部件可能有問題要更換,類似這樣的工作。
使用案例三:醫(yī)療和醫(yī)藥
在醫(yī)療和醫(yī)藥中用了很多RFID新的產(chǎn)品,像手術(shù)臺的追溯,藥劑盒子,類似于穿刺、血透的管子,美國和歐洲的國家會有很多接觸到醫(yī)療器械的地方,需要經(jīng)過伽瑪放射性消毒,F(xiàn)RAM對輻射有很強的耐受性。
基于FRAM的RFID可輕松通過標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)療滅菌過程,而基于EEPROM的RFID在這一過程會被擦除。
“從目前的情況來講,原來是美國和歐洲的要求比較多,慢慢我們看到,中國的醫(yī)院和中國客戶也慢慢提出此類需求。目前市場上只有我們的FRAM的RFID能夠滿足這些需求?!?蔡振宇先生表示。
使用案例四:冷鏈控制
在冷鏈控制中,如果您要追溯運輸途中每一個節(jié)點溫度的變化,如何保證整個運輸途中都能在這個溫度以下?就需要在整個車箱里加一個RFID的模塊,實時把數(shù)據(jù)傳到接收端,客戶讀一下就可以看出一小時運輸范圍內(nèi)有沒有超過溫度系數(shù)、溫度范圍,擁有SPI接口的FRAM可以實現(xiàn)這樣的應(yīng)用。
有位杭州客戶是做疫苗運輸?shù)模幸粋€集裝箱柜,需要實時記錄溫度的系數(shù)和溫度運送時的具體溫度,以前是運用主動標(biāo)簽,一個點一百多塊人民幣,車?yán)镒鲆粋€wifi的節(jié)點,送到駕駛室,目的地再把節(jié)點的數(shù)據(jù)讀出來。
改為富士通的方案后,一個結(jié)點是簡單的MCU加溫度模塊加FRAM的RFID就可以了,運輸?shù)綌?shù)據(jù)可以RFID五個點一讀,就可以把運送的流程拿出來,給客戶省了不少錢,一百多塊的主動標(biāo)簽還是比較貴,采用我們的方案基本上可以降到一半的成本。
“我個人認為,除了冷鏈控制,除了常用的RFID領(lǐng)域,我們的標(biāo)簽都可以適用,由于成本上的原因,在其他的物流上,我們的標(biāo)簽運用少一些。” 蔡振宇先生表示。
使用案例五:打印機墨盒與內(nèi)窺鏡
這個案例講的是FRAM的認證芯片。
大家可能用過佳能、EPSON的打印機,打印機只認自己的墨盒,假的墨盒它就會彈出來,提示你用了盜版的墨盒。這種打印機就是加了富士通的認證芯片。
其中的原理很簡單,把芯片放在打印機里面,一個芯片放在墨盒里。打印機取墨像對暗號一樣。為這種應(yīng)用設(shè)計的認證芯片,里面有AES128加密的數(shù)據(jù),出廠前就和廠商談好,每種不同的打印機和墨盒有對應(yīng)的暗號,通過這種方式進行驗證,客戶的知識產(chǎn)權(quán)可以得到保護。
因為打印機取墨是頻繁的,一天要打幾十次,在公司一天打幾百次都有可能,EEPROM過一段時間就沒辦法使用了。所以FRAM的性能這個時候充分滿足了客戶的需求。
“我們現(xiàn)在在國內(nèi)遇到一個客戶,是做有線內(nèi)窺鏡,內(nèi)窺鏡有一個轉(zhuǎn)換頭,他希望那個頭一定要匹配他的內(nèi)窺鏡片的頭,于是把認證芯片加到內(nèi)窺鏡的頭里,做到類似于墨盒的工作,自己的機器只能配自己的頭。這個芯片的本身會比較簡單?!辈陶裼钕壬硎?。
附錄:鐵電資料
為什么叫鐵電?
FRAM鐵電存儲器的產(chǎn)品,為什么叫鐵電?是把DRAM和SRAM的快速讀寫和Random讀寫的特點,加上Flash和EEPROM,掉電可以繼續(xù)保持?jǐn)?shù)據(jù)特點相結(jié)合的Memory,又可以做到像SRAM的隨機讀取,又可以像Flash和EEPROM一樣掉電后重要數(shù)據(jù)保存的特點。
下圖可以看到FRAM內(nèi)部的簡單構(gòu)造,從整個工藝角度是上下兩層電核,最基本的區(qū)別是在于中間一層的PZT膜,把紫色的部分放大以后,邊上是整個鉛原子的構(gòu)造,中間藍色的是氧原子的摻雜,中間最關(guān)鍵,紅球它是貴金屬的原子,上面兩個電場的作用下會上下移動,鐵元素會有磁滯極化的運動,我們運用它的特點來記錄。原子運行到上面我們認為是0的位置,運行到下面我們定義為1,通過判斷這兩個位置來判斷數(shù)據(jù)是零還是1。FRAM的寫周期一般是150納秒的數(shù)量級。現(xiàn)在有20納秒數(shù)量級。
(1)當(dāng)一個電場被加到鐵電晶體時,中心離子順著電場的方向在晶體里移動,當(dāng)離子移動時,它通過一個能量壁壘,從而引起電荷擊穿。 內(nèi)部電路感應(yīng)到電荷擊穿并設(shè)置記憶體。
(2)移去電場后中心離子保持不動,記憶體的狀態(tài)也得以保存。
(3) 材料本身的遲滯特性的兩個穩(wěn)定點代表0或1的極化值
讀寫次數(shù)方面FRAM至少保證10的12次方, EEPROM和FLASH都是100萬次,SRAM是無限次擦寫。讀寫時的功耗FRAM的平均值是10個微安,EEPROM、 FLASH和SRAM都是毫安級的。
下圖FRAM,EEPROM,F(xiàn)LASH,SRAM數(shù)據(jù)寫方式、寫周期、讀寫耐久性、功耗方面的對比。簡而言之:多、快、省。
鐵電有多快?
在現(xiàn)場蔡振宇先生為大家準(zhǔn)備了一個DEMO,把數(shù)據(jù)寫到FRAM和EEPROM里,從FRAM來說,用了0.5秒去存儲2兆的數(shù)據(jù),F(xiàn)LASH大概用了2.9秒,EEPROM存2兆數(shù)據(jù)用了13.4秒。從這個比較來看,F(xiàn)RAM快速讀寫的速度的特點是很明顯的。
FRAM性能優(yōu)勢
蔡振宇先生總結(jié)了FRAM的性能優(yōu)勢。
無需后備電池:在很多供電領(lǐng)域比如說數(shù)控機床和重工業(yè)很擔(dān)心要實時記錄機床,比如說XY軸的位置。工廠斷電前要把重要數(shù)據(jù)存儲下來,數(shù)據(jù)量很大的情況下,以前都是加上后備電池,用了FRAM就可以把后備電池拿掉,后備電池有很多的問題,會漏電,維修麻煩,我們可以減少維護、保養(yǎng)的時間,做到環(huán)保。
快速讀寫:IOT、物聯(lián)網(wǎng),很大一部分就是要做到信息數(shù)據(jù)實時、頻繁的記錄,F(xiàn)RAM可以允許大家快速、頻繁的擦寫。
抗輻射性:FRAM獨有的特性是抗輻射性,2011年福島海嘯有核泄漏,F(xiàn)RAM可以抗核輻射的釋放,普通的EEPROM被伽瑪射線照射,數(shù)據(jù)會設(shè)計破壞。FRAM是會維持現(xiàn)狀,我們推出RFID,它應(yīng)用醫(yī)療和工業(yè)領(lǐng)域,需要大量輻射的場合,
基于這些特點,F(xiàn)RAM發(fā)展出主要的應(yīng)用,包括工業(yè)類應(yīng)用、汽車黑匣子、ATM等需要存儲重要數(shù)據(jù)的地方,以及電梯、新能源等。
評論
查看更多