FM3164的原理和功能及在火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用

FM3164是RAMTRON公司推出的新一代非易失性鐵電存儲(chǔ)器，采用I2C總線，是集串行存儲(chǔ)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、看門狗、復(fù)位電路、低電壓檢測(cè)等多種功能于一體的強(qiáng)大芯片。與其他串行存儲(chǔ)器相比，F(xiàn)M3164具有沒有寫延時(shí)，讀寫次數(shù)可達(dá)上百億次，速度快，功耗低等優(yōu)點(diǎn)。主要介紹FM3164的組成原理和基本功能，并結(jié)合它在火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的應(yīng)用給出實(shí)際應(yīng)用方法，實(shí)現(xiàn)報(bào)警過程中信息快速、準(zhǔn)確的存儲(chǔ)。

1 FM3164的基本結(jié)構(gòu)及內(nèi)部原理

FM3164采用鐵電晶體材料，這一特殊材料使鐵電存儲(chǔ)器同時(shí)擁有隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）和非易失性存儲(chǔ)的特性。FM3164將非易失FRAM與實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）、處理器監(jiān)控器、非易失性事件計(jì)數(shù)器、可編程可鎖定的64位ID號(hào)和通用比較器相結(jié)合。采用先進(jìn)的0.35μm制造工藝，這些功能通過一個(gè)通用I2C接口嵌入到14個(gè)引腳的SOIC封裝中，從而取代系統(tǒng)板上的多個(gè)元件。存儲(chǔ)器的讀／寫以及其他控制功能都通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線來實(shí)現(xiàn)。其內(nèi)部原理如圖1所示。

A0，A1是器件地址選擇信號(hào)（總線可最多連接4個(gè)I2C器件）；SCL和SDA是與CPU通信接口，其中SDA是雙向數(shù)據(jù)端口；PFI是比較器輸入端，輸出結(jié)果送到CAL／PFO腳，同時(shí)它也是時(shí)鐘校正信號(hào)輸出端。當(dāng)電源電壓低于2.5 V時(shí)，時(shí)鐘供電切換到后備電池。CNT1，CNT2是兩路外部事件計(jì)數(shù)器的輸入端。

2 FM3164功能

FM3164內(nèi)有25個(gè)特殊功能寄存器SFR。CPU通過I2c總線控制這些寄存器來實(shí)現(xiàn)各種功能。FM3164內(nèi)部功能圖如圖2所示。

2.1 內(nèi)存操作

FM3164系列產(chǎn)品提供了不同的內(nèi)存容量，包括4 Kb，16 Kb，64 Kb和256 Kb，該系列產(chǎn)品軟件兼容，所有版本使用一致的兩位字節(jié)地址操作內(nèi)存，存儲(chǔ)器采用鐵電技術(shù)制造，可以二線制總線時(shí)鐘速度進(jìn)行讀寫操作，讀寫以字節(jié)為單位，寫操作沒有任何延時(shí)，而且通過了無限次的讀寫次數(shù)。具備其他同類串行存儲(chǔ)器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

2.2 處理器檢測(cè)功能

FM3164提供兩個(gè)基本功能，早期電源失效檢測(cè)和防止軟件死鎖的看門狗功能。當(dāng)電源跌落到預(yù)編程動(dòng)作點(diǎn)VTP以下時(shí)，RST引腳被拉低，這將一直保持為低電平，直到電源電壓太低，以致不能維持電路運(yùn)行。當(dāng)電源電壓上升到VTP以上時(shí)，RST引腳將繼續(xù)保持低電平大約100 ms左右，以便在可靠的電壓水平提供足夠的復(fù)位時(shí)間，當(dāng)1OO ms時(shí)間到后，RST引腳將恢復(fù)弱上拉狀態(tài)，使系統(tǒng)復(fù)位?？撮T狗計(jì)數(shù)器同樣能產(chǎn)生一個(gè)有效復(fù)位信號(hào)，看門狗計(jì)數(shù)器是一個(gè)自由運(yùn)行可編程計(jì)數(shù)器，通過一個(gè)5 位非易失性寄存器，以100 ms步長(zhǎng)編程為100 ms～3 s周期，它有兩個(gè)控制位：看門狗使能WDE和看門狗復(fù)位控制位WR，只有看門狗使能并且計(jì)數(shù)器超時(shí)后，復(fù)位信號(hào)才有效。

2.3 買時(shí)時(shí)鐘操作

實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）可以用電池或者電容作為后備電源。實(shí)時(shí)時(shí)鐘包括一個(gè)晶振，時(shí)鐘分頻器和供用戶訪問的寄存器系統(tǒng)。它分割32.768 Hz的時(shí)基信號(hào)，以提供1 s的分辨率，靜態(tài)寄存器為用戶提供了對(duì)時(shí)間的讀寫訪問，寄存器包括秒、分鐘、小時(shí)、星期、月、年。時(shí)間寄存器通過位于00H中的R，W位與時(shí)間內(nèi)核同步，將R位從0改變?yōu)?時(shí)，時(shí)間信息從內(nèi)核轉(zhuǎn)入保持寄存器中，以供用戶讀取，R位用于讀時(shí)間。設(shè)置位W為1將使用戶寄存器凍結(jié)，將它清除為0，使得用戶寄存器中的值被裝載進(jìn)時(shí)間內(nèi)核。W位用于設(shè)置新的時(shí)間值，用戶必須確保不將非法值寫入寄存器，除了寄存器被凍結(jié)期間以外，時(shí)間值可以被連續(xù)更新。

2.4 時(shí)鐘校準(zhǔn)

當(dāng)寄存器00H中的CAL位設(shè)置為1時(shí)，時(shí)鐘進(jìn)入校準(zhǔn)模式。當(dāng)進(jìn)入校準(zhǔn)模式后，CAL／PFO輸出管腳用于校準(zhǔn)功能，比較器輸出暫時(shí)無效。時(shí)鐘校準(zhǔn)操作是通過晶振偏移對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)修正進(jìn)行的。在CAL模式，CAL／PFO管腳輸出512 Hz的方波，任何有規(guī)律的偏離512 Hz的頻率誤差都被轉(zhuǎn)換為時(shí)鐘誤差，用戶將此誤差轉(zhuǎn)換為PPM格式，并將適當(dāng)?shù)男拚祵懭胄?zhǔn)寄存器。正PPM誤差需要負(fù)調(diào)整，以減少脈沖；負(fù)PPM誤差需要正調(diào)整，以增加脈沖。正PPM調(diào)整需要將CALS位設(shè)置為1，負(fù)PPM調(diào)整將CLAS位設(shè)置為0。校準(zhǔn)后，在校準(zhǔn)溫度下時(shí)鐘的最高精度可以達(dá)到±2.17PPM或者每月±0.09分鐘。校準(zhǔn)設(shè)置存儲(chǔ)在FRAM中，設(shè)置值位于寄存器01H 的CA L.4-0，此值僅在CAL位設(shè)置為1時(shí)才可以進(jìn)行寫入，為了退出校準(zhǔn)模式，用戶必須將CAL位設(shè)置為0，此時(shí)CAL／PFO管腳恢復(fù)比較輸出功能。

2.5 事件計(jì)數(shù)器

FM3164有2個(gè)后備電池支持的16位事件計(jì)數(shù)器（或1個(gè)32位的事件計(jì)數(shù)器），位于寄存器0DH～1OH中。CIN1和CIN2是事件計(jì)數(shù)器信號(hào)輸入端，計(jì)數(shù)采用可編程邊沿觸發(fā)方式，若0CH地址的C1P位置1，則CIN1采用上升沿觸發(fā)，否則采用下降沿觸發(fā)。C2P控制CIN2。

3 FM3164的工作過程

FM3164作為從機(jī)，集成了兩個(gè)功能不同的部件，每個(gè)部件都可以被獨(dú)立訪問。一個(gè)是存儲(chǔ)器，訪問時(shí)從機(jī)地址的位7～4必須被設(shè)置為1010B；若要訪問實(shí)時(shí)時(shí)鐘／處理器等，則從機(jī)地址的位7～4必須被設(shè)置為1101B。該器件采用二線制的I2C接口，二線協(xié)議由SDA和SCL兩個(gè)引腳的狀態(tài)確定。共有四種狀態(tài)：開始、停止、數(shù)據(jù)傳輸及應(yīng)答。

FM3164嚴(yán)格按I2C總線的時(shí)序和數(shù)據(jù)格式操作，其訪問操作過程可描述為如下步驟：?jiǎn)?dòng)→從機(jī)地址→應(yīng)答→目標(biāo)地址→應(yīng)答→（啟動(dòng)→從機(jī)地址→應(yīng)答）→數(shù)據(jù)（單或多字節(jié)）→應(yīng)答→停止（從機(jī)地址中包含了讀寫命令，括號(hào)中的步驟為當(dāng)前地址讀和連續(xù)地址讀命令所特有的）。

4 FM3164在火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警控制器中的應(yīng)用

在現(xiàn)代大中型城市的高層建筑、公共場(chǎng)所、地下設(shè)施、現(xiàn)代化廠區(qū)等重要建筑和設(shè)施的建設(shè)和管理中，國(guó)家消防規(guī)范要求都必須安裝獨(dú)立的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)?；馂?zāi)報(bào)警系統(tǒng)快速、安全、可靠、準(zhǔn)確地運(yùn)行至關(guān)重要。時(shí)鐘器件和信息存儲(chǔ)器作為報(bào)警主機(jī)中最為關(guān)鍵的部分，如果采用當(dāng)前最新工藝技術(shù)的鐵電非易失性存儲(chǔ)器FM3164，則可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警信息的快速存儲(chǔ)功能和保證準(zhǔn)確的系統(tǒng)時(shí)間。

5 結(jié)束語

本文詳細(xì)全面地介紹了FM3164系列芯片鐵電存儲(chǔ)器的功能原理和使用方法，給出了通用的硬件電路和部分控制程序。FM3164系列芯片以其強(qiáng)大的功能和性能代替普通的串行存儲(chǔ)器和時(shí)鐘芯片，將在嵌入式控制系統(tǒng)中越來越多地被采用。