鐵電存儲(chǔ)器在存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用

張毅，申川

（中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所 四川 綿陽(yáng) 621900）

環(huán)境試驗(yàn)中采用的存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)是將數(shù)據(jù)采集、信號(hào)調(diào)理及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)3部分集成于小型記錄儀中，置入到被測(cè)試件體內(nèi)與被測(cè)試件一起進(jìn)行跌落等高撞擊環(huán)境試驗(yàn)，實(shí)時(shí)完成信息的快速采集與記憶，試后回收記錄儀，由計(jì)算機(jī)處理和再現(xiàn)加速度時(shí)間歷程曲線的一種動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)。

為實(shí)現(xiàn)雙通道200 ksps同步采樣，存儲(chǔ)時(shí)間10 s的存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于16位高速轉(zhuǎn)換器AD7654、非易失性高速并行FRAM存儲(chǔ)器M28W640和C8051F340的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)電路，文中主要介紹了存儲(chǔ)器與C8051F340的接口電路及相應(yīng)的讀寫中斷服務(wù)程序。

1 高速并行FRAM存儲(chǔ)器的主要特點(diǎn)及功能

在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)上，分析研究了多種存儲(chǔ)介質(zhì)的特性后，采用了非易失性高速并行FRAM存儲(chǔ)器M28W640。

美國(guó)Ramtron公司鐵電存儲(chǔ)器（FRAM）的核心技術(shù)是鐵電晶體材料，這一特殊材料使鐵電存儲(chǔ)器同時(shí)擁有隨機(jī)存取記憶體（RAM）和非易失性存儲(chǔ)器的特性，所以不需要定時(shí)刷新，能在斷電情況下長(zhǎng)期保存數(shù)據(jù)，具有高速讀寫、超低功耗和無(wú)限次寫入等特性，并且溫度特性優(yōu)越，抗輻射能力強(qiáng)，特別適合在航天軍工領(lǐng)域中使用[1－3]。

M28W640的主要特點(diǎn)是：64 Mbit鐵電非易失性隨機(jī)，結(jié)構(gòu)為4 Mbit×16位；頁(yè)操作模式達(dá)到40 MHz；無(wú)限次的讀寫次數(shù)，寫數(shù)據(jù)無(wú)延時(shí)；與SRAM兼容；低功耗操作；工作電壓:2.6～3.6 V，待機(jī)電流 18 mA，其管腳主要功能如表 1 所示。

表1 管腳功能Tab.1 Function of electron tubes

M28W640通過6種標(biāo)準(zhǔn)的總線操作來控制，即總線讀（Read）、 總 線 寫 （Write）、 輸 出 禁 止 （Output disable）， 待 命（Standby），待命和復(fù)位（Standby and reset）。 文中簡(jiǎn)要介紹前兩者。

總線讀操作用于將存儲(chǔ)陣列中的內(nèi)容讀出來，為了執(zhí)行讀操作，片選E和輸出使能G都必須為低電平。片選E應(yīng)被用于使能芯片，而輸出使能G應(yīng)用于將數(shù)據(jù)導(dǎo)出。讀數(shù)據(jù)依靠以前寫入存儲(chǔ)器的命令，見圖1的波形圖，當(dāng)離開復(fù)位態(tài)或在加電后，寫模式是芯片默認(rèn)狀態(tài)；總線寫操作是將命令寫入存儲(chǔ)器或者將輸入的數(shù)據(jù)鎖存。當(dāng)片選E和寫使能W都處于低電平，且輸出使能G高電平時(shí)，寫操作被激活。無(wú)論誰(shuí)先出現(xiàn)，當(dāng)遇見寫使能W或片選E的上升沿時(shí)，命令、輸入數(shù)據(jù)和地址被鎖存住。見圖2（E控制）。

圖1 讀波形Fig.1 Read AC waveforms

圖2 寫波形，片選控制Fig.2 Write AC waveforms， chip enable controlled

2 接口電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)上首先需要考慮的是系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性，其次是小型化、多功能集成化。為此采用了帶ADC和USB接口控件的Cygnal C8051F系列集成SOC混合信號(hào)片上系統(tǒng)C8051F340對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行邏輯時(shí)序控制，其具有高速、低功耗、集成度高、體積小，低功耗的特點(diǎn)。C8051F340使用Silicon Labs的專利CIP－51微控制器內(nèi)核，與MCS－51指令集完全兼容，具有標(biāo)準(zhǔn)8052的所有外設(shè)部件，包括4個(gè)16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、兩個(gè)具有擴(kuò)展波特率配置的全雙工UART、一個(gè)增強(qiáng)型SPI端口、多達(dá)4 352字節(jié)的內(nèi)部RAM、128字節(jié)特殊功能寄存器（SFR）地址空間及多達(dá)40個(gè)I/O引腳。

接口電路如圖3所示，其中P0口分配給16 bit的AD轉(zhuǎn)換器及鎖存器的控制端。P1.0～P1.7連接8位數(shù)據(jù)端口，上位機(jī)通過P1口讀寫存儲(chǔ)器；系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雙通道200 ksps采樣10 s，且16位分辨率的 AD轉(zhuǎn)換， 需 22根地址線占用 P2.0～P4.5口，用來給4 MW的外存儲(chǔ)器尋址。P4.7、P4.6接 M28W640的片選E和輸出使能G，存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)輸入端口DQ1～DQ15直接與AD轉(zhuǎn)換器的輸出D0～D15連接，系統(tǒng)采用上電立即開始轉(zhuǎn)換并將采樣結(jié)果直接寫入存儲(chǔ)器的方式，這里不詳細(xì)敘述

[4]。

由于存儲(chǔ)器采用4 Mbit×16位的存儲(chǔ)模式，而數(shù)據(jù)總線端口P1僅8位，所以當(dāng)上位機(jī)讀寫外存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)時(shí)，都需要一個(gè)8 bit數(shù)據(jù)鎖存器[5－6]。選用74HC373低噪聲高速鎖存器，當(dāng)鎖存使能LE為高電平時(shí)，在D0～D7端的數(shù)據(jù)進(jìn)入鎖存器中D型觸發(fā)器，此時(shí)觸發(fā)器中數(shù)據(jù)隨輸入數(shù)據(jù)的變化而變化，但當(dāng)LE變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，將LE的下降沿時(shí)的數(shù)據(jù)鎖存住，此時(shí)鎖存器中數(shù)據(jù)不再變化。當(dāng)OE變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，將鎖存的8位數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)總線上。如圖，P0.4接鎖存器D12的輸出使能端 OE1，P0.3接鎖存器 D13的輸出使能端 OE2，D13鎖存器的輸入使能端LE2與M28W640的輸出使能端G相連，D12鎖存器的輸入使能端LE1與M28W640的寫使能端W相連。

3 讀寫程序

外存寫函數(shù)，用于將采樣參數(shù)設(shè)置等數(shù)據(jù)寫入外存儲(chǔ)器。將16 bit數(shù)據(jù)通過8位數(shù)據(jù)線傳輸?shù)酱鎯?chǔ)器，需要通過D13鎖存器先將高位字節(jié)鎖存再和低位字節(jié)一起送入外存儲(chǔ)器中，部分程序如下：

圖3 接口電路Fig.3 Circuit of interface

外存讀函數(shù)，用于將外存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)回讀到上位機(jī)。P1口接M28W640的低位數(shù)據(jù) DQ0～DQ7，M28W640的高位數(shù)據(jù)DQ8～DQ15通過鎖存器D12再接到P1口。這樣先將M28W640輸出的高字節(jié)鎖存進(jìn)D12，在低字節(jié)讀出后再讀出高字節(jié)。

4 結(jié)束語(yǔ)

存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)在環(huán)境試驗(yàn)的某些特殊場(chǎng)合使用，可以避免使用測(cè)量導(dǎo)線帶來的不便，采用鐵電存儲(chǔ)器作為存儲(chǔ)元器件，能夠快速準(zhǔn)確地記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且長(zhǎng)時(shí)間保存存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，延長(zhǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄儀的使用壽命。同時(shí)，鐵電存儲(chǔ)器可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件編程，降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)的可靠性。

[1]趙添，張英杰，任思穎.淺談航天領(lǐng)域中的鐵電存儲(chǔ)器[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010，36:11.ZHAO Tian，ZHANG Ying-jie，REN Si-ying.The discuss of FRAM in aerospace engineering[J].Science and Technology Consulting Herald， 2010，36:11.

[2]SheikholeslamiA， Gulak P G.A survey ofcircuit innovations in ferroelectric random access memories[J].Proceedings of the IEEE，2000，88（5）:667－689.

[3]Kim K，Song Y J.Integration technology for ferroelectric memory devices[J].Microelectronics Reliability，2003，43（3）:385－398.

[4]劉航，張玉紅.串行鐵電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在智能配電箱中的應(yīng)用[J].吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，27（4）:57－59.LIU Hang，ZHANG Yun-hong.The application ofserial ferroelectric RAM to intelligent distributing box[J].Journal of Jilin Architectural and Civil Engineering，2010，27（4）:57－59.

[5]林春平，張興龍.鐵電存儲(chǔ)器在機(jī)艙油氣濃度數(shù)據(jù)記錄儀的應(yīng)用[J].中國(guó)航海，2010，33（1）:30－34.LIN Chun-ping，ZHANG Xing-long.Application of FRAM in engine room oil gas data-logger[J].Navigation of China，2010，33（1）：30－34.

[6]周欣，鐵電存儲(chǔ)器FRAM在風(fēng)速儀中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（3）:62－64.ZHOU Xin.Application of FRAM using SPI in anemoscope[J].Journal of Electrical & Electronic Engineering Education，2009，31（3）:62－64.