基于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)方案設(shè)計(jì)

杜志強(qiáng) ，李翠玲 ，白錫莉

(1.河北工業(yè)大學(xué)電工廠，天津 300130；2.河北工業(yè)大學(xué) 電氣學(xué)院，天津 300130)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)不斷發(fā)展和CAN總線等現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的日益完善，勵(lì)磁控制系統(tǒng)逐步向分布式現(xiàn)場(chǎng)總線方向發(fā)展。本設(shè)計(jì)所研究的勵(lì)磁系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄及參數(shù)顯示模塊，既是發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制部分的重要部分，也是勵(lì)磁控制系統(tǒng)體現(xiàn)控制分散、信息集中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，用以實(shí)現(xiàn)完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示、便捷的參數(shù)修改及故障錄波。本系統(tǒng)采用鐵電存儲(chǔ)器和磁電阻隨機(jī)存儲(chǔ)器[1]，可大容量支持掉電保存的存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)故障時(shí)的開關(guān)量和模擬量，用于故障顯示和分析。

1 鐵電存儲(chǔ)器

1.1 存儲(chǔ)器基本工作原理

當(dāng)一個(gè)電場(chǎng)被加到鐵電晶體時(shí)，中心原子順著電場(chǎng)方向在晶體里移動(dòng)。并通過能量壁壘，引起電荷擊穿。內(nèi)部電路感應(yīng)到電荷擊穿并設(shè)置存儲(chǔ)器。移去電場(chǎng)后，中心原子保持不動(dòng)，存儲(chǔ)器的狀態(tài)也得以保存。鐵電存儲(chǔ)器不需要定時(shí)更新，掉電后數(shù)據(jù)能夠繼續(xù)保存，速度快而且不容易寫壞。

1.2 鐵電存儲(chǔ)器的應(yīng)用

本系統(tǒng)采用的是Ramtron公司的 FM25L256，用來存儲(chǔ)時(shí)間標(biāo)簽和對(duì)應(yīng)的開關(guān)量。

FRAM可以像RAM一樣以總線速度完成讀寫操作，由于不是用電荷來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)而是工作在極化狀態(tài)，所以在寫入數(shù)據(jù)后無需等待，沒有寫操作延時(shí)，同時(shí)還可以像傳統(tǒng)非易失性存儲(chǔ)器一樣提供非易失性的存儲(chǔ)功能。可以保存數(shù)據(jù)達(dá)10年以上，使用起來更加簡(jiǎn)捷，提高了系統(tǒng)的可靠性。與高速RAM相同，支持幾乎無限次的讀寫循環(huán)操作。這些優(yōu)點(diǎn)使得將RAM的功能和ROM的技術(shù)結(jié)合在一個(gè)芯片中[2]。FM25L256的功能框圖如圖1所示，引腳功能表如表1所示。

1.3 SPI模塊的工作原理

FM25L256通過SPI總線與單片機(jī)相連。圖2給出了SPI總線接線圖。主機(jī)(單片機(jī))中的8位數(shù)據(jù)寄存器和從機(jī) (FM25L256)中的8位數(shù)據(jù)寄存器通過MOSI和MISO組成了一個(gè)16位分散式移位寄存器。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，數(shù)據(jù)同時(shí)以串行的方式輸入、輸出。根據(jù)主機(jī)提供的串行時(shí)鐘同步信號(hào)，數(shù)據(jù)通過兩條數(shù)據(jù)線在主機(jī)和從機(jī)之間循環(huán)移位，主機(jī)數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綇臋C(jī)的數(shù)據(jù)寄存器，而從機(jī)數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)的數(shù)據(jù)寄存器。SPI模塊就是用這種方式實(shí)現(xiàn)主機(jī)和從機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。

圖1 FM25L256的功能框圖

表1 FM25L256的引腳功能表

圖2 SPI總線接線圖

SPI接口的傳輸模式可以通過設(shè)置SPICR1中的CPOL和CPHA兩位來控制。支持模式0和模式3兩種模式，圖3給出了這兩種模式的時(shí)序。

圖3 SPI模式0和SPI模式3

1.4 SPI軟件程序設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，SPI工作在主機(jī)、模式3下。以下程序完成的內(nèi)容主要包括SPI初始化。

讀操作主要是訪問存儲(chǔ)在FM25L256中的數(shù)據(jù)，寫操作是把采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到FM25L256中的指定位置。SPI的讀寫操作具體過程如下所述：

(1)讀操作

首先判斷是否進(jìn)入讀操作函數(shù)。進(jìn)入后，讀狀態(tài)寄存器SPI0SR，判斷數(shù)據(jù)寄存器是否為空，空時(shí)發(fā)送讀數(shù)據(jù)命令。發(fā)送完畢后讀狀態(tài)寄存器SPI0SR，判斷數(shù)據(jù)寄存器是否為空，空時(shí)發(fā)送高位地址，直到發(fā)送完畢再讀狀態(tài)寄存器SPI0SR。判斷數(shù)據(jù)寄存器是否為空，空時(shí)發(fā)送低位地址，直到發(fā)送完畢再讀狀態(tài)寄存器SPI0SR。判斷數(shù)據(jù)寄存器是否為空，此時(shí)若為空，讀數(shù)據(jù)寄存器，此次讀操作完成。

(2)寫操作

首先判斷是否進(jìn)入寫操作函數(shù)。進(jìn)入后，讀狀態(tài)寄存器SPI0SR，判斷數(shù)據(jù)寄存器是否為空，空時(shí)發(fā)送寫使能命令。經(jīng)過延遲后讀狀態(tài)寄存器SPI0SR，判斷數(shù)據(jù)寄存器是否為空，空時(shí)發(fā)送高位地址，直到發(fā)送完畢再讀狀態(tài)寄存器SPI0SR。判斷數(shù)據(jù)寄存器是否為空，空時(shí)發(fā)送低位地址，直到發(fā)送完畢再讀狀態(tài)寄存器SPI0SR。判斷數(shù)據(jù)寄存器是否為空，此時(shí)若為空，發(fā)送數(shù)據(jù)，此次寫操作完成。

2 磁電阻隨機(jī)存儲(chǔ)器

2.1 磁電阻隨機(jī)存儲(chǔ)器原理介紹

MRAM是一種非易失性的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器。MRAM中每個(gè)存儲(chǔ)元件采用磁隧道結(jié)(MTJ)器件來進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。當(dāng)向MTJ施加偏壓時(shí)，被磁層極化的電子會(huì)通過一個(gè)稱為遂穿(Tunneling)的過程，穿透絕緣隔離層。當(dāng)自由層的磁矩與固定層平行時(shí)，MTJ器件具有低電阻；而當(dāng)自由層的磁矩方向與固定層反向平行(Anti-Parallel)時(shí)，則具有高電阻。隨著器件磁性狀態(tài)的改變，電阻也會(huì)變化，其數(shù)據(jù)作為一種磁性狀態(tài)(而不是電荷)存儲(chǔ)，并且通過測(cè)量電阻來感應(yīng)，不會(huì)干擾磁性狀態(tài)[3]。

2.2 磁電阻隨機(jī)存儲(chǔ)器的應(yīng)用

設(shè)計(jì)采用Freescale Semiconductor提供的磁電阻隨機(jī)存儲(chǔ)器MR2A16A，以存儲(chǔ)勵(lì)磁系統(tǒng)的各種電參量。引腳功能如表2所示。

2.3 外部擴(kuò)展總線

MCU與外部擴(kuò)展總線有關(guān)的引腳如表3所示。本設(shè)計(jì)采用獨(dú)立的 16位數(shù)據(jù)總線 DATA[15，0]和 18位地址總線ADDR [18，1]，外部擴(kuò)展的內(nèi)存映射地址為0x20_0000到0x27CFFF，共512 KB。MCU與MR2A16A的連接方式如圖4所示。

表2 MR2A16A引腳功能

表3 外部擴(kuò)展總線引腳

MCU通過以下步驟完成一次讀的操作：驅(qū)動(dòng)/CS1、驅(qū)動(dòng) ADDR、/UDS&/LDS、驅(qū)動(dòng)/RE、等待、從 DATA 線上讀取數(shù)據(jù)、恢復(fù)/RE、恢復(fù)/CS1及/UDS&/LDS。

編寫程序時(shí)只需將變量定義到外部地址，然后像對(duì)待普通變量一樣對(duì)外部變量進(jìn)行操作就可以完成在外部存儲(chǔ)器上的讀寫。

3 時(shí)間標(biāo)簽

沒有時(shí)間記錄的數(shù)據(jù)是不完整的。對(duì)于本系統(tǒng)來說，準(zhǔn)確、快速地存儲(chǔ)CAN總線上傳輸來的數(shù)據(jù)非常重要。本系統(tǒng)采用DS3234和MCU內(nèi)部的PIT一起記錄時(shí)間，同時(shí)可記錄數(shù)據(jù)傳輸來的時(shí)間，并精確到毫秒級(jí)[4]。

本模塊體現(xiàn)了勵(lì)磁控制系統(tǒng)向控制分散、信息集中發(fā)展的趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)所需的功能，即MCU分析所接收的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，判斷故障。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于鐵電存儲(chǔ)器或磁電阻隨機(jī)存儲(chǔ)器中，并加入毫秒級(jí)的時(shí)間標(biāo)簽。用戶可以隨時(shí)查看任意次故障的電壓等電參量的波形。

圖4 寬擴(kuò)展模式下外部存儲(chǔ)器的連線圖

本文所討論的設(shè)計(jì)方案已經(jīng)通過了實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，方案真實(shí)可行。所研究的對(duì)象不但適用于勵(lì)磁系統(tǒng)，而且可以應(yīng)用在其他工業(yè)控制領(lǐng)域，如各種儀器儀表、各種監(jiān)控系統(tǒng)等。只要對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容稍加修改，或者通過對(duì)各個(gè)模塊簡(jiǎn)單的組合就可以適用于多種系統(tǒng)中，令系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)用性和多用性。

[1]周志剛，王耘波，王華.鐵電存儲(chǔ)器研究進(jìn)展[J].信息記錄材料，2002，3(1).

[2]孫樹印.鐵電存儲(chǔ)器原理及應(yīng)用比較[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2004(9)：15-18.

[3]孟臣，李敏.高性能鐵電存儲(chǔ)器FM24C256及其在單片機(jī)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)，2003(1).

[4]賈文峰.人機(jī)界面設(shè)計(jì)研究[J].洛陽大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，14(4)：55-56.