基于SPI總線接口的FRAM設(shè)計(jì)

房健

摘要：文章的研究?jī)?nèi)容是對(duì)數(shù)據(jù)讀取和存儲(chǔ)基于SPI總線接口的FRAM設(shè)計(jì)。文章采用了C8051F系列單片機(jī)作為微處理器，存儲(chǔ)芯片采用的是FM25V10芯片，并且都具有SPI總線接口，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果是以SPI為總線接口的FRAM設(shè)計(jì)能夠滿足其要求，并且傳輸速度快。

關(guān)鍵詞：SPI總線；單片機(jī)；總線接口；FRAM設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP333 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）14-0011-03

隨著科技的進(jìn)步，電子技術(shù)的發(fā)展，在電子、工程控制、通信等行業(yè)內(nèi)，單片機(jī)的應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣，而它的外圍芯片接口應(yīng)用也變得越來(lái)越重要。針對(duì)于一些記錄測(cè)控的數(shù)據(jù)，記錄通信的數(shù)據(jù)，都需要不掉電存儲(chǔ)方式，所以不掉電存儲(chǔ)也成為了控制系統(tǒng)中不可或缺的一個(gè)部分。在存儲(chǔ)芯片的發(fā)展過(guò)程中，有很多產(chǎn)品誕生，如E2PROM或閃速存儲(chǔ)作為存儲(chǔ)介質(zhì)，則速度較慢；在實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合常采用電池支持的SRAM，它既有RAM的讀寫(xiě)速度，又有ROM掉電數(shù)據(jù)不丟失的特性，但是電池支持的SRAM在實(shí)際使用過(guò)程中數(shù)據(jù)不可靠，容易丟失，且電池容易受到環(huán)境因數(shù)的影響；而RAMTRON公司研制的鐵電存儲(chǔ)成功解決了電池的問(wèn)題，由于具有幾乎無(wú)限次數(shù)擦寫(xiě)、高速讀寫(xiě)、低功耗、數(shù)據(jù)能掉電保持等特點(diǎn)而廣泛地應(yīng)用在各種控制系統(tǒng)中。本文采用C8051F單片機(jī)對(duì)FRAM芯片的讀寫(xiě)操作，從而完成了對(duì)于系統(tǒng)的參數(shù)及數(shù)據(jù)保存功能。

1 C8051F單片機(jī)的SPI總線接口

C8051F單片機(jī)微處理器具有SPI接口，所以可以和FM25V10直接通過(guò)SPI總線進(jìn)行連接，并且SPI總線的速度完全可以達(dá)到要求。SPI總線只需四條線就可以完成MCU與各種外圍器件的通訊，分別為：串行時(shí)鐘線（CSK）、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線（MISO）、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線（MOSI）、低電平有效從機(jī)選擇線（CS）。當(dāng)SPI工作時(shí)，在移位寄存器中的數(shù)據(jù)逐位從輸出引腳（MOSI）輸出（高位在前），同時(shí)從輸入引腳（MISO）接收的數(shù)據(jù)逐位移到移位寄存器（高位在前）。傳輸完一個(gè)字節(jié)之后，該字節(jié)便會(huì)進(jìn)入到接收器件的移位寄存器中，這樣就可以完成了兩個(gè)器件之間的數(shù)據(jù)交換，SPI總線的主機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)確保本次傳輸?shù)耐剑?dāng)SPI被配置為主器件時(shí)，最大數(shù)據(jù)傳輸率（位/秒）是系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的二分之一。當(dāng)SPI被配置為從器件時(shí)，如果主器件與系統(tǒng)時(shí)鐘同步發(fā)出SCK、NSS和串行輸入數(shù)據(jù)，則全雙工操作時(shí)的最大數(shù)據(jù)傳輸率（位/秒）是系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的十分之一。

2 FM25V10的工作原理及其特點(diǎn)

FRAM是靠材料特性來(lái)保存數(shù)據(jù)，這種材料并非磁性材料，所以從原理上講，磁場(chǎng)對(duì)數(shù)據(jù)是沒(méi)有影響的，在實(shí)際中，電場(chǎng)對(duì)數(shù)據(jù)也沒(méi)有影響，所以其抗干擾能力強(qiáng)。在復(fù)雜環(huán)境中可以記錄一些重要的數(shù)據(jù)，由于它的擦寫(xiě)次數(shù)多，所以可以記錄每一個(gè)數(shù)據(jù)脈沖。

鐵電存儲(chǔ)器FRAM的特點(diǎn)：（1）具有非易失性，掉電后數(shù)據(jù)可以保存45年左右；（2）擦寫(xiě)次數(shù)很多，5V供電的FRAM的擦寫(xiě)次數(shù)多達(dá)10000億次；（3）速度快，串口總線的FRAM的CLK的頻率最高可達(dá)20M，沒(méi)有等待寫(xiě)周期，并口的訪問(wèn)速度70ns；（4）功耗較低，靜態(tài)電流小于10uA，讀寫(xiě)電流小于150uA。

電路的工作環(huán)境會(huì)涉及到強(qiáng)電和弱點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)換和一定的電磁干擾，設(shè)計(jì)選用Ramtron公司的FM系列鐵電存儲(chǔ)器。

FM25V10為2M位的非易失性鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器，結(jié)構(gòu)容量為256K×8位，無(wú)限次的讀寫(xiě)次數(shù)，掉電數(shù)據(jù)保持10年，寫(xiě)數(shù)據(jù)無(wú)延時(shí)，采用快速SPI串行協(xié)議，最高速度可以達(dá)到40M的總線速度。硬件上有完善的寫(xiě)保護(hù)，同時(shí)軟件也可以進(jìn)行寫(xiě)保護(hù)。工作電壓：2.7～3.6V，靜態(tài)工作電流：5uA。

3 FRAM與C8051F單片機(jī)的SPI硬件設(shè)計(jì)

由于FM25V10與其他的SPI設(shè)備一樣，可以直接掛在SPI總線接口上，本文采用的是SPI的四線接口，因此需要額外的片選信號(hào)NSS，/HOLD和/WP直接連接到高電平上，所以不進(jìn)行硬件保護(hù)操作和暫停操作，硬件連接如圖1、單片機(jī)相應(yīng)的端口分配如表1所示。

4 軟件流程及其程序的編寫(xiě)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及讀取模塊軟件的程序設(shè)計(jì)主要對(duì)象是鐵電存儲(chǔ)器FM25V10，通過(guò)對(duì)單片機(jī)內(nèi)部集成的A/D采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的存儲(chǔ)在鐵電存儲(chǔ)器FM25V10中，并且在存儲(chǔ)結(jié)束后將數(shù)據(jù)讀取出來(lái)，通過(guò)通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。

數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及讀取過(guò)程中是通過(guò)SPI總線方式進(jìn)行傳輸?shù)?，該方式可以有效地?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的存儲(chǔ)及讀取。C8051F單片機(jī)中的SPI提供了一個(gè)靈活的四線全雙工串行總線，SPI所使用的4個(gè)信號(hào)分別是：MOSI、MISO、SCK、NSS。

該程序的編寫(xiě)主要分為兩部分：一部分是對(duì)FM25V10的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序的編寫(xiě)；另一部分是對(duì)FM25V10的數(shù)據(jù)讀取程序的編寫(xiě)。在對(duì)FM25V10的操作過(guò)程中，我們要根據(jù)FM25V10手冊(cè)中所提供的操作碼來(lái)操作，而且還要根據(jù)手冊(cè)中提供的程序時(shí)序圖來(lái)編寫(xiě)程序。表2是FM25V10手冊(cè)所提供的操作碼。

對(duì)于軟件的編程之前，首先要把要編寫(xiě)程序的基本流程畫(huà)出來(lái)，可以更清晰地了解程序的主要內(nèi)容及其工作流程，圖2就是本文中的讀寫(xiě)數(shù)據(jù)軟件流程。

下邊是用到的最基本的程序塊，包含了三個(gè)方面：數(shù)據(jù)的寫(xiě)入、數(shù)據(jù)的讀取、地址的自動(dòng)加一。

（1）將R0數(shù)據(jù)寫(xiě)入到SPI端口寄存器：

SPI_write：

CLR SPIF

MOV SPI0DAT，R0

JNB SPIF，$

CLR SPIF

RET

（2）讀取SPI端口寄存器中的數(shù)據(jù)到R0：

SPI_read：

CLR SPIF

MOV SPI0DAT，#00H

JNB SPIF，$

CLR SPIF

MOV R0，SPI0DAT

RET

（3）地址自動(dòng)加1：

DPTR_INC：

INC DPTR_LL

MOV A，#00H

CJNE A，DPTR_LL，DPTR_RET

INC DPTR_HL

MOV A，#00H

CJNE A，DPTR_HL，DPTR_RET

INC DPTR_HH

DPTR_RET：

RET

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)及相對(duì)應(yīng)的軟件編程實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取功能，完成了基于SPI串口總線的單片機(jī)對(duì)FRAM存儲(chǔ)芯片的讀寫(xiě)操作，完成了實(shí)時(shí)參數(shù)及其數(shù)據(jù)保存功能，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以說(shuō)明數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定可靠。由于FM25V10存儲(chǔ)芯片具有重復(fù)擦寫(xiě)、非易失性等特點(diǎn)，所以目前采用SPI總線接口的芯片越來(lái)越多，在儀器儀表、工業(yè)控制、數(shù)字家電等方面普遍得到應(yīng)用。本文采用的C5051F單片機(jī)SPI接口，該方法也可以適用于其他帶SPI接口電路的微處理器。

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（責(zé)任編輯：周加轉(zhuǎn)）