基于SPI總線接口的FRAM設(shè)計

房健

摘要：文章的研究內(nèi)容是對數(shù)據(jù)讀取和存儲基于SPI總線接口的FRAM設(shè)計。文章采用了C8051F系列單片機作為微處理器，存儲芯片采用的是FM25V10芯片，并且都具有SPI總線接口，經(jīng)過多次實驗得出的結(jié)果是以SPI為總線接口的FRAM設(shè)計能夠滿足其要求，并且傳輸速度快。

關(guān)鍵詞：SPI總線；單片機；總線接口；FRAM設(shè)計

中圖分類號：TP333 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）14-0011-03

隨著科技的進步，電子技術(shù)的發(fā)展，在電子、工程控制、通信等行業(yè)內(nèi)，單片機的應用范圍也越來越廣，而它的外圍芯片接口應用也變得越來越重要。針對于一些記錄測控的數(shù)據(jù)，記錄通信的數(shù)據(jù)，都需要不掉電存儲方式，所以不掉電存儲也成為了控制系統(tǒng)中不可或缺的一個部分。在存儲芯片的發(fā)展過程中，有很多產(chǎn)品誕生，如E2PROM或閃速存儲作為存儲介質(zhì)，則速度較慢；在實時性要求較高的場合常采用電池支持的SRAM，它既有RAM的讀寫速度，又有ROM掉電數(shù)據(jù)不丟失的特性，但是電池支持的SRAM在實際使用過程中數(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成功解決了電池的問題，由于具有幾乎無限次數(shù)擦寫、高速讀寫、低功耗、數(shù)據(jù)能掉電保持等特點而廣泛地應用在各種控制系統(tǒng)中。本文采用C8051F單片機對FRAM芯片的讀寫操作，從而完成了對于系統(tǒng)的參數(shù)及數(shù)據(jù)保存功能。

1 C8051F單片機的SPI總線接口

C8051F單片機微處理器具有SPI接口，所以可以和FM25V10直接通過SPI總線進行連接，并且SPI總線的速度完全可以達到要求。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：串行時鐘線（CSK）、主機輸入/從機輸出數(shù)據(jù)線（MISO）、主機輸出/從機輸入數(shù)據(jù)線（MOSI）、低電平有效從機選擇線（CS）。當SPI工作時，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）。傳輸完一個字節(jié)之后，該字節(jié)便會進入到接收器件的移位寄存器中，這樣就可以完成了兩個器件之間的數(shù)據(jù)交換，SPI總線的主機的時鐘信號來確保本次傳輸?shù)耐剑擲PI被配置為主器件時，最大數(shù)據(jù)傳輸率（位/秒）是系統(tǒng)時鐘頻率的二分之一。當SPI被配置為從器件時，如果主器件與系統(tǒng)時鐘同步發(fā)出SCK、NSS和串行輸入數(shù)據(jù)，則全雙工操作時的最大數(shù)據(jù)傳輸率（位/秒）是系統(tǒng)時鐘頻率的十分之一。

2 FM25V10的工作原理及其特點

FRAM是靠材料特性來保存數(shù)據(jù)，這種材料并非磁性材料，所以從原理上講，磁場對數(shù)據(jù)是沒有影響的，在實際中，電場對數(shù)據(jù)也沒有影響，所以其抗干擾能力強。在復雜環(huán)境中可以記錄一些重要的數(shù)據(jù)，由于它的擦寫次數(shù)多，所以可以記錄每一個數(shù)據(jù)脈沖。

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

電路的工作環(huán)境會涉及到強電和弱點之間的轉(zhuǎn)換和一定的電磁干擾，設(shè)計選用Ramtron公司的FM系列鐵電存儲器。

FM25V10為2M位的非易失性鐵電隨機存儲器，結(jié)構(gòu)容量為256K×8位，無限次的讀寫次數(shù)，掉電數(shù)據(jù)保持10年，寫數(shù)據(jù)無延時，采用快速SPI串行協(xié)議，最高速度可以達到40M的總線速度。硬件上有完善的寫保護，同時軟件也可以進行寫保護。工作電壓：2.7～3.6V，靜態(tài)工作電流：5uA。

3 FRAM與C8051F單片機的SPI硬件設(shè)計

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NSS，/HOLD和/WP直接連接到高電平上，所以不進行硬件保護操作和暫停操作，硬件連接如圖1、單片機相應的端口分配如表1所示。

4 軟件流程及其程序的編寫

數(shù)據(jù)存儲及讀取模塊軟件的程序設(shè)計主要對象是鐵電存儲器FM25V10，通過對單片機內(nèi)部集成的A/D采集模塊進行數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)進行實時的存儲在鐵電存儲器FM25V10中，并且在存儲結(jié)束后將數(shù)據(jù)讀取出來，通過通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸給上位機。

數(shù)據(jù)的存儲及讀取過程中是通過SPI總線方式進行傳輸?shù)?，該方式可以有效地對?shù)據(jù)進行快速、準確的存儲及讀取。C8051F單片機中的SPI提供了一個靈活的四線全雙工串行總線，SPI所使用的4個信號分別是：MOSI、MISO、SCK、NSS。

該程序的編寫主要分為兩部分：一部分是對FM25V10的數(shù)據(jù)存儲程序的編寫；另一部分是對FM25V10的數(shù)據(jù)讀取程序的編寫。在對FM25V10的操作過程中，我們要根據(jù)FM25V10手冊中所提供的操作碼來操作，而且還要根據(jù)手冊中提供的程序時序圖來編寫程序。表2是FM25V10手冊所提供的操作碼。

對于軟件的編程之前，首先要把要編寫程序的基本流程畫出來，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，包含了三個方面：數(shù)據(jù)的寫入、數(shù)據(jù)的讀取、地址的自動加一。

（1）將R0數(shù)據(jù)寫入到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

通過對硬件電路進行設(shè)計及相對應的軟件編程實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲和讀取功能，完成了基于SPI串口總線的單片機對FRAM存儲芯片的讀寫操作，完成了實時參數(shù)及其數(shù)據(jù)保存功能，通過實驗可以說明數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定可靠。由于FM25V10存儲芯片具有重復擦寫、非易失性等特點，所以目前采用SPI總線接口的芯片越來越多，在儀器儀表、工業(yè)控制、數(shù)字家電等方面普遍得到應用。本文采用的C5051F單片機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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（責任編輯：周加轉(zhuǎn)）