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铁电存储器FM24C16原理及其在多MCU系统中的应用
摘 要：FM24C16是以铁电晶体为材料生产的铁电存储器（FRAM），和一般的EEPROM比较，其具有无写延时、超低功耗、无限次写入等超级特性，特别适合在那些对写入时间和次数有较高要求的应用场合，而且其与单片机接口电路简单，应用方便。本文对FM24C16的工作原理、应用电路及应用程序做了比较详细的介绍。
关键词：铁电晶体；铁电存储器；非易失性；无写延时
1 铁电存储器技术原理、特性及应用
铁电存储器（FRAM）的核心技术是铁电晶体材料。这一特殊材料使铁电存储器同时拥有随机存取**体（RAM）和非易失性存储器的特性。铁电晶体的工作原理是：当在铁电晶体材料上加入电场，晶体中的中心原子会沿着电场方向运动，达到稳定状态。晶体中的每个自由浮动的中心原子只有2个稳定状态，一个记为逻辑中的0，另一个记为1。中心原子能在常温、没有电场的情况下，停留在此状态达100年以上。铁电存储器不需要定时刷新，能在断电情况下保存数据。由于整个物理过程中没有任何原子碰撞，铁电存储器有高速读写、超低功耗和无限次写入等特性。
铁电存储器和E2PROM比较起来，主要有以下优点：
（1）FRAM可以以总线速度写入数据，而且在写入后不需要任何延时等待，而E2PROM在写入后一般要5～10 ms的等待数据写入时间；
（2）FRAM有近乎无限次写入寿命。一般E2PROM的寿命在十万到一百万次写入时，而新一代的铁电存储器已经达到一亿个亿次的写入寿命。
（3）E2PROM的慢速和大电流写入使其需要高出FRAM 2 500倍的能量去写入每个字节。
由于FRAM有以上优点，其特别适合于那些对数据采集、写入时间要求很高的场合，而不会出现数据丢失，其可靠的存储能力也让我们可以放心的把一些重要资料存储于其中，其近乎无限次写入的使用寿命，使得他很适合担当重要系统里的暂存**体，用来在子系统之间传输各种数据，供各个子系统频繁读写。从FRAM问世以来，凭借其各种优点，已经被广泛应用于仪器仪表、航空航天、工业控制系统、网络设备、自动取款机等。
在设计的碳控仪系统中，由于对控制碳势适时性的要求较高，而且系统由2个子系统构成，每个子系统都要频繁读写存储器，所以我们把原来的X25045换成FM24C16以满足要求。如图1及表1所示。
FM24C16是串行非易失存储器，存储容量为2 048×8 b，共分8页，每页256 B；工作电压为＋5 V；接口方式为工业标准的2线接口：SDA和SCL；功能操作和串行E2PROM相似，有读和写两种操作状态，读、写时序和I2C总线类似。
FM24C16的写操作可以分为2种：字节写和页面写。字节写就是每次写入单个字节，页面写可以一次写入整页（256 B）的数据。而且，由于没有写延时，数据写入速度很快（一般为μs级），特别是在页面写的时候，不需要数据缓冲，可以一次写入256 B的数据，真正实现页面写，这是其他E2PROM做不到的，比如AT24C16，在页面写的时候，每次最多能写入16 B数据。
FM24C16的写操作时序中可分为起始位（START）、数据位、从应答位、停止位（STOP），其中，从应答位（因为FM24C16为从器件，MCU为主器件，所以称为从应答）是FM24C16在每接收一个字节数据后发出的应答信号，是检验数据写入是否成功的惟一标志。写入过程为：MCU通过SDA，SCL发出起始位，然后从SDA输出从器件固定地址位：1010，再输出3 b页选择位（选择写入数据到FM24C16的哪一页），再输出写控制位0（读为1，写为0），然后接收来自FM24C16的从应答位，如果没有收到从应答，则退出操作。在接收到从应答后，MCU从SDA串行输出8位FM24C16字节地址以确定写入数据的字节单元，并在收到从应答后发送1 b数据写入到FM24C16，然后等待从应答信号确认数据写入成功。如果是字节写，则由MCU发出停止位，结束写操作。如果是页面写，MCU输出第2个字节数据，FM24C16判断出MCU要继续写入数据后，自动使其内部的地址指针加1，并把数据写入到加1后的字节单元，然后给出从应答，MCU就继续写入数据到FM24C16。页面写操作时，当地址指针到7FH（页尾地址）单元的时候，在下一个写入周期时自动翻转到00H，写入的数据覆盖掉00H单元原来的数据。
具体写操作时序图和后面的读操作时序图比较繁琐，在这里不给出，如果需要，可以登录到Ramtron公司网站：http：／／www．Ramtron．com查阅技术资料，或者登录到其在大陆的代理商网站：http：／／www．ramtron．com．cn／china／product／data．asp去查阅技术资料，也可以仿I2C总线时序图。
FM24C16读操作比写操作较为复杂，相应也可以分为2种：字节读和页面读，相应于字节写和页面写，两种读的功能也是单字节和整页的区别。读操作的另一种分法可分为：立即读和任意读（包括连续读），其区别在于立即读是在写入数据后马上读数，而任意读和连续读则是随时读，所以，在他们操作时，必须先执行伪写，然后再读数。所谓伪写，是指执行写操作到写入数据之前，其目的是确定要读出的字节单元地址。下面对任意读的操作过程给予说明：执行写操作到写入数据前，也就是在收到输入字节单元地址后的从应答后，MCU再发送起始位，然后发送从器件固定地址（1010）、3 b页选择位和读控制位1，在收到从应答后，MCU从FM24C16里面读出1 B的数据。如果只读1 B的数据，则MCU发送一个无需应答信号，然后发送停止位结束读操作。如果是页面读，MCU就发一个主应答信号，继续读下一个字节数据，直到读出最后一个字节数据后，MCU发出无需应答信号和停止位结束读操作。
在对FM24C16进行读、写操作的过程中，应该注意以下2个问题：
（1）时序问题，这主要是指SDA，SCL的高低电平的时序。如果在读、写过程中时序不对或者不稳定，都会引起读、写失败，所以为了保证稳定，可以在程序中适当加入NOP语句延时，但不要过多，以免影响读、写速度。
（2）SDA数据只能在SCL为低期间变化，在SCL82为高期间，SDA数据要保持不变，否则会被错误地认为是控制位而不是数据位，导致读、写失败。
3 应用接口及程序
FM24C16与单片机接口电路非常简单，下面以碳控仪系统中的应用为例给予说明，并给出部分子程序。应用接口图如图2所示，系统中采用2片AT89C55单片机，用其P2．0和P2．1口与SDA，SCL相连接，在SDA和SCL引脚接1．8 kΩ的上拉电阻到＋5 V，工作电源也为＋5 V，WP引脚接电源地以保证可以任意写入数据。2片AT89C55用P1．0，P1．1作为通讯口，来确定谁操作FM24C16：片1操作前，检测P1．0口，如果为高，则置低P1．1口，向片2发出占用FM24C16信号，然后再检测P1．0口，还为高，则进入操作，若为低，则退出操作并把P1．1口置高；如果P1．0口为低，则说明片2占用FM24C16，片1就放弃操作，等待下次查询和操作。片2的操作相对应于片1。这样，FM24C16不仅作为了公共数据区，而且也成为了2片MCU的一个模拟的通讯口，而且理论上来说，1片FM24C16上可以挂很多MCU，而可以省去不必要的MCU间的通讯。这就需要FM24C16承受快速、频繁读写，这是其他E2PROM望尘莫及的。
下面给出FM24C16的页面写和任意字节读汇编子程序。程序经过应用验证，效果良好（为保证稳定性，可以在相应地方加入空语句以延时）。
页面写子程序：
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