基于铁电存储器的温度记录仪系统的软硬件设计

1、引言

高温测试仪主要用于加热过程中的温度跟踪测量和数据采集，通过对测试数据进行系统分析，研究炉内的温度分布和温差变化规律，分析影响加热质量的主要因素，对加热炉加热过程和加热制度进行优化，提高加热质量，降低燃料消耗。

而在一些收集存储数据的系统，系统的电压可能变化不定或者突然断电，FM20L08就是针对这些系统可以用来直接替换异步静态存储器（SRAM）而设计的存储器，也是Ramtron现有的最大容量的铁电存储器（FRAM），能够进行无限次的读写操作。 使用FM20L08能够极大的节约电路板空间。使用FM20L08存储器的温度测试仪，兼具大容量数据存储、抗冲击、抗干扰、数据断电不丢失、实时采集速度高的特点。

2、铁电存储器（ FRAM）与FM20L08

2.1 铁电存储器介绍

FRAM是Ramtron公司近年推出的一款掉电不挥发存储器，它结合了高性能和低功耗操作，能在没有电源的情况下保存数据。FRAM存储器技术的核心技术是铁电晶体材料。这一特殊材料使得铁电存储产品同时拥有随机存取存储器（RAM）和非易失性存储产品的特性。铁电晶体材料的工作原理是：当把电场加到铁电晶体材料上，晶阵中的中心原子会沿着电场方向运动，到达稳定状态。晶阵中的每个自由浮动的中心原子只有两个稳定状态。一个用来记忆逻辑中的０，另一个记忆１。中心原子能在常温、没有电场的情况下停留在此状态达一百年以上。铁电存储器不需要定时刷新，能在断电情况下保存数据。由于在整个物理过程中没有任何原子碰撞， FRAM拥有高速读写、超低功耗和无限次写入等超级特性。

2.2 FM20L08特点与引脚功能

FM20L08是Ramtron公司近年推出的一款存储容量为128×8bits FRAM，其读写操作与标准 SRAM 相同。主要特点如下：3.3V单电源供电；并行接口；提供SOIC和DIP两种封装；功耗低，静态电流小于10μA，读写电流小于15mA；非挥发性，掉电后数据能保存10年；访问进入时间为 60 ns。高速的页模式操作总线速度最高可达到 33MHz，4 字节脉冲；写操作无延时，读写无限次；可满足工业温度 （-40℃ 到 +85℃）。

FM20L08的引脚排列如图1所示。各引脚功能如下：

CE1/CE2：片选端；

WE：写使能端；

OE：输出使能端口；

A0～A16：地址端；

DQ0～DQ7 ：数据端；

VDD：电源；

VSS：接地端。

图1 FM20L08引脚图

图2 温度记录仪原理框图

3、 温度记录仪系统硬件组成

采用内含多路开关、A/D转换器、电压参考源的16位单片机CPU形成16通道低功耗温度记录仪［2］。RC组成的滤波电路滤掉热电偶信号中的干扰信号，经八选一多路开关输入至运算放大器放大到适当电平，再输入至CPU 进行A/ D 采样，经数值转换和线性化后存贮至FRAM存贮器中。在整个测量结束后，由通信接口与PC 机相连，将数据传送给PC 机做进一步的分析和处理。电源部分则由低功耗低压差稳压电路和滤波电路组成，系统提供3.3 V 的工作电源。温度记录仪各零部件均选用工业级，使工作温度在- 45～85 ℃之间正常运行。图2为温度记录仪原理框图。

FM20L08FRAM与一般的SRAM在使用过程中有所差别。FM20L08在 为低电平CE2为高电平时被选中，每一次访问都必须确保 的由高向低的跃变。由于铁电存储器使用的技术比较特殊，在操作过程中有预充电过程。预充电操作是为新访问记忆体的一个内部条件，所有记忆体周期包括记忆体访问和预充电，预充电是由 引脚为高电平开始，它必须保持高电平至少为一特定的最小时间。

4、 温度记录仪系统软件设计

程序分为主程序、数据采集程序、USB通讯程序［3］。工作过程为： 记录仪首先加电压， 通过外部信号进行中断， 使单片机进入数据采集的子程序并循环，达到定时时间后， 停止采集，退出子程序， 进入主循环， 等待串口信号外部触发， 从而进入数据传输子程序， 将数据通过串口送入PC 机，图3为温度记录仪程序流程图。

图3 温度记录仪程序流程图

5、抗干扰措施

5.1 硬件抗干扰

为防止记录仪在回收并重新上电以后， AD的误操作将存储器中的数据冲掉，应考虑从硬件设计上排除这种可能性， 最根本的方法是从硬件上断开与采集模块的连接。

5.2 软件抗干扰

单片机受干扰信号作用时， 将使系统失控， 最典型的就是PC 的状态值。它的修改将导致两种主要的软件非正常工作形式：“程序跑飞”和“死循环”， 为此在设计上采用了三种抗干扰方法：（1） 指令冗余技术。指令由操作码和操作数组成，操作码指明CPU要完成什么样的操作，而操作数是操作码的对象。单字节指令只有操作码，隐含操作数；双字节指令，第一个字节是操作码，第二个字节是操作数；三字节指令第一个字节是操作码，后二个字节是操作数。CPU在取指令的时候是先取操作码再取操作数，如何判断是操作码还是操作数就是通过取指令的顺序。而取指令的顺序完全由指令计数器PC来控制，因此，一旦PC受干扰出现错误程序便会脱离正常轨道，出现“乱飞”，这样就会出现把操作数当作操作码，或者把操作码当作操作数的情况。但只要PC指针落在单字节指令上程序就可纳入正轨，所以为了快速将程序纳入正轨，应该多用单字节指令，并在关键的地方人为插入一些单字节指令NOP，或将有效的单字节指令重写，这就称之为指令冗余。常用的方法就是在一些双字节、三字节指令后面插入两个单字节指令NOP，或在一些对程序的流向起决定作用的指令前面插入两条NOP指令。还可对一些重要的指令进行重复放置。但采用指令冗余技术将程序纳入正轨的条件是：乱飞的PC必须指向程序运行区。 （2） 看门狗技术［4］。 专用硬件看门狗是指一些集成化的或集成在单片机内的专用看门狗电路，实际上它是一个特殊的定时器，当定时时间到时发出溢出脉冲。从实现角度上看，该方式是一种软件与外部专用电路相结合的技术，硬件电路连接好以后，在程序中适当地插入一些看门狗复位指令，保证程序正常运行时看门狗不溢出；而当程序运行异常时，看门狗超时发出溢出脉冲，并通过单片机的RESET引脚使单片机复位。 （3） 软件陷阱技术。当乱飞的程序进入非程序区的时候，就可设定软件陷阱对乱飞的程序进行拦截从而将程序引向一个固定的位置。这样就可将捕获的程序重新纳入正轨。软件陷阱主要就是把程序重新引入它的复位入口处，也就是说在适当的地方设置这样的指令：

NOP

NOP

LJMP 0000H

软件陷阱主要安排在这样一些区域：未使用的中断区、未使用的EPROM空间及非EPROM空间、程序运行区及中断服务程序区。

5、 结语

铁电存储器作为新一代非易失性记忆体， 无论其写入速度还是数据的安全性都可以得到很好的保证，已经在国外的地铁系统、抄表系统及IT等各种行业中得到广泛的应用。文章设计的温度记录仪，除具有抗过载冲击、抗干扰、数据断电不丢失的特点外，并具有实时采集速度要求很高，存储容量大的特点。它的实际应用具有军用和商用价值，能获得较高的经济效益。