基於SPI總線接口的FRAM設計
研究設計
作者：房健
摘要：文章的研究內容是對數據讀取和存儲基於SPI總線接口的FRAM設計。文章采用了C8051F係列單片機作為微處理器，存儲芯片采用的是FM25V10芯片，並且都具有SPI總線接口，經過多次實驗得出的結果是以SPI為總線接口的FRAM設計能夠滿足其要求，並且傳輸速度快。
關鍵詞：SPI總線；單片機；總線接口；FRAM設計
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，電子技術的發展，在電子、工程控製、通信等行業內，單片機的應用範圍也越來越廣，而它的外圍芯片接口應用也變得越來越重要。針對於一些記錄測控的數據，記錄通信的數據，都需要不掉電存儲方式，所以不掉電存儲也成為了控製係統中不可或缺的一個部分。在存儲芯片的發展過程中，有很多產品誕生，如E2PROM或閃速存儲作為存儲介質，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掉電數據不丟失的特性，但是電池支持的SRAM在實際使用過程中數據不可靠，容易丟失，且電池容易受到環境因數的影響；而RAMTRON公司研製的鐵電存儲成功解決了電池的問題，由於具有幾乎無限次數擦寫、高速讀寫、低功耗、數據能掉電保持等特點而廣泛地應用在各種控製係統中。本文采用C8051F單片機對FRAM芯片的讀寫操作，從而完成了對於係統的參數及數據保存功能。
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，並且SPI總線的速度完全可以達到要求。SPI總線隻需四條線就可以完成MCU與各種外圍器件的通訊，分別為：串行時鍾線（CSK）、主機輸入/從機輸出數據線（MISO）、主機輸出/從機輸入數據線（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據逐位從輸出引腳（MOSI）輸出（高位在前），同時從輸入引腳（MISO）接收的數據逐位移到移位寄存器（高位在前）。傳輸完一個字節之後，該字節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據交換，SPI總線的主機的時鍾信號來確保本次傳輸的同步，當SPI被配置為主器件時，最大數據傳輸率（位/秒）是係統時鍾頻率的二分之一。當SPI被配置為從器件時，如果主器件與係統時鍾同步發出SCK、NSS和串行輸入數據，則全雙工操作時的最大數據傳輸率（位/秒）是係統時鍾頻率的十分之一。
2 FM25V10的工作原理及其特點
FRAM是靠材料特性來保存數據，這種材料並非磁性材料，所以從原理上講，磁場對數據是沒有影響的，在實際中，電場對數據也沒有影響，所以其抗幹擾能力強。在複雜環境中可以記錄一些重要的數據，由於它的擦寫次數多，所以可以記錄每一個數據脈衝。
鐵電存儲器FRAM的特點：（1）具有非易失性，掉電後數據可以保存45年左右；（2）擦寫次數很多，5V供電的FRAM的擦寫次數多達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，並口的訪問速度70ns；（4）功耗較低，靜態電流小於10uA，讀寫電流小於150uA。
電路的工作環境會涉及到強電和弱點之間的轉換和一定的電磁幹擾，設計選用Ramtron公司的FM係列鐵電存儲器。
FM25V10為2M位的非易失性鐵電隨機存儲器，結構容量為256K×8位，無限次的讀寫次數，掉電數據保持10年，寫數據無延時，采用快速SPI串行協議，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，靜態工作電流：5uA。
3 FRAM與C8051F單片機的SPI硬件設計
由於FM25V10與其他的SPI設備一樣，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、單片機相應的端口分配。