FM3164的原理和功能及在火灾自动报警系统中的应用

FM3164是RAMTRON公司推出的新一代非易失性铁电存储器，采用I2C总线，是集串行存储器、实时时钟、看门狗、复位电路、低电压检测等多种功能于一体的强大芯片。与其他串行存储器相比，FM3164具有没有写延时，读写次数可达上百亿次，速度快，功耗低等优点。主要介绍FM3164的组成原理和基本功能，并结合它在火灾自动报警系统的应用给出实际应用方法，实现报警过程中信息快速、准确的存储。

1 FM3164的基本结构及内部原理

FM3164采用铁电晶体材料，这一特殊材料使铁电存储器同时拥有随机存取存储器（RAM）和非易失性存储的特性。FM3164将非易失FRAM与实时时钟（RTC）、处理器监控器、非易失性事件计数器、可编程可锁定的64位ID号和通用比较器相结合。采用先进的0.35μm制造工艺，这些功能通过一个通用I2C接口嵌入到14个引脚的SOIC封装中，从而取代系统板上的多个元件。存储器的读／写以及其他控制功能都通过工业标准的I2C总线来实现。其内部原理如图1所示。

A0，A1是器件地址选择信号（总线可最多连接4个I2C器件）；SCL和SDA是与CPU通信接口，其中SDA是双向数据端口；PFI是比较器输入端，输出结果送到CAL／PFO脚，同时它也是时钟校正信号输出端。当电源电压低于2.5 V时，时钟供电切换到后备电池。CNT1，CNT2是两路外部事件计数器的输入端。

2 FM3164功能

FM3164内有25个特殊功能寄存器SFR。CPU通过I2c总线控制这些寄存器来实现各种功能。FM3164内部功能图如图2所示。

2.1 内存操作

FM3164系列产品提供了不同的内存容量，包括4 Kb，16 Kb，64 Kb和256 Kb，该系列产品软件兼容，所有版本使用一致的两位字节地址操作内存，存储器采用铁电技术制造，可以二线制总线时钟速度进行读写操作，读写以字节为单位，写操作没有任何延时，而且通过了无限次的读写次数。具备其他同类串行存储器无法比拟的优点。

2.2 处理器检测功能

FM3164提供两个基本功能，早期电源失效检测和防止软件死锁的看门狗功能。当电源跌落到预编程动作点VTP以下时，RST引脚被拉低，这将一直保持为低电平，直到电源电压太低，以致不能维持电路运行。当电源电压上升到VTP以上时，RST引脚将继续保持低电平大约100 ms左右，以便在可靠的电压水平提供足够的复位时间，当1OO ms时间到后，RST引脚将恢复弱上拉状态，使系统复位。看门狗计数器同样能产生一个有效复位信号，看门狗计数器是一个自由运行可编程计数器，通过一个5 位非易失性寄存器，以100 ms步长编程为100 ms～3 s周期，它有两个控制位：看门狗使能WDE和看门狗复位控制位WR，只有看门狗使能并且计数器超时后，复位信号才有效。

2.3 买时时钟操作

实时时钟（RTC）可以用电池或者电容作为后备电源。实时时钟包括一个晶振，时钟分频器和供用户访问的寄存器系统。它分割32.768 Hz的时基信号，以提供1 s的分辨率，静态寄存器为用户提供了对时间的读写访问，寄存器包括秒、分钟、小时、星期、月、年。时间寄存器通过位于00H中的R，W位与时间内核同步，将R位从0改变为1时，时间信息从内核转入保持寄存器中，以供用户读取，R位用于读时间。设置位W为1将使用户寄存器冻结，将它清除为0，使得用户寄存器中的值被装载进时间内核。W位用于设置新的时间值，用户必须确保不将非法值写入寄存器，除了寄存器被冻结期间以外，时间值可以被连续更新。

2.4 时钟校准

当寄存器00H中的CAL位设置为1时，时钟进入校准模式。当进入校准模式后，CAL／PFO输出管脚用于校准功能，比较器输出暂时无效。时钟校准操作是通过晶振偏移对计数器进行数据修正进行的。在CAL模式，CAL／PFO管脚输出512 Hz的方波，任何有规律的偏离512 Hz的频率误差都被转换为时钟误差，用户将此误差转换为PPM格式，并将适当的修正值写入校准寄存器。正PPM误差需要负调整，以减少脉冲；负PPM误差需要正调整，以增加脉冲。正PPM调整需要将CALS位设置为1，负PPM调整将CLAS位设置为0。校准后，在校准温度下时钟的最高精度可以达到±2.17PPM或者每月±0.09分钟。校准设置存储在FRAM中，设置值位于寄存器01H 的CA L.4-0，此值仅在CAL位设置为1时才可以进行写入，为了退出校准模式，用户必须将CAL位设置为0，此时CAL／PFO管脚恢复比较输出功能。

2.5 事件计数器

FM3164有2个后备电池支持的16位事件计数器（或1个32位的事件计数器），位于寄存器0DH～1OH中。CIN1和CIN2是事件计数器信号输入端，计数采用可编程边沿触发方式，若0CH地址的C1P位置1，则CIN1采用上升沿触发，否则采用下降沿触发。C2P控制CIN2。

3 FM3164的工作过程

FM3164作为从机，集成了两个功能不同的部件，每个部件都可以被独立访问。一个是存储器，访问时从机地址的位7～4必须被设置为1010B；若要访问实时时钟／处理器等，则从机地址的位7～4必须被设置为1101B。该器件采用二线制的I2C接口，二线协议由SDA和SCL两个引脚的状态确定。共有四种状态：开始、停止、数据传输及应答。

FM3164严格按I2C总线的时序和数据格式操作，其访问操作过程可描述为如下步骤：启动→从机地址→应答→目标地址→应答→（启动→从机地址→应答）→数据（单或多字节）→应答→停止（从机地址中包含了读写命令，括号中的步骤为当前地址读和连续地址读命令所特有的）。

4 FM3164在火灾自动报警控制器中的应用

在现代大中型城市的高层建筑、公共场所、地下设施、现代化厂区等重要建筑和设施的建设和管理中，国家消防规范要求都必须安装独立的火灾报警系统。火灾报警系统快速、安全、可靠、准确地运行至关重要。时钟器件和信息存储器作为报警主机中最为关键的部分，如果采用当前最新工艺技术的铁电非易失性存储器FM3164，则可以实现报警信息的快速存储功能和保证准确的系统时间。

5 结束语

本文详细全面地介绍了FM3164系列芯片铁电存储器的功能原理和使用方法，给出了通用的硬件电路和部分控制程序。FM3164系列芯片以其强大的功能和性能代替普通的串行存储器和时钟芯片，将在嵌入式控制系统中越来越多地被采用。