铁电存储器在存储测试系统中的应用

张毅，申川

（中国工程物理研究院总体工程研究所 四川 绵阳 621900）

环境试验中采用的存储测试技术是将数据采集、信号调理及数据存储3部分集成于小型记录仪中，置入到被测试件体内与被测试件一起进行跌落等高撞击环境试验，实时完成信息的快速采集与记忆，试后回收记录仪，由计算机处理和再现加速度时间历程曲线的一种动态测试技术。

为实现双通道200 ksps同步采样，存储时间10 s的存储测试系统，设计了基于16位高速转换器AD7654、非易失性高速并行FRAM存储器M28W640和C8051F340的并行数据转换存储电路，文中主要介绍了存储器与C8051F340的接口电路及相应的读写中断服务程序。

1 高速并行FRAM存储器的主要特点及功能

在数据存储上，分析研究了多种存储介质的特性后，采用了非易失性高速并行FRAM存储器M28W640。

美国Ramtron公司铁电存储器（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记忆体（RAM）和非易失性存储器的特性，所以不需要定时刷新，能在断电情况下长期保存数据，具有高速读写、超低功耗和无限次写入等特性，并且温度特性优越，抗辐射能力强，特别适合在航天军工领域中使用[1－3]。

M28W640的主要特点是：64 Mbit铁电非易失性随机，结构为4 Mbit×16位；页操作模式达到40 MHz；无限次的读写次数，写数据无延时；与SRAM兼容；低功耗操作；工作电压:2.6～3.6 V，待机电流 18 mA，其管脚主要功能如表 1 所示。

表1 管脚功能Tab.1 Function of electron tubes

M28W640通过6种标准的总线操作来控制，即总线读（Read）、 总 线 写 （Write）、 输 出 禁 止 （Output disable）， 待 命（Standby），待命和复位（Standby and reset）。 文中简要介绍前两者。

总线读操作用于将存储阵列中的内容读出来，为了执行读操作，片选E和输出使能G都必须为低电平。片选E应被用于使能芯片，而输出使能G应用于将数据导出。读数据依靠以前写入存储器的命令，见图1的波形图，当离开复位态或在加电后，写模式是芯片默认状态；总线写操作是将命令写入存储器或者将输入的数据锁存。当片选E和写使能W都处于低电平，且输出使能G高电平时，写操作被激活。无论谁先出现，当遇见写使能W或片选E的上升沿时，命令、输入数据和地址被锁存住。见图2（E控制）。

图1 读波形Fig.1 Read AC waveforms

图2 写波形，片选控制Fig.2 Write AC waveforms， chip enable controlled

2 接口电路设计

设计上首先需要考虑的是系统可靠性、稳定性，其次是小型化、多功能集成化。为此采用了带ADC和USB接口控件的Cygnal C8051F系列集成SOC混合信号片上系统C8051F340对存储器进行逻辑时序控制，其具有高速、低功耗、集成度高、体积小，低功耗的特点。C8051F340使用Silicon Labs的专利CIP－51微控制器内核，与MCS－51指令集完全兼容，具有标准8052的所有外设部件，包括4个16位计数器/定时器、两个具有扩展波特率配置的全双工UART、一个增强型SPI端口、多达4 352字节的内部RAM、128字节特殊功能寄存器（SFR）地址空间及多达40个I/O引脚。

接口电路如图3所示，其中P0口分配给16 bit的AD转换器及锁存器的控制端。P1.0～P1.7连接8位数据端口，上位机通过P1口读写存储器；系统实现双通道200 ksps采样10 s，且16位分辨率的 AD转换， 需 22根地址线占用 P2.0～P4.5口，用来给4 MW的外存储器寻址。P4.7、P4.6接 M28W640的片选E和输出使能G，存储器数据输入端口DQ1～DQ15直接与AD转换器的输出D0～D15连接，系统采用上电立即开始转换并将采样结果直接写入存储器的方式，这里不详细叙述

[4]。

由于存储器采用4 Mbit×16位的存储模式，而数据总线端口P1仅8位，所以当上位机读写外存储器中数据时，都需要一个8 bit数据锁存器[5－6]。选用74HC373低噪声高速锁存器，当锁存使能LE为高电平时，在D0～D7端的数据进入锁存器中D型触发器，此时触发器中数据随输入数据的变化而变化，但当LE变为低电平时，将LE的下降沿时的数据锁存住，此时锁存器中数据不再变化。当OE变为低电平时，将锁存的8位数据输出到数据总线上。如图，P0.4接锁存器D12的输出使能端 OE1，P0.3接锁存器 D13的输出使能端 OE2，D13锁存器的输入使能端LE2与M28W640的输出使能端G相连，D12锁存器的输入使能端LE1与M28W640的写使能端W相连。

3 读写程序

外存写函数，用于将采样参数设置等数据写入外存储器。将16 bit数据通过8位数据线传输到存储器，需要通过D13锁存器先将高位字节锁存再和低位字节一起送入外存储器中，部分程序如下：

图3 接口电路Fig.3 Circuit of interface

外存读函数，用于将外存储器中存储的数据回读到上位机。P1口接M28W640的低位数据 DQ0～DQ7，M28W640的高位数据DQ8～DQ15通过锁存器D12再接到P1口。这样先将M28W640输出的高字节锁存进D12，在低字节读出后再读出高字节。

4 结束语

存储测试系统在环境试验的某些特殊场合使用，可以避免使用测量导线带来的不便，采用铁电存储器作为存储元器件，能够快速准确地记录试验数据，并且长时间保存存储数据，延长实时数据记录仪的使用寿命。同时，铁电存储器可以简化系统硬件设计和软件编程，降低系统成本，提高系统的可靠性。

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