一种串行E2PROM在工业电炉中的应用设计

吴晓光

（中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司，河南 洛阳471039）

串行E2PROM是可在线电擦除和电写入的存储器，具有体积小、接口简单、数据保存可靠、可在线改写、功耗低等特点，而且为低电压写入，在单片机系统中应用十分普遍。

Catalyst公司的串行E2PROM兼容工业上最受欢迎的三种总线——I2C总线、Microwire总线及SPI总线。Catalyst公司的产品提供1 KB~256 KB的高密度存储,以及1.8 V~6 V的宽电压操作范围。本文以CAT24WC64为例着重介绍串行E2PROM。CAT24WC64是一个64 KB串行 CMOS E2PROM，内部含有 8 192 B(每字节为 8 bit)。CATALYST公司的先进CMOS技术实质上减少了器件的功耗，CAT24WC64有一个32 B页写缓冲器，该器件通过I2C总线接口进行操作。

1 E2PROM存储原理

E2PROM的电路结构经历了一个发展过程，目前大多采用FLOTOX(Floating Tunnel Oxide)结构。这种结构的基本存储单元的主体是一个特殊的MOS管，如图1所示。它的特点是：浮置栅向下凸出一块，使得浮置栅与漏区之间的隧道氧化层面积很小、厚度很薄。它的编程原理与EPROM相似，即让浮置栅上带电荷。具体实现是在控制栅加高电位，此时漏端的电子将借助Fowler-Nordheim隧道效应穿过薄氧化层而进入浮置栅。它的擦除原理与EPROM不同，是在控制栅加低电位，使存储在浮置栅中的电子被抽出，于是又恢复到初始状态。

2 系统硬件结构

系统的硬件部分主要包括前段信号采集放大电路和人机交互界面电路两部分，系统硬件结构[1]框图如图2所示。

图2 系统硬件结构框图

系统硬件结构包括主控制器SST89E516RD2、CAT24WC64存储器、电源电路、温度传感器、压力传感器以及采样放大电路。主控制器SST89E516RD2是一款来自SST公司的8位低功耗处理器，比常规8位处理器多了一个P4口，更有利于扩展，片内有64 KB的Flash和1 KB的RAM，性能更加出色。CAT24WC64存储器采用I2C串行方式存储，节省了CPU资源，而且数据在传输中不易受外界干扰。前段信号采样采用热电偶和压力传感器来完成。此外，对于热电偶测得的微弱电流信号需通过运算放大器实现信号的放大和抬升。而人机交互(即显示和键盘操作)通过简单的电路得以实现。

CAT24WC64是Catalyst公司的一款支持I2C等多种协议的串行存储器，具有体积小、接口简单、数据保存可靠、可在线改写、功耗低等特点，而且为低电压写入，在单片机系统中应用十分普遍;相比Atmel等公司的串行存储器性价比更加突出;使用灵活性强，大大降低了系统开发的难度,而且降低了系统设计的成本。CAT24WC64外围接口电路图3所示。

3 系统软件设计

3.1 系统总体设计

系统软件部分的设计主要按功能块划分为若干个模块进行编写设计，主体循环就是对各个功能函数进行调用，完成系统的数据采集、处理以及大量客户使用数据的存储调用。整个软件的编写使用灵活性强、可读性和可移植性强的C语言[3]，在Keil C51集成开发环境下完成开发和最终调试。

主要的函数包括主函数、温度测量、压力测量、用户数据存储、键盘显示等功能函数模块。温度测量功能块实现对S型热电偶测温电路的模/数转换以及线性化[4]和放大功能；压力测量功能块负责压力信号的转换；用户数据存储功能模块主要是通过对I2C串行存储器CAT24WC64的控制函数和协议栈的调用来完成数据的串行存储。各个子函数之间保持各自独立的完整性，能在主函数中实现无缝调用。

3.2 I2C串行存储器CAT24WC64软件设计[5]

CAT24WC64操作包括启动、停止、随机字节读写、连续读写、应答信号、校验、延时等。下面重点说明连续读写以及包含的页写代码的实现。

连续写函数：

因为i2c存储器一般都是按页存储的，所以在写的时候也要按照此规定进行操作，如若跨页写则会出现错误。在此采用了循环写入的方法避免了跨页写容易出错的问题。例如CAT24WC64存储是按照32 B为一页，下面给出具体的实现函数可以不受页写限制：

此函数避免了在连续写入遇到跨页时的限制，可以实现无缝连续写入。

连续读函数：

连续读函数的具体实现原理与连续写入函数一样，也实现了无缝连续读出函数。

4 系统实验结果和结论

本系统测试包括软件测试、硬件测试、稳定性和存储速度测试。通过温度传感器和压力传感器实现了信号采集并进行分析利用；通过相应的软件校正消除了非线性误差，在一定范围内提升到比较高的测量精度，满足了设计要求。选用了廉价可靠、性能出色的I2C存储器CAT24WC64，可满足使用者设计多种应用程序；对牙科市场多种瓷粉材料的烧结工艺参数进行存储并加以应用，大大方便了使用者的操作。

[1]何立民.单片机应用系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，1989.

[2]张载鸿.微型机（PC系列）接口控制教程[M].北京：清华大学出版社，1992.

[3]徐爱钧，彭秀华.单片机高级语言 C51Windows环境编程与应用[M].北京：电子工业出版社,2001.

[4]王士杰.一种适用于微机型温度仪表的热电偶非线性校正[J]. 自 动 化 仪 表 ，1994(1)：36-37.

[5]范风强，兰婵丽.单片机语言C51应用实战集锦[M].北京：电子工业出版社，2002.