基于發電機勵磁系統的數據實時存儲方案設計

杜志強 ，李翠玲 ，白錫莉

(1.河北工業大學電工廠，天津 300130；2.河北工業大學 電氣學院，天津 300130)

隨著計算機技術、自動化技術不斷發展和CAN總線等現場總線技術的日益完善，勵磁控制系統逐步向分布式現場總線方向發展。本設計所研究的勵磁系統實時數據記錄及參數顯示模塊，既是發電機勵磁控制部分的重要部分，也是勵磁控制系統體現控制分散、信息集中的關鍵環節，用以實現完成現場數據顯示、便捷的參數修改及故障錄波。本系統采用鐵電存儲器和磁電阻隨機存儲器[1]，可大容量支持掉電保存的存儲器，存儲故障時的開關量和模擬量，用于故障顯示和分析。

1 鐵電存儲器

1.1 存儲器基本工作原理

當一個電場被加到鐵電晶體時，中心原子順著電場方向在晶體里移動。并通過能量壁壘，引起電荷擊穿。內部電路感應到電荷擊穿并設置存儲器。移去電場后，中心原子保持不動，存儲器的狀態也得以保存。鐵電存儲器不需要定時更新，掉電后數據能夠繼續保存，速度快而且不容易寫壞。

1.2 鐵電存儲器的應用

本系統采用的是Ramtron公司的 FM25L256，用來存儲時間標簽和對應的開關量。

FRAM可以像RAM一樣以總線速度完成讀寫操作，由于不是用電荷來存儲數據而是工作在極化狀態，所以在寫入數據后無需等待，沒有寫操作延時，同時還可以像傳統非易失性存儲器一樣提供非易失性的存儲功能。可以保存數據達10年以上，使用起來更加簡捷，提高了系統的可靠性。與高速RAM相同，支持幾乎無限次的讀寫循環操作。這些優點使得將RAM的功能和ROM的技術結合在一個芯片中[2]。FM25L256的功能框圖如圖1所示，引腳功能表如表1所示。

1.3 SPI模塊的工作原理

FM25L256通過SPI總線與單片機相連。圖2給出了SPI總線接線圖。主機(單片機)中的8位數據寄存器和從機 (FM25L256)中的8位數據寄存器通過MOSI和MISO組成了一個16位分散式移位寄存器。在數據傳輸過程中，數據同時以串行的方式輸入、輸出。根據主機提供的串行時鐘同步信號，數據通過兩條數據線在主機和從機之間循環移位，主機數據寄存器中的數據傳輸到從機的數據寄存器，而從機數據寄存器中的數據傳輸到主機的數據寄存器。SPI模塊就是用這種方式實現主機和從機之間的數據交換。

圖1 FM25L256的功能框圖

表1 FM25L256的引腳功能表

圖2 SPI總線接線圖

SPI接口的傳輸模式可以通過設置SPICR1中的CPOL和CPHA兩位來控制。支持模式0和模式3兩種模式，圖3給出了這兩種模式的時序。

圖3 SPI模式0和SPI模式3

1.4 SPI軟件程序設計

在本系統中，SPI工作在主機、模式3下。以下程序完成的內容主要包括SPI初始化。

讀操作主要是訪問存儲在FM25L256中的數據，寫操作是把采集到的數據存儲到FM25L256中的指定位置。SPI的讀寫操作具體過程如下所述：

(1)讀操作

首先判斷是否進入讀操作函數。進入后，讀狀態寄存器SPI0SR，判斷數據寄存器是否為空，空時發送讀數據命令。發送完畢后讀狀態寄存器SPI0SR，判斷數據寄存器是否為空，空時發送高位地址，直到發送完畢再讀狀態寄存器SPI0SR。判斷數據寄存器是否為空，空時發送低位地址，直到發送完畢再讀狀態寄存器SPI0SR。判斷數據寄存器是否為空，此時若為空，讀數據寄存器，此次讀操作完成。

(2)寫操作

首先判斷是否進入寫操作函數。進入后，讀狀態寄存器SPI0SR，判斷數據寄存器是否為空，空時發送寫使能命令。經過延遲后讀狀態寄存器SPI0SR，判斷數據寄存器是否為空，空時發送高位地址，直到發送完畢再讀狀態寄存器SPI0SR。判斷數據寄存器是否為空，空時發送低位地址，直到發送完畢再讀狀態寄存器SPI0SR。判斷數據寄存器是否為空，此時若為空，發送數據，此次寫操作完成。

2 磁電阻隨機存儲器

2.1 磁電阻隨機存儲器原理介紹

MRAM是一種非易失性的磁性隨機存儲器。MRAM中每個存儲元件采用磁隧道結(MTJ)器件來進行數據存儲。當向MTJ施加偏壓時，被磁層極化的電子會通過一個稱為遂穿(Tunneling)的過程，穿透絕緣隔離層。當自由層的磁矩與固定層平行時，MTJ器件具有低電阻；而當自由層的磁矩方向與固定層反向平行(Anti-Parallel)時，則具有高電阻。隨著器件磁性狀態的改變，電阻也會變化，其數據作為一種磁性狀態(而不是電荷)存儲，并且通過測量電阻來感應，不會干擾磁性狀態[3]。

2.2 磁電阻隨機存儲器的應用

設計采用Freescale Semiconductor提供的磁電阻隨機存儲器MR2A16A，以存儲勵磁系統的各種電參量。引腳功能如表2所示。

2.3 外部擴展總線

MCU與外部擴展總線有關的引腳如表3所示。本設計采用獨立的 16位數據總線 DATA[15，0]和 18位地址總線ADDR [18，1]，外部擴展的內存映射地址為0x20_0000到0x27CFFF，共512 KB。MCU與MR2A16A的連接方式如圖4所示。

表2 MR2A16A引腳功能

表3 外部擴展總線引腳

MCU通過以下步驟完成一次讀的操作：驅動/CS1、驅動 ADDR、/UDS&/LDS、驅動/RE、等待、從 DATA 線上讀取數據、恢復/RE、恢復/CS1及/UDS&/LDS。

編寫程序時只需將變量定義到外部地址，然后像對待普通變量一樣對外部變量進行操作就可以完成在外部存儲器上的讀寫。

3 時間標簽

沒有時間記錄的數據是不完整的。對于本系統來說，準確、快速地存儲CAN總線上傳輸來的數據非常重要。本系統采用DS3234和MCU內部的PIT一起記錄時間，同時可記錄數據傳輸來的時間，并精確到毫秒級[4]。

本模塊體現了勵磁控制系統向控制分散、信息集中發展的趨勢，實現了系統所需的功能，即MCU分析所接收的現場數據，判斷故障。當故障發生時將數據存儲于鐵電存儲器或磁電阻隨機存儲器中，并加入毫秒級的時間標簽。用戶可以隨時查看任意次故障的電壓等電參量的波形。

圖4 寬擴展模式下外部存儲器的連線圖

本文所討論的設計方案已經通過了實驗室驗證，方案真實可行。所研究的對象不但適用于勵磁系統，而且可以應用在其他工業控制領域，如各種儀器儀表、各種監控系統等。只要對設計內容稍加修改，或者通過對各個模塊簡單的組合就可以適用于多種系統中，令系統具有很強的實用性和多用性。

[1]周志剛，王耘波，王華.鐵電存儲器研究進展[J].信息記錄材料，2002，3(1).

[2]孫樹印.鐵電存儲器原理及應用比較[J].單片機與嵌入式系統應用，2004(9)：15-18.

[3]孟臣，李敏.高性能鐵電存儲器FM24C256及其在單片機中的應用[J].電子技術，2003(1).

[4]賈文峰.人機界面設計研究[J].洛陽大學學報，1999，14(4)：55-56.