摘  要： 研究在發(fā)電機勵磁系統(tǒng)中設(shè)計實時數(shù)據(jù)記錄及參數(shù)顯示模塊，將總線傳遞的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并實時存儲的一種設(shè)計方案。系統(tǒng)采用鐵電存儲器、磁電阻隨機存儲器擴展了存儲容量，使故障錄波得以實現(xiàn)；應(yīng)用RTC和PIT，完成了毫秒級的計時，完善了錄波功能。
關(guān)鍵詞： FRAM；MRAM；故障錄波；SPI模塊；勵磁系統(tǒng)

　隨著計算機技術(shù)、自動化技術(shù)不斷發(fā)展和CAN總線等現(xiàn)場總線技術(shù)的日益完善，勵磁控制系統(tǒng)逐步向分布式現(xiàn)場總線方向發(fā)展。本設(shè)計所研究的勵磁系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)記錄及參數(shù)顯示模塊，既是發(fā)電機勵磁控制部分的重要部分，也是勵磁控制系統(tǒng)體現(xiàn)控制分散、信息集中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，用以實現(xiàn)完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示、便捷的參數(shù)修改及故障錄波。本系統(tǒng)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(guān)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(dāng)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(nèi)部電路感應(yīng)到電荷擊穿并設(shè)置存儲器。移去電場后，中心原子保持不動，存儲器的狀態(tài)也得以保存。鐵電存儲器不需要定時更新，掉電后數(shù)據(jù)能夠繼續(xù)保存，速度快而且不容易寫壞。
1.2 鐵電存儲器的應(yīng)用
　本系統(tǒng)采用的是Ramtron公司的FM25L256，用來存儲時間標(biāo)簽和對應(yīng)的開關(guān)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(shù)據(jù)而是工作在極化狀態(tài)，所以在寫入數(shù)據(jù)后無需等待，沒有寫操作延時，同時還可以像傳統(tǒng)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(shù)據(jù)達(dá)10年以上，使用起來更加簡捷，提高了系統(tǒng)的可靠性。與高速RAM相同，支持幾乎無限次的讀寫循環(huán)操作。這些優(yōu)點使得將RAM的功能和ROM的技術(shù)結(jié)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(shù)據(jù)寄存器和從機(FM25L256)中的8位數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸

1.4 SPI軟件程序設(shè)計
　在本系統(tǒng)中，SPI工作在主機、模式3下。以下程序完成的內(nèi)容主要包括SPI初始化。
void initial_SPI1(void)
      {
      SPI1CR1  =0x5E；       
      SPI1CR2  =0x10；        
　    SPI1BR   =0x22；       
　    }
　讀操作主要是訪問存儲在FM25L256中的數(shù)據(jù)，寫操作是把采集到的數(shù)據(jù)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(jìn)入讀操作函數(shù)。進(jìn)入后，讀狀態(tài)寄存器SPI0SR，判斷數(shù)據(jù)寄存器是否為空，空時發(fā)送讀數(shù)據(jù)命令。發(fā)送完畢后讀狀態(tài)寄存器SPI0SR，判斷數(shù)據(jù)寄存器是否為空，空時發(fā)送高位地址，直到發(fā)送完畢再讀狀態(tài)寄存器SPI0SR。判斷數(shù)據(jù)寄存器是否為空，空時發(fā)送低位地址，直到發(fā)送完畢再讀狀態(tài)寄存器SPI0SR。判斷數(shù)據(jù)寄存器是否為空，此時若為空，讀數(shù)據(jù)寄存器，此次讀操作完成。
　(2)寫操作
　首先判斷是否進(jìn)入寫操作函數(shù)。進(jìn)入后，讀狀態(tài)寄存器SPI0SR，判斷數(shù)據(jù)寄存器是否為空，空時發(fā)送寫使能命令。經(jīng)過延遲后讀狀態(tài)寄存器SPI0SR，判斷數(shù)據(jù)寄存器是否為空，空時發(fā)送高位地址，直到發(fā)送完畢再讀狀態(tài)寄存器SPI0SR。判斷數(shù)據(jù)寄存器是否為空，空時發(fā)送低位地址，直到發(fā)送完畢再讀狀態(tài)寄存器SPI0SR。判斷數(shù)據(jù)寄存器是否為空，此時若為空，發(fā)送數(shù)據(jù)，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(jié)(MTJ)器件來進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。當(dāng)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(dāng)自由層的磁矩與固定層平行時，MTJ器件具有低電阻；而當(dāng)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(tài)的改變，電阻也會變化，其數(shù)據(jù)作為一種磁性狀態(tài)(而不是電荷)存儲，并且通過測量電阻來感應(yīng)，不會干擾磁性狀態(tài)[3]。
2.2 磁電阻隨機存儲器的應(yīng)用
設(shè)計采用Freescale Semiconductor提供的磁電阻隨機存儲器MR2A16A，以存儲勵磁系統(tǒng)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(guān)的引腳如表3所示。本設(shè)計采用獨立的16位數(shù)據(jù)總線DATA[15，0]和18位地址總線ADDR[18，1]，外部擴展的內(nèi)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。

　MCU通過以下步驟完成一次讀的操作：驅(qū)動/CS1 、驅(qū)動ADDR、/UDS&/LDS、驅(qū)動/RE、等待、從DATA線上讀取數(shù)據(jù)、恢復(fù)/RE、恢復(fù)/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(jìn)行操作就可以完成在外部存儲器上的讀寫。
3 時間標(biāo)簽
　沒有時間記錄的數(shù)據(jù)是不完整的。對于本系統(tǒng)來說，準(zhǔn)確、快速地存儲CAN總線上傳輸來的數(shù)據(jù)非常重要。本系統(tǒng)采用DS3234和MCU內(nèi)部的PIT一起記錄時間，同時可記錄數(shù)據(jù)傳輸來的時間，并精確到毫秒級[4]。
　本模塊體現(xiàn)了勵磁控制系統(tǒng)向控制分散、信息集中發(fā)展的趨勢，實現(xiàn)了系統(tǒng)所需的功能，即MCU分析所接收的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，判斷故障。當(dāng)故障發(fā)生時將數(shù)據(jù)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(biāo)簽。用戶可以隨時查看任意次故障的電壓等電參量的波形。
　本文所討論的設(shè)計方案已經(jīng)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(tǒng)，而且可以應(yīng)用在其他工業(yè)控制領(lǐng)域，如各種儀器儀表、各種監(jiān)控系統(tǒng)等。只要對設(shè)計內(nèi)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(tǒng)中，令系統(tǒng)具有很強的實用性和多用性。
參考文獻(xiàn)
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[3] 孟臣，李敏.高性能鐵電存儲器FM24C256及其在單片機中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)，2003(1).
[4] 賈文峰.人機界面設(shè)計研究[J].洛陽大學(xué)學(xué)報，1999，14(4)：55-56.