铁电存储器FM3808降低无线抄表系统的功耗-应用方案-深圳市华胄科技有限公司

铁电存储器FM3808降低无线抄表系统的功耗

日期：2007-12-11

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自动抄表(AMR)是指采用通信、计算机网络等技术自动读取和处理表计数据。AMR的实现方式主要有：红外抄表、电力线载波抄表、RS485总线抄以及无线抄表等。无线抄表采用无线信道进行数据传送，具有以下优点：1)无需大规模的铺设管线，只需在现有的老式户表上安装发讯装置便可以实现，可方便地应用到大规模老楼改造和新建住宅区的安装。2)通过给各个户表进行编号，使定位故障和维修非常方便，只需更换发射装置便可正常工作，并且系统扩展升级方便。3)无线电通信可以使用315MHZ、433MH2、868MHz、916MHz等ISM频段。4)可提高抄表人员的生产效率，大大节省生产成本等。

无线抄表系统的设计要求

        无线抄表系统包括三部分：发射器、集中器和抄表器。发射器完成流量采集并将用户信息(包括流量、发射器ID、门牌号等)无线发射出去；集中器接收发射器传来的用户信息并进行非易失性存储；抄表器从集中器下载数据并上传至计算机。

        其中集中器是整个系统的中枢，其设计能否满足要求是整个无线抄表系统设计的成败关键。对集中器基本功能要求是：①集中器需要一定容量的存储器来存贮数据，容量取决于接收发射器的数量及其发射数据的长度；②需要一个时钟芯片记录数据存储当时的时间，这样除了方便工作人员统计信息外，也便于及时发现问题(如发射器坏了，或存在盗用现象)；③由于集中器工作时无人看护，而普通的51单片机没有片上看门狗，这就需要外接一个看门狗电路以便能及时地将工作异常的单片机进行复位。此外，为减小施工难度并提高系统对环境的适应能力，要求集中器由电池供电，并在不更换电池的情况下连续工作3～4年，这就要求系统设计满足低功耗要求。

        为降低系统功耗，我们在系统设计中采用了以下方法：使用低功耗且具有闲置状态的无线收发器件；降低CPU时钟，采用3.6864M晶振；采用低功耗闪存；系统不工作时让单片机进入睡眠运行方式，并利用分频器4060定时地将其唤醒。但是采用这些措施后系统功耗仍然很高，无法满足设计要求。经过分析，发现无线收发器及单片机的功耗无法再进一步下降，因此唯一途径就是如何降低看门狗电路、存储器及单片机唤醒电路的功耗。美国Ramtron公司生产的FM3808铁电存储器是这个问题的最优解决方案。下面将介绍如何利用单片FM3808实现集中器的低功耗设计。

图1：集中器电路的设计

铁电存储器FM3808的特性

铁电存储器是一种同时拥有随机存储器和非易失性存储器特性的高性能存储器，相对于其他类型的存储器，铁电存储器主要具有以下特点：1)铁电存储器可以跟随总线速度写入而无须任何的写入等待时间；2)铁电贮存器可以向RAM那样无限次的写入，新一代铁电存储器的写入寿命高达百亿次，而EEPROM只能应付十万至百万次写入；3)超低功耗，它写入能量消耗仅为EEPROM的1/2500。

FM3803 在一个封装的通用接口界面下集成了三个功能迥异的部件：32K×8 铁电内存(少16个字节)，实时日历/时钟，系统监测。这些功能被集成在一起以提高它们作为分立器件的性能，所以它们提供了比三个类似独立器件更好的性能。时钟由32.768KHZ的外部晶振驱动，它通过用户选择的外部电池或电容的方式来保持时间及日期设置。除了时钟以外，FM3808具有系统监测功能，包括低电压监测和看门狗时钟，以及允许用户选择监视功能和信号极性的可编程中断引脚输出。FRAM的内存阵列及时钟通过统一接口界面进行操作，使内部时钟编程变得更加容易。同时由于时钟及监测设置参数全部保存在FRAM中，而不是电池后备的RAM中，所以可靠性得到很大提高。

图2：电容后备电源电路图

硬件电路设计

        我们利用单片FM3808同时完成存储器、时钟芯片和单片机唤醒电路的功能，消除了对3个分立器件的需求。FM3808在工作时的电流为10mA，空闲时电流为150～500uA，可大大降低功耗，并且在实际应用系统中获得良好效果。

        集中器的电路设计如图1所示。为保证掉电后时间不无紊乱，需要FM3808的后备电源脚外接维持电源。但与传统的需要电池保持非易失性的SRAM不同，铁电存储器的非易失特性可实现在系统掉电的情况下，后备电源只需提供RTC的工作电流(仅为1uA)。因此，使用较小容量的电源就可以维持较长的RTC工作时间。电源可根据希望的电源运行持续时间、时间丢失后的重设难度以及使用电容和电池的成本折衷来选择适当方案。图2给出了使用大电容作为后备电源的典型充电电路设计，并列出了电容容量与维持时间的关系。

软件设计

        软件流程图和FM3808内部时钟初始化过程见本刊网站图3。需要注意的是，RTC在初始化时设定看门狗定时器的时间为2秒，因此主程序在适当的时候定期将其清零。