嵌入式基于FRAM的海水深度記錄儀電路設計

　　海洋的深度是海洋水體的一個重要參數。知道海洋的深度，就可防止海面航行的船只擱淺、觸礁。潛艇在海底活動時，測量海洋深度可利用海底地形作屏障以避免被搜索，可使對方的訊號接收儀器收不到潛艇發出的噪音。在筆者所做的一個課題中，直升飛機從空中投擲測量儀器到海表面，儀器從海表面下沉至海底后，自動上浮至海水表面。該項目要求研制一個海水深度記錄儀，記錄上述過程中測量儀器在海水中的深度變化。測量儀器自動上浮至海面后，打撈并回放測量數據。深度數據要求每秒采樣100次，具有非易失性。測量數據通過串口向PC機回放。

　　系統硬件設計

　　根據系統設計要求，海水的深度數據采集頻率要求至少100Hz，連續采集時間為5分鐘以上。以分辨率為12位的ADC計算，一次采集的數據量至少為2&TImes;100&TImes;5&TImes;60=60000B。針對系統數據采集量大、速度快、爆發性強的特點，采用如下總體設計方案：主控制器采用了高性能微控制器C8051F020。它具有與8051完全兼容的CIP-51微控制器內核，采用高速流水線結構（25MIPS），大多數指令執行時間為1~2時鐘周期;具有64KB可在系統編程FLASH和大容量內部SRAM，具有外部存儲器接口。非易失性存儲器采用美國Ramtron公司的FM20L08鐵電存儲器。與其它類型的非易失性存儲器相比，FRAM鐵電存儲器具有讀寫次數多、讀寫速度快、功耗低、無延時和不用擦除寫操作的特點，在功能上可以完全替代SRAM。系統硬件框圖如圖1所示。

　　圖1系統硬件框圖

　　信號調理電路設計

　　信號調試電路如圖2所示。

　　圖2信號調理電路

　　雖然C8051F020內部有2.43V的基準電壓源。但是測試結果表明其輸出電壓隨溫度波動較大，影響測量結果的準確性。為了提高測量精度，系統采用了Maxim公司的低溫漂電壓基準芯片 MAX6325，MAX6325是低溫度系數（1ppm/°C）、低噪聲（1.5mVp-p）的電壓基準，它具有±0.02%初始精度，是高精度數據采集系統的理想選擇。由于壓力傳感器的輸出電壓范圍是DC1~5V，而MAX6325輸出的電壓基準是2.50V。因而必須對壓力傳感器輸出電壓進行衰減，以達到和基準電壓的匹配。實現這個功能最簡單的方法是直接用兩個電阻進行分壓，但是由于傳感器具有一定的輸出阻抗，直接匹配分壓電阻相當于將傳感器輸出阻抗與這兩個電阻并聯，會造成輸入A/D的采樣電壓不準確。正確的方法是在壓力傳感器的輸出之后加一級運算放大器增加輸入阻抗，再在運放的輸出級并聯分壓電阻。考慮到系統只有5V電壓并且傳感器的輸出電壓在1~5V之間，同時也為了減少器件的數目，縮小占板面積，運算放大器選用了OPA340。 OPA340是單電源軌至軌輸入和輸出運算放大器。OPA340的工作電壓可低至2.5V，它允許的最低輸入為-500mV，最高輸入為可高于電源 500mV。

　　數據存儲電路設計

　　對于針對突發數據的記錄儀、高速存儲測試設備等，其數據的高速存儲和掉電不丟失成為系統設計的關鍵，Ramtron公司推出的FM20L08鐵電存儲器彌補了現有鐵電存儲器存儲量小的缺點，其數據存儲量達1Mb（128KB），可完全代替標準異步靜態隨機存儲器（SRAM），具有可隨機讀寫芯片內任何一字節的特性。FM20L08非易失性鐵電存儲器可無限次讀寫，掉電后數據可保存10年，工作電壓為3.3V。

　　最大功耗ftx電流為22mA，采用32引腳TSOP型封裝。FM20L08增加了軟件控制寫保護功能，存儲序列按地址排成8個區域，每個區域都能通過軟件單獨設置寫保護。在對海水深度進行實時采集和記錄時，為了更好地了解儀器在水中深度變化的過程，必須有高速的數據采集和大量的數據存儲作保證。鐵電存儲器的高速寫入和掉電數據不丟失特性完全適合此類情況，可以對物體在海水中的下降過程進行完整地記錄。圖3示出C8051F020與FM20L08的接口電路。

　　圖3FM20L08與C8051F020的接口電路

　　C8051F020使用高位端口（P4~P7）與FM20L08進行接口。FM20L08新增內部電壓監控器驅動 LVL（LowVoltageLockout）信號，它接至MCU的INT0，用于監控電源的供電情況，當電源電壓下降到臨界值以下時，LVL引腳輸出低電壓信號，顯示電路處于寫保護狀態，在MCU的INT0中斷服務程序中復位MCU，這樣存儲器可以自動阻止誤讀寫和防止存儲頁面數據的破壞。 FM20L08的片選信號是由C8051F020的讀寫信號相與來控制的，只要讀寫信號任何一個變低，則片選信號有效。C8051F020的最大尋址空間為64K，而要求它能夠訪問128KB的地址空間，最簡單有效的方法就是使用一個I/O位控制FM20L08的地址線A16。當A16為0是選擇FRAM 的前半部分，當A16為1時，選擇FRAM的后半部分。

　　在存儲程序設計中，程序應首先判斷儀器在下降時A/D的輸入信號值是否大于門限值，只有輸入信號值大于門限值才將數據存儲在存儲單元內，在測量儀器由海底上浮至將要接近海面時關閉鐵電存儲器，停止數據存儲。