基于发电机励磁系统的数据实时存储方案设计

摘  要： 研究在发电机励磁系统中设计实时数据记录及参数显示模块，将总线传递的数据进行处理，并实时存储的一种设计方案。系统采用铁电存储器、磁电阻随机存储器扩展了存储容量，使故障录波得以实现；应用RTC和PIT，完成了毫秒级的计时，完善了录波功能。
关键词： FRAM；MRAM；故障录波；SPI模块；励磁系统
   　随着计算机技术、自动化技术不断发展和CAN总线等现场总线技术的日益完善，励磁控制系统逐步向分布式现场总线方向发展。本设计所研究的励磁系统实时数据记录及参数显示模块，既是发电机励磁控制部分的重要部分，也是励磁控制系统体现控制分散、信息集中的关键环节，用以实现完成现场数据显示、便捷的参数修改及故障录波。本系统采用铁电存储器和磁电阻随机存储器[1]，可大容量支持掉电保存的存储器，存储故障时的开关量和模拟量，用于故障显示和分析。
1 铁电存储器
1.1 存储器基本工作原理
　当一个电场被加到铁电晶体时，中心原子顺着电场方向在晶体里移动。并通过能量壁垒，引起电荷击穿。内部电路感应到电荷击穿并设置存储器。移去电场后，中心原子保持不动，存储器的状态也得以保存。铁电存储器不需要定时更新，掉电后数据能够继续保存，速度快而且不容易写坏。
1.2 铁电存储器的应用
　本系统采用的是Ramtron公司的FM25L256，用来存储时间标签和对应的开关量。
　FRAM可以像RAM一样以总线速度完成读写操作，由于不是用电荷来存储数据而是工作在极化状态，所以在写入数据后无需等待，没有写操作延时，同时还可以像传统非易失性存储器一样提供非易失性的存储功能。可以保存数据达10年以上，使用起来更加简捷，提高了系统的可靠性。与高速RAM相同，支持几乎无限次的读写循环操作。这些优点使得将RAM的功能和ROM的技术结合在一个芯片中[2]。FM25L256的功能框图如图1所示，引脚功能表如表1所示。
1.3 SPI模块的工作原理
　FM25L256通过SPI总线与单片机相连。图2给出了SPI总线接线图。主机(单片机)中的8位数据寄存器和从机(FM25L256)中的8位数据寄存器通过MOSI和MISO组成了一个16位分散式移位寄存器。在数据传输
   
1.4 SPI软件程序设计
　在本系统中，SPI工作在主机、模式3下。以下程序完成的内容主要包括SPI初始化。
void initial_SPI1(void)
       {
       SPI1CR1  =0x5E；      
       SPI1CR2  =0x10；        
　    SPI1BR   =0x22；      
　    }
　读操作主要是访问存储在FM25L256中的数据，写操作是把采集到的数据存储到FM25L256中的指定位置。SPI的读写操作具体过程如下所述：
　(1)读操作
　首先判断是否进入读操作函数。进入后，读状态寄存器SPI0SR，判断数据寄存器是否为空，空时发送读数据命令。发送完毕后读状态寄存器SPI0SR，判断数据寄存器是否为空，空时发送高位地址，直到发送完毕再读状态寄存器SPI0SR。判断数据寄存器是否为空，空时发送低位地址，直到发送完毕再读状态寄存器SPI0SR。判断数据寄存器是否为空，此时若为空，读数据寄存器，此次读操作完成。
　(2)写操作
　首先判断是否进入写操作函数。进入后，读状态寄存器SPI0SR，判断数据寄存器是否为空，空时发送写使能命令。经过延迟后读状态寄存器SPI0SR，判断数据寄存器是否为空，空时发送高位地址，直到发送完毕再读状态寄存器SPI0SR。判断数据寄存器是否为空，空时发送低位地址，直到发送完毕再读状态寄存器SPI0SR。判断数据寄存器是否为空，此时若为空，发送数据，此次写操作完成。
2 磁电阻随机存储器
2.1 磁电阻随机存储器原理介绍
　MRAM是一种非易失性的磁性随机存储器。MRAM中每个存储元件采用磁隧道结(MTJ)器件来进行数据存储。当向MTJ施加偏压时，被磁层极化的电子会通过一个称为遂穿(Tunneling)的过程，穿透绝缘隔离层。当自由层的磁矩与固定层平行时，MTJ器件具有低电阻；而当自由层的磁矩方向与固定层反向平行(Anti-Parallel)时，则具有高电阻。随着器件磁性状态的改变，电阻也会变化，其数据作为一种磁性状态(而不是电荷)存储，并且通过测量电阻来感应，不会干扰磁性状态[3]。
2.2 磁电阻随机存储器的应用
设计采用Freescale Semiconductor提供的磁电阻随机存储器MR2A16A，以存储励磁系统的各种电参量。引脚功能如表2所示。
2.3 外部扩展总线
　MCU与外部扩展总线有关的引脚如表3所示。本设计采用独立的16位数据总线DATA[15，0]和18位地址总线ADDR[18，1]，外部扩展的内存映射地址为0x20_0000到0x27CFFF，共512 KB。MCU与MR2A16A的连接方式如图4所示。