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沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文）摘 要本系统主要由单片机和GTM900C短信模块和防倾覆传感器组成，借助可靠、成熟的GTM900C模块，以最直观的中文短消息直接把贵重物品的倾覆情况反映到您的手机屏幕上。它采用防倾覆传感器进行检测，随着MEMS 技术的发展，惯性传感器件在过去的几年中成为最成功,应用最广泛的微机电系统器件之一。当倾角传感器静止时也就是侧面和垂直方向没有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角了。GTM900-C借用无线发送和接收、基带处理等功能，来实现无线数据传输和短信收发任务。结合AT89S52 单片机，外加串口电路，报警电路以及显示模块，设计了防倾覆检测并报警的硬件系统变有形的传统防倾覆网为无形，给贵重物品倾覆时的及时发现提供方便。传统的防倾覆系统非常复杂而且要把设备拆卸下来也很麻烦，因此影响到了物品的便携性。本系统具有制作简单、成本低、安装方便、防倾覆性能稳定等特点实现对贵重物品倾覆的及时监督，检测功能。关键词；单片机；GTM900C模块；防倾覆传感器AbstractThe system is mainly composed of a single chip computer and GTM900C SMS module and anti overturning sensors，By means of reliable, mature GTM900C module In the most intuitive Chinese short message directly to the valuables capsize reflected to your mobile phone screen. It adopts the anti overturning sensors were detected, with the development of MEMS technology, inertial sensing device in the past few years to become one of the most successful, most widely applied in MEMS device. When the inclination angle sensor static is lateral and vertical direction without acceleration, then acting on it is the acceleration of gravity. Gravity vertical shaft and the acceleration sensor sensitive axis is the angle between the inclined angle. GTM900-C uses the wireless sending and receiving, baseband processing function, to realize wireless data transmission and messaging tasks. Combined with AT89S52MCU, plus serial circuit, an alarm circuit and a display module, design of the anti overturn detecting and alarming system the physical change of the traditional anti overturning as intangible valuables, to overturn in convenience. The traditional anti overturning system is very complex and the equipment removed is also very troublesome, therefore affected items portability. This system has the advantages of simple manufacture, low cost, convenient installation, stable performance and other characteristics of the anti capsizing of valuables overturned timely monitoring, detection function.Keywords； microcontroller GTM900C module anti overturning sensors目 录第一章 引言51.1课题研究的背景及意义51.2 课题研究的主要内容5第二章 单片机概述62.1 AT89S52的主要性能62.2 AT89S52的功能特性描述62.3 AT89S52的管脚排列7第3章 GTM900C 模块83.1 GTM900C模块介绍83.1.1 GTM900C模块产品定位83.1.2 GTM900C模块产品特性93.1.3 GTM900C模块产品的应用103.1.4 GTM900C无线模块的业务演示框图103.2 GTM900C无线模块AT命令113.2.1 AT命令类型113.2.2 消息发送和写入命令123.3 GTM900C 信号连接器和天线接口173.3.1信号连接器173.3.2天线接口173.3.3接口信号183.4接口的使用213.4.1 UART 接口的功能特性213.4.2 UART 接口信号定义213.4.3 UART接口DCE-DTE 配线22第4章 铁电存储器234.1 铁电存储器的特点234.2 铁电存储器简介234.3铁电存储器技术原理244.4铁电存储器存储单元结构254.5铁电存储器FRAM的读/写操作254.6 FRAM的读写时序264.7 FRAM与其它存储技术比较26第5章 实时时钟305.1 DS12887功能与特点介绍305.2 时间、日历和定闹单元305.3 DS12887引脚定义31第6章 倾角传感器326.1 倾角传感器原理326.1.1 “固体摆”式惯性器件326.1.2 液体摆”式惯性器件336.1.3 “气体摆”式惯性器件336.2 固、液、气体摆性能比较346.3 典型应用场合356.4 倾角传感器应用特点35第七章总体设计367.1系统的目标任务367.2系统的工作原理及结构框图367.3 功能模块图37第八章 技术经济分析39参 考 文 献41致 谢42第一章 引 言1.1课题研究的背景及意义随着人民生活水平的不断提高，贵重物品的倾覆问题日益已经成为人们关注的焦点，目前传统的防倾覆系统在实际使用中暴露了很多问题，传统的防倾覆系统非常复杂而且要把设备拆卸下来也很麻烦，因此影响到了物品的便携性。伴随着电子技术的飞速发展，防倾覆系统已从原来的简单化、局部化向智能化、集成化发展。倾角传感器经常用于系统的水平测量，从工作原理上可分为“固体摆”式、“液体摆”式、“气体摆”三种倾角传感器就基于固体摆、液体摆及气体摆原理研制的倾角传感器而言，它们各有所长。在重力场中，固体摆的敏感质量是摆锤质量，液体摆的敏感质量是电解液，而气体摆的敏感质量是气体。气体是密封腔体内的唯一运动体，它的质量较小，在大冲击或高过载时产生的惯性力也很小，所以具有较强的抗振动或冲击能力。但气体运动控制较为复杂，影响其运动的因素较多，其精度无法达到军用武器系统的要求。固体摆倾角传感器有明确的摆长和摆心，其机理基本上与加速度传感器相同。在实用中产品类型较多如电磁摆式，其产品测量范围、精度及抗过载能力较高，在武器系统中应用也较为广泛。液体摆倾角传感器介于两者之间，但系统稳定，在高精度系统中，应用较为广泛，且国内外产品多为此类。针对以上通信方式的优、缺点，我设计了基于GTM短信模块的防倾覆系统。此系统可解决这些隐患，让贵重物品防倾覆更及时、使用更方便。1.2 课题研究的主要内容传统的防倾覆系统非常复杂而且要把设备拆卸下来也很麻烦，因此影响到了物品的便携性。伴随着电子技术的飞速发展，防倾覆系统已从原来的简单化、局部化向智能化、集成化发展。倾角传感器经常用于系统的水平测量，从工作原理上可分为“固体摆”式、“液体摆”式、“气体摆”三种倾角传感器就基于固体摆、液体摆及气体摆原理研制的倾角传感器而言，它们各有所长。本文介绍了用AT89S52单片机实现的基于GTM短信模块的防倾覆系统，以及AT89S52单片机的功能特点、GTM短信模块工作原理、传感器工作原理。第二章 单片机概述AT89S52作为普通51单片机已与广泛应用于各种产品中，其接口简单，方便使用，且功能强大，因此本系统采用AT89S52单片机作为主控制芯片。2.1 AT89S52的主要性能l 与MCS-51单片机产品兼容l 8K字节在系统可编程Flash存储器l 1000次擦写周期l 全静态操作：0Hz33Hzl 三级加密程序存储器l 32个可编程I/O口线l 三个16位定时器/计数器l 八个中断源l 全双工UART串行通道l 低功耗空闲和掉电模式l 掉电后中断可唤醒l 看门狗定时器l 双数据指针l 掉电标识符2.2 AT89S52的功能特性描述AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容3。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案5。AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路4。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。2.3 AT89S52的管脚排列图2-1 AT89S52管脚排列第3章 GTM900C 模块3.1 GTM900C模块介绍贵重物品防倾覆系统的短信模块有很多适合的选择，而华为GTM900-C无线模块是一款两频段GSM/GPRS无线模块。它支持标准的AT命令及增强AT命令，提供丰富的语音和数据业务等功能，是高速数据传输等各种应用的理想解决方案。内嵌TCP/IP协议模块，使用简单，易于集成,GTM900C软件、硬件兼容GTM900B、TC35i、MC39i，使用TC35i或MC39i的用户不用作任何更改就可以使用。1华为GTM900C是一款双频900/1800MHZ高度集成的GSM/GPRS模块，是GTM900B的升级模块。内嵌TCP/IP协议模块，使用简单，易于集成，使用它您可以在较短的时间内花费较少的成本开发出新颖的产品。在远程监控和无线公话以及无线POS终端等领域您都能看到GTM900C无线模块在发挥作用，GTM900C软件、硬件兼容GTM900B、TC35i、MC39i，使用TC35i或MC39i的用户不用作任何更改就可以使用，以降低产品成本。主要功能:GSM/GPRS Phase 2/2+ ；GSM 03.40短信业务；GPRS CLASS 10数据业务；支持Group3，Class2传真业务；电路交换业务(9.6kbps，14.4kbps)；分组交换数据业务(85.6kbps) ；FR/HR/EFR/AMR 语音编码；呼叫转移、等待、保持、呼叫前转；多方通话、来电显示、可选铃声接口特性：40pin zip连接器；红外串口接口；SIM 3.0V和1.8V接口；2路模拟音频输入输出接口；电源输入接口和充电管理；ADC输入；全双工串行接口，TTL电平；支持GSM07.05，GSM07.07；TCP/IP扩展AT指令集.3.1.1 GTM900C模块产品定位华为GTM900-C 无线模块是一款两频段GSM/GPRS 无线模块。它支持标准的AT 命令及增强AT 命令，提供丰富的语音和数据业务等功能，是高速数据传输等各种应用的理想解决方案。3.1.2 GTM900C模块产品特性表3-1 GTM900-C 的产品特性表工作频段EGSM900/GSM1800 双频最大发射功率EGSM900 Class4(2W)GSM1800 Class1(1W)接收灵敏度-106dBm工作温度正常工作温度:-20C+70C扩展工作温度:-40C-20C 和 +70C to+80C电源电压3.4V4.7V（推荐值3.8V）平均待机电流3.5mA (DRX=5)关机漏电流50uA协议支持GSM/GPRS Phase2/2+支持华为GT800 协议AT命令GSM 标准AT 命令V.25 AT 命令华为扩展的AT 命令40PIN ZIF 连接器UART 接口（最大串口速率可达115200bit/s）标准SIM 卡接口（1.8V 或3V）两路模拟音频接口电源接口GSC 射频天线连接器50 GSC 射频天线连接器语音业务支持FR、EFR、HR 和AMR 的语音编码支持免提通话，提供回声抑制功能短消息业务支持MO 和MT点对点和小区广播短消息模式支持TEXT 和PDUGPRS 数据业务GPRS CLASS 10编码方式CS 1，CS 2，CS 3，CS 4最高速率可达85.6Kbit/s支持PBCCH内嵌TCP/IP 协议：支持多链接，提供ACK 应答，提供大容量缓存电路型数据业务支持CSD 数据业务，最高速率可达14.4Kbit/s支持传真：Group3，Class2.0支持USSD补充业务来电显示、呼叫转移、呼叫保持、呼叫等待和三方通话等集群功能组呼、广播和私密呼叫等（GTM900-C 模块支持）STK 功能通过增强的AT 命令支持STK 功能ROHS 环保符合ROHS 环保认证要求3.1.3 GTM900C模块产品的应用GTM900-C 在Terminal 型固定台、Phone 型固定台、车载台、公用电话、电力无线抄表业务、远程信息服务台等方面被广泛的应用。3.1.4 GTM900C无线模块的业务演示框图图3-1 GTM900C业务演示框11沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文）3.2 GTM900C无线模块AT命令本手册中的GSM模块包括移动设备ME（Mobile Equipment）、移动台MS（Mobile Station）、终端适配器TA（Terminal Adapter）、数据通信设备DCE（Data Communication Equipment）和传真DCE（包括传真Modem和传真板）。通过串口发送AT命令，即可使用GSM模块。串行线对端的应用设备包括终端设备TE (Terminal Equitment）、数据终端设备DTE（Data Terminal Equipment）或其他应用设备。这些终端或应用设备可能运行在嵌入式系统里。系统结构图如图1-1：图3-2 系统结构图3.2.1 AT命令类型本手册中的所有命令行必须以“AT”或“at”为前缀，以结尾 一般来讲，AT命令包括四种类型，如表2-2所示：表3-2 AT命令类型类型说明实例设置命令该命令用于设置用户自定义的参数值。AT+CXXX=测试命令该命令用于查询设置命令或内部程序设置的参数及其取值范围。AT+CXXX=?查询命令该命令用于返回参数的当前值。AT+CXXX?执行命令该命令用于读出受GSM模块内部程序控制的不可变参数。AT+CXXX3.2.2 消息发送和写入命令发送消息：AT+CMGS使用设置命令，可将SMS（SMS-SUBMIT）从TE发送到网络侧。发送成功后，消息参考值将返回给TE。在接收到非请求发送状态报告结果码时，使用该取值可进行消息识别。6表3-3 AT+CMGS操作命令语法类型命令可能的返回结果说明设置命令AT+CMGS=,text to send +CMGS: , ok使用文本模式（+CMGF=1）且发送成功ERROR/+CME ERROR: 使用文本模式（+CMGF=1）但发送失败AT+CMGS= PDU to send+CMGS: , ok使用PDU模式（+CMGF=0）且发送成功ERROR/+CME ERROR: 使用PDU模式（+CMGF=0）但发送失败测试命令AT+CMGS=?OK-表3-4 参数的详细说明参数取值说明-Gsm03.40 IP-Destination-Address中“地址-取值”字段，字符号；将BCD数值（或缺省GSM字母格式的字符）转换为当前选择的TE字符集中的字符，（ 请参考TS 07.07中的+CSCS命令）;给定的地址类型-SMS情况下：GSM 03.40 TPDU,16进制，遵循GSM 04.11 SC地址；ME/TA把TP数据单元中的每个8位字符转换为包含2个IRA字符的16进制数 （如：整数取值为42的8位字符作为2位数字（2A，即IRA50和65）发送给TE）CBS情况下:使用16进制GSM03.41 TPDU-整数型取值；文本模式（+CMGF=1）下，用字符表示的（或）消息正文的长度；PDU模式（+CMGF=0）下，8位真实TP数据单位的长度（即：RP层的SMSC地址中的8位字符将不计算在该长度内）-整数型的GSM03.40 TPmessagereference-时间字符型（请参考）的GSM03.40 TPservicecentreTimeStampe-时间字符型GSM03.40 TPDischargeTime“YY/MM/dd，hh：mm：sszz”,在该格式的消息中，字符部分表示年（最后2位）、月、日、小时、分钟、秒和地区。例如：6th of May 1995，22：10：00 GTM+2 Hours相当于“95/05/06,22:10:00+08”。-RPACK PDU中的GSM03.40 RPUserdata元素；SMS情况下，与的格式相同，但没有GSM03.11 SC地址字段；该参数应放在双引号中，与普通的字符型参数相同。-整数型的GSM04.11 TDDestinationaddress中的8位“类型地址”字段（当的首字符为+（IRA 43）时，缺省值为145；否则缺省值为129）举例：发送文本方AT+CMGF=1 NOTE：设置以文本方式发送短信 式的短信OKAT+CMGS=15840343232 NOTE：输入对方号码 SMS NOTE：输入短信内容，以ctrl-Z发送；ESC取消OK举例：发送和接收PDU方式的短信AT+CMGF=0OKAT+CMGS=16 0891683108200105F011000D91683118087981F60004000168OKPDU编码解析：发送数据：0891683108200105F011000D91683118087981F60004000168表3-5 PDU编码解析码段含义说明08SMSC地址信息的长度共8个八位字节（包括91）91SMSC地址格式（TON/NPI用国际格式号码（在前面加+）683108200105F0SMSC地址8613800210500，补F凑成偶数个11基本参数（TPMTI/VFP）发送,TPVP用相对格式00消息基准值（TP-MR）00D目标地址数字个数共13个十进制数（不包括91和F）91目标地址格式（TON/NPI）用国际格式号码（在前面加+）683118087981F6目标地址（TP-DA）8613800210500，补F凑成偶数个00协议标识（TPPID）是普通GSM类型,点到点方式04用户信息编码方式（TPDCS）8bit编码00有效期（TPVP）5分钟01用户信息长度（TPUDL）实际长度1个字节68用户信息（TPUD）068接收数据:0891683108200105F0040D91683184821969F2000470404271726423026869表3-6 接受数据码段含义说明08SMSC地址信息的长度共8个八位字节（包括91）91SMSC地址格式（TON/NPI)用国际格式号码（在前面加+）683108200105F0SMSC地址8613800210500，补F凑成偶数个04基本参数（TPMTI/VFP）0D回复地址数字个数91回复地址格式（TON/NPI）683118087981F6回复地址（TP-RA）8613800210500，补F凑成偶数个00协议标识（TPPID）是普通GSM类型,点到点方式04用户信息编码方式（TPDCS）8bit编码70404271726423时间戳（TPSCTS）07-04-24 17：27：4623表示时间区02用户信息长度（TPUDL）实际长度2个字节68用户信息（TPUD）068 0693.3 GTM900C 信号连接器和天线接口GTM900-C 的信号连接器和天线接口，包括： 信号连接器接口； 天线接口。3.3.1信号连接器GTM900-C的信号连接器是一个40 Pin 的ZIF 连接器，引脚间距为0.5mm，线距0.5mm，结构为单排弯式表贴型，带电缆锁紧机构，型号是Hirose 的FH12-40S-0.5SH。连接器外形如图2-3 所示。7 图3-3 连接器外形3.3.2天线接口GTM900-C 提供的天线接口为GSC 射频连接器，外接天线通过电缆连接到该连接器上。该连接器是由HRS 公司提供的，器件编码是U.FL-R-SMT-1(10)，具体的图形和尺寸如图2-4 所示。图3-4 天线接口连接器尺寸图（单位：mm）3.3.3接口信号表3-7 信号连接器接口功能表序号信号名称I/O接口电平功能备注1VBATI3.44.7V电源建议典型值：3.8V2VBATI3VBATI4VBATI5VBATI6GND-地7GND-8GND-9GND-10GND-11USB_D+I/O仅用于模块调测,设计时悬空12USB_D-I/O仅用于模块调测,设计时悬空13VBUSI仅用于模块调测, 设计时悬空。注意：此管脚与GTM900-A/B 存在差异，不能兼容，GTM900-A/B为VDD 信号，用于模块正常启动指示信号。14ADCI01.75V模拟数字采样最高输入电压15PWONI-开/关机控制信号低电平有效16UART_DSR0O2.85V(0.1)数据准备就绪-17UART_RI0O2.85(0.1)振铃指示-18UART_RXD0O2.85V(0.1)GTM900 模块AT 命令串口发送信号（对端设备接收）用于GTM900-C 模块的AT 命令，TTL 电平19UART_TXD0I2.85V(0.1)GTM900 模块AT 命令串行接收信号（对端设备发送）用于GTM900-C 模块的AT 命令，TTL 电平20UART_CTS0O2.85V(0.1)清除发送GTM900-C上PIN 脚定义为输出信号21UART_RTS0I2.85V(0.1)请求发送GTM900-C上PIN 脚定义为输入信号22UART_DTR0I2.85V(0.1)数据设备准备就绪-23UART_DCD0O2.85V(0.1)载波检测-24SIM_CDI2.85V(0.1)SIM 卡在位信号目前软件尚不支持, 设计时悬空25SIM_RSTO2.85V(0.1)SIM 卡复位信号-26SIM_DATAI/O2.85V(0.1)SIM 卡数据传输接口-27SIM_CLKO2.85V(0.1)SIM 卡时钟信号-28SIM_VCCO2.85V(0.1)SIM 卡电源-29SIM_GND-SIM 卡地与通常的工作地：GND信号连接同时要求与SIM卡的GND信号连接30VbackupI/O3.0V备用电池电源信号参考后面章节的推荐设计31RSTI2.85V(0.1)复位信号低电平有效，对模块复位32LPGO2.85V(0.1)指示灯状态控制信号-33AUXO+O-第二路音频输出信号-34AUXO-O-第二路音频输出信号-35EAR+O-第一路音频输出信号-36EAR-O-第一路音频输出信号-37MIC+-第一路音频输入信号第一路音频单端输入正，内部已经带直流偏置38MIC-第一路音频输入信号第39AUXI+-第二路音频输入信号第二路音频单端输入正，内部已经带直流偏置40AUXI-第二路音频输入信号第二路音频单端输入负，内部已经带直流偏置3.4接口的使用GTM900-C 各接口的使用，包括：UART 接口；USB接口；SIM卡接口；RTC Backup接口；Audio接口；LPG接口。3.4.1 UART 接口的功能特性UART 接口与外界进行串行通信，支持3.00V 电平输入和输出。UART 接口的信号除了RXD0、TXD0 是高电平有效之外，其余所有信号均为低电平有效。UART 接口有512 byte 的发送FIFO（First In First Out）和接收FIFO，支持可编程的数据宽度、可编程的数据停止位、可编程的奇/偶校验或者没有校验。UART 接口工作的最大速率为115.2kbit/s，默认支持9600bit/s 的速率，支持波特率掉电保存。3.4.2 UART 接口信号定义UART 接口信号定义如表3-8所示.表3-8 UART 接口信号定义序号信号名描述特性方向23UART_DCD0载波检测数据链路已连接DCE-DTE17UART_RI0振铃指示通知DTE 有远程呼叫DCE-DTE21UART_RTS0请求发送DTE通知DCE 请求发送DTE-DCE19UART_TXD0发送数据DTE 发送数据DTE-DCE16UART_DSR0数据设备就绪DCE 准备就绪DCE-DTE22UART_DTR0数据终端就绪DTE 准备就绪DTE-DCE20UART_CTS0清除发送CE 已切换到接收模式DCE-DTE18UART_RXD0接收数据DTE 接收串行数据DCE-DTE6GND地-3.4.3 UART接口DCE-DTE 配线DCE-DTE 的连接关系如图3-4 所示。图3-4 DCE-DTE 的连接关24沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文）第4章 铁电存储器4.1 铁电存储器的特点为了实现对预设电话号码的存储和对报警信息的记录，本系统采用了能够保证掉电数据不丢失的铁电存储器，该类存储器相对于传统的EEPROM有许多优点：1 传统的EEPROM写入次数有限，一般为10万次，而铁电存储器有着近乎无限次擦写的特性；2 传统的EEPROM写入速度较慢，一般需要CPU延时几个NOP的时间来等待写入，而铁电存储器有着和RAM相同的操作速度；3 EEPROM需要较大的能量来完成一次擦写，而铁电存储器在写入时属于微功耗。本设计选用了FM24C16来作为非易失性数据存储器，其特点如下：1. FM24C16A是一种串行非易失存储器，它的结构容量为512*8位，接口方式为工业标准二线制造串行接口，与串行EEPROM的功能操作相似，与EEPROM具有相同的引脚排列，不同之处在于，FM24C16A具有非常出色的写操作性能；2.FRAM内部采用读恢复机制操作。所以读写次数与每一次读写都有关系。FRAM结构是基于行与列阵列排布，行由A8- A2定义。 每次访问都会使一行减少一次读写寿命。铁电的擦写次数几乎可以说是无限次。即使每秒访问3000次，连续使用十年，使用寿命仍未终止。4.2 铁电存储器简介铁电存储器(FRAM)：相对于其它类型的半导体技术而言，铁电存储器具有一些独一无二的特性。传统的主流半导体存储器可以分为两类-易失性和非易失性。易失性的存储器包括静态存储器SRAM（static random access memory)和动态存储器DRAM （dynamic random access memory)。 SRAM和DRAM在掉电的时候均会失去保存的数据。RAM 类型的存储器易于使用、性能好，可是它们同样会在掉电的情况下会失去所保存的数据。非易失性存储器在掉电的情况下并不会丢失所存储的数据。然而所有的主流的非易失性存储器均源自于只读存储器（ROM）技术。 正如你所猜想的一样，被称为只读存储器的东西肯定不容易进行写入操作，而事实上是根本不能写入。所有由ROM技术研发出的存储器则都具有写入信息困难的特点。这些技术包括有EPROM (几乎已经废止）、EEPROM和Flash。 这些存储器不仅写入速度慢，而且只能有限次的擦写，写入时功耗大。铁电存储器能兼容RAM的一切功能，并且和ROM技术一样，是一种非易失性的存储器。铁电存储器在这两类存储类型间搭起了一座跨越沟壑的桥梁-一种非易失性的RAM当一个电场被加到铁电晶体时，中心原子顺着电场的方向在晶体里移动。当原子移动时，它通过一个能量壁垒，从而引起电荷击穿。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。铁电存储器技术和标准的CMOS制造工艺相兼容。铁电薄膜被放置于CMOS基层之上，并置于两电极之间，使用金属互连并钝化后完成铁电制造过程。Ramtron公司的铁电存储器技术到现在已经相当的成熟。最初的铁电存储器采用两晶体管/两电容器(2T/2C)的结构，导致元件体积相对过大。最近随着铁电材料和制造工艺的发展，在铁电存储器的每一单元内都不再需要配置标准电容器。Ramtron新的单晶体管/单电容器结构可以像DRAM一样，使用单电容器为存储器阵列的每一列提供参考。与现有的2T/2C结构相比，它有效的把内存单元所需要的面积减少一半。新的设计极大的提高了铁电存储器的效率，降低了铁电存储器产品的生产成本。Ramtron公司同样也通过转向更小的技术节点来提高铁电存储器各单元的成本效率。最近采用的0.35微米的制造工艺相对于前一代0.5微米的制造工艺，极大的降低了芯片的功耗，提高了单个晶元的利用率。所有这些令人振奋发展使铁电存储器在人们日常生活的各个领域广为应用。从办公室复印机、高档服务器到汽车安全气囊和娱乐设施，铁电存储器不断改进性能在世界范围内得到广泛的应用。4.3铁电存储器技术原理FRAM利用铁电晶体的铁电效应实现数据存储，铁电晶体的结构如图1所示。铁电效应是指在铁电晶体上施加一定的电场时，晶体中心原子在电场的作用下运动，并达到一种稳定状态；当电场从晶体移走后，中心原子会保持在原来的位置。这是由于晶体的中间层是一个高能阶，中心原子在没有获得外部能量时不能越过高能阶到达另一稳定位置，因此FRAM保持数据不需要电压，也不需要像DRAM一样周期性刷新。由于铁电效应是铁电晶体所固有的一种偏振极化特性，与电磁作用无关，所以FRAM存储器的内容不会受到外界条件诸如磁场因素的影响，能够同普通ROM存储器一样使用，具有非易失性的存储特性。FRAM的特点是速度快，能够像RAM一样操作，读写功耗极低，不存在如E2PROM的最大写入次数的问题。但受铁电晶体特性制约，FRAM仍有最大访问（读）次数的限制。4.4铁电存储器存储单元结构FRAM的存储单元主要由电容和场效应管构成，但这个电容不是一般的电容，在它的两个电极板中间沉淀了一层晶态的铁电晶体薄膜。前期的FRAM每个存储单元使用两个场效应管和两个电容，称为“双管双容”（2T2C），每个存储单元包括数据位和各自的参考位。2001年Ramtron设计开发了更先进的单管单容（1T1C）存储单元。1T1C的FRAM所有数据位使用同一个参考位，而不是对于每一数据位使用各自独立的参考位。1T1C的FRAM产品成本更低，而且容量更大。4.5铁电存储器FRAM的读/写操作FRAM保存数据不是通过电容上的电荷，而是由存储单元电容中铁电晶体的中心原子位置进行记录。直接对中心原子的位置进行检测是不能实现的，实际的读操作过程是：在存储单元电容上施加一已知电场（即对电容充电），如果原来晶体的中心原子的位置与所施加的电场方向使中心原子要达到的位置相同，则中心原子不会移动；若相反，则中心原子将越过晶体中间层的高能阶到达另一位置，则在充电波形上就会出现一个尖峰，即产生原子移动的比没有产生移动的多了一个尖峰，把这个充电波形同参考位（确定且已知）的充电波形进行比较，便可以判断检测的存储单元中的内容是“1”或“0”。无论是2T2C还是1T1C的FRAM，对存储单元进行读操作时，数据位状态可能改变而参考位则不会改变（这是因为读操作施加的电场方向与原参考位中原子的位置相同）。由于读操作可能导致存储单元状态的改变，需要电路自动恢复其内容，所以每个读操作后面还伴随一个预充（precharge）过程来对数据位恢复，而参考位则不用恢复。晶体原子状态的切换时间小于1ns，读操作的时间小于70ns，加上预充时间60ns，一个完整的读操作时间约为130ns。写操作和读操作十分类似，只要施加所要方向的电场改变铁电晶体的状态就可以了，而无需进行恢复。但是写操作仍要保留一个预充时间，所以总的时间与读操作相同。FRAM的写操作与其它非易失性存储器的写操作相比，速度要快得多，而且功耗小。4.6 FRAM的读写时序在FRAM读操作后必须有个预充电过程，来恢复数据位。增加预充电时间后FRAM一个完整的读操作周期为130ns，这是与SRAM和E2PROM不同的地方。4.7 FRAM与其它存储技术比较目前Ramtron公司的FRAM主要包括两大类：串行FRAM和并行FRAM。其中串行FRAM又分I2C两线方式的FM24 系列和SPI三线方式的FM25 系列。串行FRAM与传统的24 、25 型的E2PROM引脚及时序兼容，可以直接替换，如Microchip、Xicor公司的同型号产品，但各项性能要好得多，性能比较如表1所示。并行FRAM价格较高但速度快，由于存在预充问题，在时序上有所不同不能和传统的SRAM直接替换。FRAM产品具有RAM和ROM优点，读写速度快并可以像非易失性存储器一样使用。因铁电晶体的固有缺点，访问次数是有限的，超出了限度，FRAM就不再具有非易失性。Ramtron给出的最大访问次数是100亿次（1010），但是并不是说在超过这个次数之后，FRAM就会报废，而是它仅仅没有了非易失性，但它仍可像普通RAM一样使用。1.FRAM与E2PROMFRAM可以作为E2PROM的第二种选择，它除了E2PROM的性能外，访问速度要快得多。但是决定使用FRAM之前，必须确定系统中一旦超出对FRAM的100亿次访问之后绝对不会有危险。2.FRAM与SRAM从速度、价格及使用方便来看SRAM优于FRAM，但是从整个设计来看，FRAM还有一定的优势。假设设计中需要大约3K字节的SRAM，还要几百个字节用来保存启动代码的E2PROM配置。非易失性的FRAM可以保存启动程序和配置信息。如果应用中所有存储器的最大访问速度是70ns，那么可以使用一片FRAM完成这个系统，使系统结构更加简单。3FRAM与DRAMDRAM适用于那些密度和价格比速度更重要的场合。例如DRAM是图形显示存储器的最佳选择，有大量的像素需要存储，而恢复时间并不是很重要。如果不需要下次开机时保存上次内容，使用易失性的DRAM存储器就可以。DRAM的作用与成本是FRAM无法比拟的，事实证明，DRAM不是FRAM所能取代的。4FRAM与Flash现在最常用的程序存储器是Flash，它使用十分方便而且越来越便宜。程序存储器必须是非易失性的并且要相对低廉，且比较容易改写，而使用FRAM会受访问次数的限制。FRAM与单片机接口下面介绍并行FRAM -FM1808与8051/52的实际应用。预充电信号的产生在大多数的8051系统中，对存储器的片选信号 通常允许在多个读写访问操作时保持为低。但这对FM1808不适用，必须在每次访问时由硬件产生一个正跳变。标准8051核的一个机器周期包括12个时钟周期，ALE信号在每个机器周期中两次有效，除了对外部数据存储器访问时仅有效一次。8051对外部存储器的读或写操作需要两个机器周期。快速型8051如DS87C520或W77E58的一个机器周期仅需4 个时钟周期，而在一些新的如PHILIPS的8051中一个机器周期为6个时钟周期，而在任何一个机器周期中ALE信号都两次有效。尽管有这些不同，仍可以用ALE信号和地址片选来产生可用作FRAM访问CE的信号。要保证对FM1808的正确访问，必须注意两点：第一，访问时间必须大于70 ns（即FRAM的访问时间）；第二，ALE的高电平宽度必须大于60 ns。对于标准的8051/52ALE信号的宽度因不同厂家略有不同，一些快速的8051/52系列如DALLAS的DS87C520，WINBOND的W77E58则更窄一些，如表2所示。根据前面的介绍，要实现对FM1808的正常操作，对于标准8051/52来说主频不能高于20MHz，而对于高速型的8051/52主频不应高于23MHz。FM1808与8051的接口电路FM1808与8051接口电路，这里使用8051的ALE信号和由地址产生的片选信号相“或”来产生CE的正跳变。两片32K 8的FRAM存储器，A15与ALE通过74FC32相或作为U2的片选，取反后作为U3的片选。所以，U2的地址为07FFFH，U3的地址为8000HFFFFH。8051的RD信号与PSEN信号相“与”后作为U3的输出允许，所以U3作为程序或数据存储器使用。当J1跳接块在右边时，U2与U3用法相同，而J1跳接在左边时，U2仅作为程序存储器。要保证代码不会意外地被改写，仅需断开J2即可。需要注意的是，由于逻辑门电路都有68ns的延时时间，在主频较高时应使用快速型逻辑芯片（F系列）。总之，FRAM产品为我们提供了可使用的存储器的一种新选择，在原来使用E2PROM的应用中表现会更出色，为某些原来认为需要使用SRAM和E2PROM的应用系统找到一种新的途径。但是由于最大访问次数的限制，要成为理想的通用存储器，FRAM还有很长的路要走。/P二线制协议FM24C16使用二线制协议串行总线及其传输规约进行双向传输，这种方式占用脚位少，占用线路板空间小，下图描述了FM24C16在微处理器系统中的典型配置：图4-1 FM24C16配置第5章 实时时钟为了实现发生倾覆时，对发生倾覆的时间进行记录，且为了保证系统的可靠运行，要求系统进行自检并定时上报系统运行状态，因此需要系统具有实时时钟功能。本设计选用了DS12887实时时钟芯片。5.1 DS12887功能与特点介绍DS12887采用CMOS技术制成，把时钟芯片所需的晶振和外部锂电池相关电路集于芯片内部。采用DS12887芯片设计的时钟电路勿需任何外围电路并具有良好的微机接口。DS12887芯片具有微轼耗、外围接口简单、精度高、工作稳定可靠等优点，可广泛用于各种需要较高精度的实时时钟场合中。其主要功能如下：1内含一个锂电池，断电情况运行十年以上不丢失数据。2计秒、分、时、天、星期、日、月、年，并有闰年补偿功能。3二进制数码或BCD码表示时间、日历和定闹。412小时或24小时制，12小时时钟模式带有PWM和AM指导，有夏令时功能。5MOTOROLA5和INATAEL总线时序选择。6有128个RAM单元与软件音响器，其中14个作为字节时钟和控制寄存器，114字节为通用RAM，所有ARAM单元数据都具有掉电保护功能。7可编程方波信号输出。8中断信号输出(IRQ)和总线兼容，定闹中断、周期性中断、时钟更新周期结束中断可分别由软件屏蔽，也可分别进行测试。5.2 时间、日历和定闹单元时间和日历信息通过读相应的内存字节来获取，时间、日历和定时闹钟通过写相应的内存字节设置或初始化，其字节内容可以是十进制或BCD形式。时间可选择12小时制或24小时制，当选择12小时制时，小时字节高位为逻辑“1”代表PM。时间、日历和定闹字节是双缓冲的，总是可访问的。每秒钟这10个字节走时1秒，检查一次定闹条件，如在更新时，读时间和日历可能引起错误。三个字节的定闹字节有两种使用方法。第一种，当定闹时间写入相应时、分、秒定闹单元，在定时允许、闹钟位置高电平的条件下，定闹中断每天准时起动一次。第二种，在三个定闹字节中插入一个或多个不关心码。不关心码是任意从C到FF的16进制数。当小时字节的不关心码位置位时，定闹为小时发生一次由于相线小时和分钟定闹字节置不关心位时，每分钟定闹一次；当三个字节都置不关心位时，每秒中断一次。5.3 DS12887引脚定义图5-1引脚定义注：DS12887应用程序见附录第6章 倾角传感器6.1 倾角传感器原理倾角传感器可以用来测量相对于水平面的倾角变化量。理论基础就是牛顿第二定律，根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度。如果初速度已知，就可以通过积分计算出线速度，进而可以计算出直线位移。所以它其实是运用惯性原理的一种加速度传感器。当倾角传感器静止时也就是侧面和垂直方向没有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角了。随着MEMS 技术的发展，惯性传感器件在过去的几年中成为最成功,应用最广泛的微机电系统器件之一，而微加速度计(microaccelerometer)就是惯性传感器件的杰出代表。作为最成熟的惯性传感器应用，现在的MEMS 加速度计有非常高的集成度，即传感系统与接口线路集成在一个芯片上。倾角传感器把MCU，MEMS加速度计，模数转换电路，通讯单元全都集成在一块非常小的电路板上面。可以直接输出角度等倾斜数据，让人们更方便的使用它。其特点是： 硅微机械传感器测量(MEMS)以水平面为参面的双轴倾角变化。输出角度以水准面为参考，基准面可被再次校准。数据方式输出，接口形式包括RS232、RS485和可定制等多种方式。抗外界电磁干扰能力强。8承受冲击振动10000G6.1.1 “固体摆”式惯性器件固体摆在设计中广泛采用力平衡式伺服系统，如图1所示，其由摆锤、摆线、支架组成， 摆锤受重力G和摆拉力T的作用，其合外力F为：(1)其中，为摆线与垂直方向的夹角。在小角度范围内测量时，可以认为F与成线性关系。如应变式倾角传感器就基于此原理。6.1.2 液体摆”式惯性器件液体摆的结构原理是在玻璃壳体内装有导电液，并有三根铂电极和外部相连接，三根电极相互平行且间距相等，如图2所示。当壳体水平时，电极插入
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