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智能化与物联网的大潮中 FRAM助力三表设计新突破

前些年随着一部轻喜剧的播出,“查水表”一词已被引申为调侃之语了。而伴随着智能化大潮的到来,这个曾与我们老百姓生活息息相关的词在日常生活中也正与我们渐行渐远,因为传统三表已经实现了智能计量和无线数据采集、数据实时存储和无线采集。作为其中的关键环节,数据存储的低功耗和可靠性越来越受到关注。在不久前闭幕的智能水/气计量产业链高峰论坛(WATER & GAS METERING China2016)上,富士通电子元器件(上海)有限公司亚太区市场部总经理王钰针对三表数据存储发表了专题演讲。

作为三表中智能化走得较早的电表,其智能化普及程度远远领先于气表和水表,业界曾预测智能电表的普及率在2016年将超过90%。“富士通全球FRAM存储器销量在2015年就已经累计超过25亿片,而这其中很大部分是应用于电表中的,而中国是全球电表制造的中心。”王钰指出。然而,水表/气表的电气化能力和电表相比还有相当大的差距。“FRAM在水/气表中的应用也能看出这点,水/气表的智能化刚刚开始,远较电表落后,但趋势已经启动,目前陆续已经有十多家水/气表公司采用我们的方案批量上市。”王钰介绍道,“而阶梯价格政策,也进一步推动着智能水气表计的发展,对于水/气表的性能有了更高的要求。以FRAM为代表的高性能方案正在迎来好的机遇。”

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图1:计量行业人气齐聚、济济一堂的富士通FRAM主题演讲会场

水气计量智能化的存储新需求

阶梯收费要求水表/气表存储更多的信息,而且还要低功耗,这对于水表/气表存储关键数据的器件就提出了更高的要求。特别是为建设节水型社会,国家相关部门已明确提出用水要全面实施阶梯收费,水表改造的推进实现将快速推动数据存储等电子元件在水表/气表中的应用,特别是对存储器功耗、耐久性和可靠性提出新的需求。

“随着阶梯水价政策的提出,我国的水/气都在涨价,涨价的原因在于阶梯收费会增加水表/气表的成本,因为阶梯收费要求水表/气表能存储更加多的信息,而且还要低功耗,这对于水表/气表存储关键数据的器件就提出更高的要求。”王钰指出。

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图2:几种存储解决方案的性能对比

传统的三表存储方案通常基于EEPROM或Flash实现,然而,这两类器件在性能上有明显的不足。“EEPROM和Flash存储器能写入大约100万次,如果按0.5秒记录一次数据计算, EEPROM仅5天就将“寿终正寝”,难以支持实时记录的要求。”王钰表示。据悉,使用EEPROM时,很多厂商为了避免达到EEPROM的写入极限,频繁使用EEPROM/Flash的耗损均衡技术(wear leveling)。此外,作为电池供电的设备,水/气表的功耗也是需要考虑的问题,如何在存储环节省下每一个uW的功耗?

FRAM是克服存储三大痛点的正

“FRAM存储作为EEPROM的‘天然’替代解决方案,已经在智能电表中获得普及性应用。”王钰指出,“这种替代行动大约从2015年前就开始了。随着FRAM技术的成熟,产品更加广泛、价格逐渐走低,已经成为当前智能电表的主流选择。全球电力仪表知名企业Top 10中已有6家的电表在采用富士通 FRAM!而在水/气表行业,目前正像四、五年前的智能电表行业一样,FRAM正在迅速导入到业界的新方案设计中。”

FRAM为何能续写智能电表行业“攻城略地”的成功?王钰认为主要缘于FRAM完美地从以下三方面解决了水/气表设计的痛点:  

FRAM为超低功耗非易失性存储器,功耗预算极低(富士通FRAM 功耗仅为EEPROM的1/50); FRAM具有高速写入特点,无须超级电容; FRAM具有高读写耐久性,运行软件简单,无须耗损均衡(wear leveling)。

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图3:FRAM显著的读写速度优势

水表/气表都是采用电池供电的设备,里面的电池需要使用10-15年,因此功耗预算非常敏感,电路的所有环节都需要尽量降低功耗。“FRAM本身功耗就很低,加之富士通FRAM的读写高速性能将大大缩短微处理器演算状态,延长其待机状态,因而能进一步延长电池寿命。”。王钰在演讲中介绍道,在相同的比较条件下(比较元件容量为16Kbit,功耗包括待机电流),采用EEPROM 耗电量高达500mAh,而采用FRAM的耗电量仅10mAh,后者仅为前者的1/50!

据悉,FLASH的读写时序是先擦除、然后发送写入指令、再写入,这个过程耗时0.5秒之久!EEPROM相比Flash明显快很多,但是需要一直等到写入完成。而FRAM直接发布写入指令即完成数据写入的动作,只需极短的时间。“更关键的是,这么长的读写时间有可能导致EEPROM或Flash数据写入期间发生电源中断,数据有丢失的风险!”王钰指出。

“其次,FRAM的可靠性还体现在远比EEPOM或Flash具备更多的读写次数。FRAM的读写次数最大可达10万亿次,可实现高频繁的数据纪录,比如实时记录,这是EEPROM或Flash很难支持的。”王钰在演讲中强调道。

据王钰介绍,使用EEPROM时,很多厂商为了避免达到EEPROM的写入极限,频繁用到EEPROM/Flash的耗损均衡技术(wear leveling)。例如,MCU将数据流D1到Dn发送到EEPROM,将EEPROM分成四个存储区域,第一个数据写入到区域一的地址一中,第二个数据写入地址二中,第二次将第一个数据写入到存储区域二的地址一,第三次、第四次……从而将写入耐久性提高四倍。FRAM的读写次数多(高耐久性),根本不需要使用耗损均衡技术,从而可实现存储器的小容量化,降低软件的复杂度和漏洞混入的可能性。

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图4:水表、电表和气表,它们都拥有共同的性能卓越的数据存储器——FRAM

存储独门秘籍是怎样炼成的

FRAM作为一种独特的存储器件,近年来在三表应用、医疗、工业控制、物联网、传感器网络等领域的应用风生水起,而在这些应用中,几乎总能看到富士通的身影。“我们的FRAM产品线相当宽泛,容量从4Kb到4Mb,涵盖SPI和IIC串行接口、并行接口。”王钰表示。据悉,由于掌握着从研发、设计到量产及封装的整个流程,加上多年丰富的经验,富士通半导体能始终保证FRAM产品的高品质和稳定供应。未来富士通半导体还将不断推出更多新品,逐步实现大容量化。据悉,富士通已经开始着手研发8Mb的产品。

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图5:完全兼容EEPROM,设计无需更改

FRAM在性能上的优势是显而易见的,但作为计量产品,无论是水/气表还是电表方案,客户首要关注的是质量。 “富士通半导体使用成熟技术生产FRAM的时间已经超过16年,累计销售达到25.8亿片,高可靠性、完备一体的供货系统、宏大的经营业务远景是我们的FRAM在客户的电表产品中获得广泛应用的关键因素之一。” 王钰指出。

此外,产品兼容性也是王钰比较强调的方面,客户无需对其当前的方案做出任何修改:采用串行接口的FRAM可以替代EEPROM或串行闪存,而采用并行接口的FRAM产品可以代替低功耗SRAM或PSRAM (Pseudo SRAM)。在封装方面,目前FRAM基本可以直接替换EEPROM, FRAM的封装和EEPROM的封装是完全兼容的。

“中国市场已经成为富士通FRAM在全球最大的潜力市场。我们在产品的价格、交货、工厂产能分配及技术支持等方面都给予了中国客户很大支持。”王钰表示。在本次论坛中,富士通再次与来自政府、水/气表设计生产厂家以及自来水和燃气公司多层面互动交流,FRAM的卓越特性受到业界的深度关注,继智能电表之后,FRAM在水表和气表行业正在迎来又一个春天。

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责任编辑:常慧思