基于I2C串行通信的EEPROM在電視中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

　　1 前言 　　

　　近年來(lái)，數(shù)字化電視技術(shù)迅猛發(fā)展，特別是遙控系統(tǒng)的面市，各廠商在電視機(jī)中加人微處理器(MCU)，各種人工智能化彩電完全替代了老式電視手動(dòng)(機(jī)械式)控制和記憶方式。隨著電視專(zhuān)用MCU功能日益強(qiáng)大，用戶(hù)使用的功能日趨豐富，所需存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)和刷新速度不斷提高，先后涌現(xiàn)出各種型號(hào)和規(guī)格的存儲(chǔ)器。目前，電視機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的是E2PROM。

因?yàn)镋2PROM保存著大量與電視機(jī)工作狀態(tài)密切相關(guān)的數(shù)據(jù)，其可靠性就遙控電視而言至關(guān)重要，視為第二核心器件。E2PROM與第一核心器件 (MCU)保持通信，并存儲(chǔ)電視機(jī)的工作信息。有時(shí)由于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的丟失造成重大損失，甚至導(dǎo)致數(shù)據(jù)無(wú)法修復(fù)。因此，在電視系統(tǒng)中，對(duì)于系統(tǒng)數(shù)據(jù)和用戶(hù)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)一般采用電可擦除存儲(chǔ)器E2PROM。E2PROM具有操作簡(jiǎn)便、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)、存儲(chǔ)溫度范圍廣、可擦寫(xiě)次數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)。以ATMEL公司推出的 AT24CXX系列為代表的串口通信E2PROM，以其質(zhì)量可靠、接口簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為電視產(chǎn)品設(shè)計(jì)中E2PROM的首選器件。

2 AT24CXX系列簡(jiǎn)介 　　

與并行通信存儲(chǔ)器相比，串行通信存儲(chǔ)器以其占用很少的資源和I／O總線(xiàn)、體積小等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用廣泛。典型的串行通信E2PROM AT24CXX是I2C總線(xiàn)串行器件，具有工作電源寬(1.8～5.5 V)，抗干擾能力強(qiáng)f輸入引腳內(nèi)置施密特觸發(fā)器濾波抑制噪聲)，功耗低(寫(xiě)狀態(tài)時(shí)最大工作電流3 mA)，高可靠性(寫(xiě)次數(shù)100萬(wàn)次，數(shù)據(jù)保存100年)，支持在線(xiàn)編程等特點(diǎn)。

圖1給出AT24CXX的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，SDA引腳可實(shí)現(xiàn)雙向串行數(shù)據(jù)傳輸，在SCL引腳輸入時(shí)鐘信號(hào)的上升沿將數(shù)據(jù)送入E2PROM，并在時(shí)鐘的下降沿將數(shù)據(jù)讀出。

根據(jù)存儲(chǔ)器空間地址的大小，AT24CXX分為C02／2K、C04／4K、C08(A)／8K、C16／16K等多種版本，各版本器件除存儲(chǔ)空間不同外，其內(nèi)部性能基本一致，用戶(hù)可根據(jù)實(shí)際使用的條件合理選擇相應(yīng)器件。A2、A1和A0引腳為AT24CXX的硬件連接的器件地址輸入引腳。一條總線(xiàn)上最多可掛接8個(gè)AT24C02或4個(gè)AT24C04或2個(gè)AT24C08(A)或1個(gè)AT24C16。

另外，AT24CXX系列器件具有用于硬件數(shù)據(jù)寫(xiě)保護(hù)功能引腳。當(dāng)該引腳接低電平時(shí)，允許器件正常讀／寫(xiě)操作；當(dāng)該引腳接高電平時(shí)，器件啟動(dòng)寫(xiě)保護(hù)功能。各版本器件的寫(xiě)保護(hù)功能說(shuō)明及存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如表1所示。

3 AT24CXX在彩電中的設(shè)計(jì)及應(yīng)用 　　

雖然AT24CXX外圍引腳和元件數(shù)很少，接口電路簡(jiǎn)單，但在實(shí)際CRT彩電應(yīng)用中，由于電視機(jī)內(nèi)存在高壓跳火等干擾信號(hào)，E2PROM會(huì)出現(xiàn)一些“怪”現(xiàn)象，導(dǎo)致電視機(jī)工作異常。以下給出導(dǎo)致電視機(jī)異常工作的主要現(xiàn)象。

3.1 非人為因素改變E2PROM部分?jǐn)?shù)據(jù) 　　

這種現(xiàn)象表現(xiàn)為電視機(jī)的工作狀態(tài)在某次開(kāi)機(jī)后工作異常。如果在發(fā)現(xiàn)異常后無(wú)任何處理，將在一段時(shí)間內(nèi)保持異常狀態(tài)。最常見(jiàn)現(xiàn)象如系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù) (行、場(chǎng)數(shù)據(jù))的突變，這種現(xiàn)象一般是由開(kāi)機(jī)時(shí)顯像管打火或其他原因?qū)е翴2C總線(xiàn)數(shù)據(jù)線(xiàn)工作異常產(chǎn)生的誤操作。出現(xiàn)這種現(xiàn)象時(shí)，如果在工廠菜單或用戶(hù)菜單里根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)調(diào)整這些突變的數(shù)據(jù)，則可以糾正解決；如果這些突變的數(shù)據(jù)無(wú)法調(diào)整，則必須采取軟件復(fù)位、E2PROM賦初始值等方法解決。

從硬件上預(yù)防這種現(xiàn)象的方法大多是在I2C總線(xiàn)的SDA、SCL數(shù)據(jù)線(xiàn)靠近E2PROM引腳處，與地線(xiàn)間加穩(wěn)壓二極管，從而起到保護(hù)總線(xiàn)端口的作用，如圖2中的VD1、VD2。根據(jù)長(zhǎng)期產(chǎn)品跟蹤的結(jié)果表明，采用此方法E2PROM數(shù)據(jù)出錯(cuò)率小于3‰。但是此方法只能減小寄存器數(shù)據(jù)出錯(cuò)率，而不能從根本上消除數(shù)據(jù)出錯(cuò)，但一般也不會(huì)導(dǎo)致E2PROM相應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū)域物理?yè)p壞。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，幾乎不占用器件資源。

目前最科學(xué)的方法是利用E2PROM的寫(xiě)保護(hù)功能，AT24C08A的第7引腳是數(shù)據(jù)通信寫(xiě)保護(hù)引腳WP(低電平有效)，將其與MCU處理器 I／O接口連接，如圖3所示。在E2PROM寫(xiě)操作期間，MCU處理器I／O接口輸出低電平，E2PROM允許I2C總線(xiàn)寫(xiě)入數(shù)據(jù)，而在其他操作過(guò)程中，該I／O接口輸出高電平，E2PROM不允許I2C總線(xiàn)寫(xiě)入數(shù)據(jù)。此方法成本低(省去兩個(gè)穩(wěn)壓二極管)，出錯(cuò)率更低，但需軟件支持。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，使用 E2FROM寫(xiě)保護(hù)功能，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率小于1‰。如果同時(shí)使用上述這兩種方法，E2PROM數(shù)據(jù)出錯(cuò)率則更低，效果更佳。

3.2 E2PROM部分區(qū)域物理?yè)p壞 　　

常溫下，短期內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生E2PROM部分區(qū)域物理?yè)p壞的現(xiàn)象。由于E2PROM在常溫下的可擦寫(xiě)100萬(wàn)次。但在高溫下，E2PROM的可擦寫(xiě)數(shù)大大降低。如果高溫下頻繁對(duì)E2PROM進(jìn)行擦寫(xiě)操作，短期內(nèi)易導(dǎo)致E2PROM部分區(qū)域物理?yè)p壞。其表現(xiàn)為特定數(shù)據(jù)無(wú)法正常存儲(chǔ)，即使使用燒錄器強(qiáng)制燒錄也不能恢復(fù)。判定E2PROM部分區(qū)域物理?yè)p壞的方法：用燒錄器將E2PROM中每個(gè)地址分別置0和1狀態(tài)，可檢查有無(wú)區(qū)域物理?yè)p壞。確認(rèn)是 E2PROM損壞，則必須更換新的E2PROM才能排除電視機(jī)的故障。若軟件處理不當(dāng)則引起這種現(xiàn)象。要防止這種情況發(fā)生必須從軟件著手，從而避免對(duì)特定區(qū)域頻繁操作。典型實(shí)例是某高清CRT彩電AFT頻率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)及其他一些判別系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。以AFT頻率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)為例，當(dāng)環(huán)境工作溫度及電源電壓變化后，高頻調(diào)諧器會(huì)有一定的頻率點(diǎn)漂移。軟件設(shè)計(jì)時(shí)，頻率點(diǎn)偏移后，軟件程序應(yīng)即時(shí)記錄下新的頻率點(diǎn)偏移電壓值并將其數(shù)值存儲(chǔ)到E2PROM指定地址中。高溫下，由于相關(guān)器件的參數(shù)發(fā)生變化，頻點(diǎn)會(huì)隨溫度升高不斷漂移，使E2PROM數(shù)據(jù)刷新異常頻繁，從而導(dǎo)致電視機(jī)在高溫負(fù)荷試驗(yàn)中出現(xiàn)E2PROM 物理?yè)p壞。在查明原因后，應(yīng)對(duì)該軟件進(jìn)行修改，將實(shí)時(shí)存儲(chǔ)頻點(diǎn)數(shù)據(jù)方式改為頻率跟蹤掉電存儲(chǔ)方式，即只在電視機(jī)關(guān)機(jī)掉電的情況下記錄該數(shù)據(jù)，這樣可減少 E2PROM數(shù)據(jù)刷新次數(shù)，從而解決上述問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ) 　

E2PROM作為一種通用存儲(chǔ)器件，在設(shè)計(jì)時(shí)往往容易忽視一些對(duì)其細(xì)節(jié)方面的考慮，其中一些問(wèn)題在設(shè)計(jì)試制階段被發(fā)現(xiàn)并解決，還有一些問(wèn)題是要在量產(chǎn)乃至售后一段時(shí)間后才暴露出來(lái)。因此，完整的現(xiàn)代電子產(chǎn)品系統(tǒng)，更多的是需要依靠軟硬件相互配合開(kāi)發(fā)，才能使產(chǎn)品的可靠性到達(dá)最佳狀態(tài)。