Ein Bereich mit zahlreichen interessanten Anwendungen sind die Anforderungen an ein kleines Datalogging-Journal (1 kByte bis 1 MByte). Diese Logdaten enthalten meist laufende Kalibrierungs-Informationen oder sie erfassen Einzelheiten über den Arbeitsfortschritt dessen, was eine Maschine zum gegebenen Zeitpunkt verarbeitet. Misst und verfolgt ein System beispielsweise eine Reihe durchlaufender Arbeitsprodukte und leitet diese an nachfolgende Prozesse weiter, dann darf es dabei entstehende Fortschrittsinformationen bei plötzlichen Stromausfällen nicht verlieren – es benötigt EERAM. Nach Fertigstellung eines jeden Objekts kommt es zur Rücksetzung des Datalogging-Speichers, sodass der Speicher mit der Verfolgung des nächsten, nachfolgenden Objektes beginnen kann.

Das Beispiel eines Leistungsmessers, beschrieben am Ende des Beitrags, soll dies noch weiter verdeutlichen. Für Arbeitsergebnisse wie gedrechselte Holzbauteile, gedrehte Gewindegänge für einen Einsatzbolzen oder eine Reihe von Spezifikationsmessungen (Lochpositionen, Objektbreite und Höhe, Gewicht, Lack-Aufbringung etc.) in einer laufenden Fertigungslinie trifft dies gleichermaßen zu.

Datenaufzeichnung mit EERAM

SRAM Normalzustand

Bild 1: Der Betrieb eines SRAM im Normalzustand. Für den Betrieb als nichtflüchtigen Speicher ist ein Kondensator hinzuzufügen. Microchip

Mikrocontroller von Microchip besitzen integrierte SRAM-, EEPROM-, NOR Flash- oder ähnliche Funktionsblöcke. Anwender können aber in bestimmten Fällen geringere Gesamt-Stücklistenkosten erreichen, indem sie ihr Datalogging-Journal außerhalb des Mikrocontrollers anordnen und diesen externen Datenlog über einen I2C- oder SPI-Port verwalten. Unabhängig von den Kosten können solche externen Datenlogging-Speicher den zusätzlichen Vorteil einer separaten Steuerung im Rahmen einer Sleep-Mode Strategie des Gesamtsystems bieten.

ECK-Daten

Sowohl in der Industrie als auch bei privaten Haushalten ist jederzeit mit der Möglichkeit eines Stromausfalls zu rechnen. Der Einsatz von nichtflüchtigen EERAMs soll die Aufzeichnung wichtiger Daten gewährleisten, damit es bei der Rückkehr in den Normalbetrieb zu keinen Störungen kommt. Anwender sollten bei EERAMs etwa doppelt so hohe Preise wie bei seriellen EEPROMs bei gleicher Speicherdichte und Nutzungsrate erwarten. Mit diesen zusätzlichen Kosten erhalten Entwickler aber auch das unbegrenzte Read/Write SRAM Feature und 100.000 Store-Zyklen für die nichtflüchtigen Backup-Transistoren.

Verändert sich eine Datenlogging-Anwendung nur sehr selten, benötigt aber Nicht-Flüchtigkeit (Datenerhalt auch bei plötzlichem Stromausfall), dann sind serielle EEPROMs die gängige Lösung. Solche Speicher sind kosteneffizient und damit für Entwickler die Lösung der Wahl, wenn die gespeicherten Daten über die gesamte Anwendungs-Lebensdauer weniger als eine Million Mal überschrieben werden. Dabei ist wichtig zu wissen, dass EEPROM-Datenblätter nur eine Million Speicherzyklen für jede Speicher-Seite oder jedes Speicher-Byte versprechen.

Manche Anwendungen aber erfordern Datenaufzeichnungen, bei denen sich der Dateninhalt über die gesamte Anwendungs-Lebensdauer wesentlich häufiger als diese spezifizierten eine Million Male verändert.

Abläufe eines SRAM bei Vcc-Stromausfall.

Bild 2: Abläufe eines SRAM bei Vcc-Stromausfall. Die Ladung des Kondensators wird genutzt, um die Daten in den EEPROM zu übertragen. Microchip

EERAMs sind die Lösung für solche Anforderungen. Dabei ist der Mikrocontroller über I2C oder SPI angeschlossen (Bild 1). EERAM hat eine normale SRAM-Zellenstruktur aus sechs Transistoren. Ein EERAM-Anwender benutzt den EERAM genauso wie einen seriellen SRAM: Lesen und schreiben der Daten erfolgt in 8-Bit-Bytes. Die Ausführung von Byte- oder Burst-Schreib- oder -Lesevorgänge erfolgt bei Bedarf ohne Rücksicht auf Speicherzyklen oder Belastbarkeit. In Bild 1 ist zu beachten, dass für den Betrieb eines nichtflüchtigen SRAM ein externer Kondensator CVCAP (typisch 33µF) hinzuzufügen ist. Wenn die Versorgungsspannung das erste Mal am EERAM anliegt, erfolgt die Ladung dieses Kondensators über den Baustein auf Vcc.

Verhalten bei Stromausfall

Im normalen SRAM-Betrieb bleibt der Kondensator auf Vcc geladen, und das Bauteil überwacht den Vcc-Wert im System. Fällt Vcc im System unter einen voreingestellten Schwellenwert ab, interpretiert der Baustein dies als ein Stromausfall- oder Brownout-Ereignis. Dann hält der Baustein alle I/O-Operationen an (Bild 2), unterbricht seine Verbindung zum Vcc-Pin und nutzt die im Kondensator gespeicherte Energie zur Versorgung des Bauteils über das VCAP-Pin, während es sämtliche Daten aus dem SRAM in den EEPROM transferiert. Beim nächsten Einschalten von Vcc gelangen die Daten zurück in den SRAM, der Kondensator wird erneut aufgeladen, und der SRAM-Betrieb kann genau dort weiterlaufen, wo er zuvor aufgehört hat.

I2C-Produkte sind verfügbar mit 4 kByte, 16 kByte und 64 kByte. SPI-Produkte enthalten 64 kByte, 256 kByte, 512 kByte und 1 MByte Speicher. Das 8-Pin-SOIC-Gehäuse ist das Großserien-Gehäuse der Wahl für alle Schnittstellen und Speicherdichten, obwohl für manche dieser Produkte auch einige andere Gehäuse verfügbar sind.

Roboterarm

Bild 3: Nach einem Stromausfall muss der Roboter die nötigen Informationen erhalten, in welchem Zustand er sich vor dem Ereignis befunden hat, um die Aktion korrekt abschließen zu können. Microchip

Anwender sollten bei EERAMs etwa doppelt so hohe Preise wie bei seriellen EEPROMs bei gleicher Speicherdichte und Nutzungsrate erwarten. Mit diesen zusätzlichen Kosten erhalten Entwickler das unbegrenzte Read/Write SRAM Feature und 100.000 Store-Zyklen für die nicht-flüchtigen Backup-Transistoren. Bereits seit einigen Jahrzehnten boten serielle FRAM-Speicher (FeRAM) diese Funktionen für viele derartige Anwendungen. Die Auslieferungszahlen von seriellen FRAMs sind ein klarer Beleg für die Notwendigkeit und den Umfang solcher NVSRAM-Funktionen, und EERAM erfüllen diesen Bedarf zu einem günstigeren Preis. Die ersten Anwender solcher Bausteine sind Nutzer von FRAM-ICs, die nicht nur ihre Stücklistenkosten senken, sondern auch durchgehend Standard-Technologien nutzen wollen.

Anwendungsbeispiel: intelligenter Stromzähler

Als Einsatzbeispiel soll ein Einfamilien-Wohnhaus dienen, das für ein intelligentes Stromzähler-Netz aufgerüstet ist. Der Hausbesitzer kann seinen Stromverbrauch (Waschmaschine/Trockner etc.) auf Strompreise außerhalb der Spitzenverbrauchs-Phasen einstellen, und der Stromversorger kann den Stromverbrauch in Minuten-Intervallen messen, um das Stromnetz in seinem Bereich besser zu steuern. Dabei erfasst der Zähler den Stromverbrauch im Haus im Sekundentakt und überträgt die daraus folgende Datenaufzeichnung alle zwei Sekunden in das Netz. Sobald die Messwerte der letzten zwei Minuten übertragen sind, kann der Stromzähler mit der Messung des Stromverbrauchs für die nächsten zwei Minuten beginnen, wobei er die alte Datenaufzeichnung löscht. Im Stromnetz dieses Bereichs, sind pro Jahr maximal 20 mögliche Brownout- oder volle Stromausfall-Ereignisse zu erwarten. Obwohl der Verlust der Messdaten aus einer Zwei-Minuten-Periode bei einem einzigen Haus kaum Folgen für die Profite des Stromversorgers hat, wäre der Verlust dieser zwei Minuten an Messdaten für einen gesamten Netzbereich durchaus relevant. Hier bietet EERAM eine Lösung: Die Technik ermöglicht eine Daten-Wiederherstellung bei Stromausfall und ist aktuell die kostengünstigste Lösung in dieser Kategorie serieller NVRAMs mit 4 kByte bis 1 MByte Speicherumfang.

EERAM-Vorteile im Kurzüberblick

Intelligenter Stromzähler

Bild 4: Mit einem intelligenten Stromzähler kann der Anwender seinen Stromverbrauch (Waschmaschine/Trockner etc.) auf Strompreise außerhalb der Spitzenverbrauchs-Phasen einstellen. Microchip

Zunächst einmal bestehen EERAMs aus einem SRAM und Floating-Gates, also aus Standardstrukturen der meisten heutigen CMOS-Produkte. EERAMs bedeuten also für die Fertigung keine ungewohnten Prozesse oder chemischen Substanzen. Diese Bausteine lassen sich in vielen Halbleiterfertigungen weltweit herstellen. Qualität und sehr niedrige Ausfallraten im Feld zählen zu ihren stärksten Pluspunkten.

Darüber hinaus verhalten sich EERAMs genau wie serielle SRAMs – sie haben die gleiche serielle I2C- oder SPI-Timing-Schnittstelle und kommen in den gleichen Gehäusen – sie lassen sich also leicht einsetzen. Weiterhin sind Byte-Lese- und -Schreibvorgänge symmetrisch, sodass es möglich ist, ein Byte genauso schnell zu schreiben wie auch zu lesen. Sie ermöglichen auch unendlich viele Byte-Lese- und -Schreibvorgänge genau wie bei einem SRAM – weil sie SRAM enthalten. Weil sie aber nichtflüchtige Gatter enthalten, sind bei diesen Bauteilen nur 100.000 Power-Off/Power-On-Zyklen möglich, bevor diese nichtflüchtigen Gatter verbraucht sind.