富士通FRAM在智能水/气表市场中的应用

 在计量仪表行业，水表/气表目前仍是不同于电表的一个“蓝海”市场，对成本的敏感度远低于对功耗的敏感度，正是因为这一特点，使得FRAM这一无电池存储技术在无论是通信单元(中继)还是计量单元都得到越来越多的应用。 

而在深圳最近举办的2015智能水/气计量及管网执行力论坛（WATER&GAS METERING China2015）上，富士通半导体的展台人头攒动，业界对这一新型存储技术的关注可见一斑，FRAM在电表领域的成功很快将延伸到一颗电池要用10-15年的水/气表中，甚至有过之而无不及。 

富士通半导体FRAM产品中国市场负责人、市场部高级经理蔡振宇进一步分析了个中因素：相比电表的智能化程度，水表/气表的电子化和智能化还属于刚刚起步，因此市场空间巨大，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；另外，人口红利消失和劳动力成本不断上升正推动远程抄表系统的部署，水表/气表的智能化程度必须也正在不断提到，这也会带动存储器的应用，特别是读写寿命长、功耗极低有利于延长电池使用寿命的FRAM将有极大的用武之地。 

富士通半导体作为此次论坛的重要赞助商，除了展出非常适合水表/气表及工业应用的FRAM产品方案和演示板、的功率及信号继电器产品系列之外，还在论坛上做了题为“富士通铁电在流量计中的应用”的精彩演讲，深入分析了FRAM相对EEPROM、Flash的优势和应用案例。 

对非易失性存储器的认知 

作为非易失性存储器，FRAM具有接近SRAM和DRAM这些传统易失性存储器的级别的高速写入速度，读写周期是传统非易失性存储器的1/30,000，但读写耐久性却是后者的1,000万倍，达到了10万亿次，可实现高频繁的数据纪录 (实时的记录)。

“相当于可以从唐朝写到现在！”蔡振宇在演讲中这样形象地描述FRAM的读写耐久性，若按5ms一次读写频率来计算，达到10万亿次花费的时间是1,585年。EEPROM只有100万次读写寿命，若按此读写频率，1个半小时就会报废，更别说只有10万次读写寿命的Flash了。另外，FRAM的数据保持时间也极长，在85℃环境下，可以达到至少10年。

有人可能会提到，EEPROM/Flash可以分区来操作读写以提高寿命，即耗损均衡技术（wear leveling），”蔡振宇还分析道，“但这样会对软件的冗余度提出更多要求，并占用CPU（MCU）更多工作时间，因而会提升系统功耗，尤其不适合水表/气表这种电池供电计量应用。而不需要wear leveling的FRAM可实现存储器的小容量化，降低软件的复杂化和漏洞(bug)混入的可能性，工程师犯错的几率也降低了，提升了整个系统的可靠性。”另外他提到，无论是电池供电还是电路供电，采用FRAM后，断电时即使需要数据写入操作时也不需要大电容。 

而谈到器件功耗本身，FRAM又展现“傲娇”的一面，EEPROM/Flash读写周期较长，擦写时特别耗电，而FRAM读写周期短，因而功耗水平只有EEPROM的大约1/300、Flash的1/100,000。 

“若水表/气表没有办法从MCU的角度去降低功耗，可以再考虑转换存储器类型来帮助降低整个系统功耗。”蔡振宇给参加论坛的业内人士建议道。而且，如果使用EEPROM或Flash的话，若在长时间的数据写入期间发生电源中断，数据有丢失的危险，而FRAM不会有此风险，因而断电时，即使需要数据写入操作时，也不需要大电容。

在本次论坛的展区现场，富士通半导体通过拍摄图片的方式现场演示了FRAM的高速读写和可靠保存数据的优势，并通过接通一盏LED的亮度不同体现功耗的巨大差异。

另外，蔡振宇在演讲时还特别强调，富士通半导体的FRAM与EEPROM封装相同，引脚也*兼容，功能方面也具有兼容性，各种接口通用（I2C、SPI和并口），协议兼容，替代使用上没有任何障碍。

流量计中的中、外应用实例 

而FRAM的应用领域广泛，富士通FRAM过去几年在中国的智能卡、电力仪表（三相表和集中器）、工业控制、办公设备、汽车音响导航仪器、游戏机、RFID、科研及医疗电子标签等等行业取得了可喜的成绩，得到大批量应用。如下图所示，富士通半导体的FRAM进入水、气表市场领域已近两年，那么进展情况如何呢？据蔡振宇介绍，虽说整体经济环境比较疲软，但并没有阻止水表气表的智能化进程，对FRAM需求增长平稳，富士通FRAM在这领域的营收增长达到了30%。

他进一步指出：“中国的水表气表制造商/方案商集中在江浙沪、重庆等地，已有不少开始采用FRAM进行新产品的研发，而集中抄表模块制造商、开发商在华南居多，他们对FRAM也产生了浓厚兴趣，一些新项目研发已在开始采用FRAM。”

与电力仪表一样，富士通FRAM正在成为水表/气表及其集抄系统的解决方案选择。如下图所示，在水表/气表系统，从集中器到每家每户的水表/气表终端，都能够看到FRAM的身影。在集中器中，FRAM用于储存通信历史数据，而在气表应用中，FRAM用于储存煤气流量历史数据，在水表应用中，FRAM用于储存水流量历史数据。

蔡振宇表示：“电池寿命问题是靠一个电池供电的水表/气表的关键所在，里面的电池需要用到10-15年。而低功耗的富士通半导体FRAM本身功耗就相对很低，加上富士通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!”

如上图所示， 在相同的条件下（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！ 

“FRAM在性能上的优势是明显的，不过存储产品的质量也是客户非常看重的另外一个因素。”蔡振宇最后总结道，“富士通半导体使用成熟技术生产FRAM的时间已经超过10年。我们从1999年开始量产，15年已经累计销售达到25.8亿片FRAM产品。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对客户的承诺。”