存儲(chǔ)實(shí)戰(zhàn)：MR25H40CDF與PIC18LF45K80方案解析)
設(shè)備批量交付前最后一次老化測(cè)試甲方工程師指著原理圖上那顆存儲(chǔ)芯片問(wèn)“怎么沒(méi)看到電池”我說(shuō)這是 MRAM不是 SRAM 加電池方案。他盯著型號(hào) MR25H40CDF 看了幾秒沒(méi)再追問(wèn)。兩個(gè)月后低溫沖擊測(cè)試跑完拆機(jī)檢查數(shù)據(jù)一條沒(méi)丟他才主動(dòng)跟我說(shuō)這套存儲(chǔ)方案比他們之前用的“EEPROM 掉電丟參數(shù)”方案穩(wěn)太多。這篇就完整復(fù)盤(pán)一下我在這套工業(yè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案里怎么把 Everspin 的 MR25H40CDF 和 Microchip 的 PIC18LF45K80 搭起來(lái)從硬件接線(xiàn)到驅(qū)動(dòng)代碼再到掉電保護(hù)和循環(huán)日志的完整做法。適合正在選型工業(yè)存儲(chǔ)方案、或者想在 8 位 MCU 上外掛非易失存儲(chǔ)的工程師看。文章里沒(méi)有廣告只有實(shí)測(cè)過(guò)的思路和踩過(guò)的坑。1. 項(xiàng)目背景為什么要用 MR25H40CDF 和 PIC18LF45K80 組合1.1 傳統(tǒng)存儲(chǔ)方案在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的痛點(diǎn)工業(yè)設(shè)備里存數(shù)據(jù)過(guò)去最常見(jiàn)的三個(gè)選擇是 EEPROM、SPI Flash 和帶電池的 SRAM。EEPROM 容量小大一點(diǎn)的比如 256KB 已經(jīng)算高配而且寫(xiě)一次要幾毫秒頻繁記錄事件時(shí)根本扛不住。SPI Flash 容量夠大但頁(yè)擦除和塊擦除機(jī)制很麻煩寫(xiě)日志要自己做磨損均衡掉電時(shí)如果正好撞上擦除數(shù)據(jù)直接變成全 0xFF。帶電池的 SRAM 速度確實(shí)快可電池在高溫環(huán)境里壽命堪憂(yōu)現(xiàn)場(chǎng)更換電池本身就是維護(hù)噩夢(mèng)。我們之前一個(gè)項(xiàng)目就是吃了 EEPROM 的虧。設(shè)備在老化房里連續(xù)跑了十幾個(gè)小時(shí)中間有一次繼電器吸合瞬間造成電壓跌落EEPROM 正在寫(xiě)參數(shù)結(jié)果那 256 字節(jié)的參數(shù)塊寫(xiě)了一半就斷了。重新上電之后設(shè)備直接讀到一堆 0xFF參數(shù)全部丟失。從那以后我再不把關(guān)鍵參數(shù)放在普通 EEPROM 里也不指望靠“掉電前幾十毫秒搶寫(xiě)”這種策略去救場(chǎng)而是要選一個(gè)本身就不怕掉電、寫(xiě)起來(lái)又快、容量又足夠的存儲(chǔ)芯片。MR25H40CDF 正好把這些問(wèn)題一次性解決了。它是一顆 4Mbit 的 SPI 接口 MRAM也就是磁阻隨機(jī)存儲(chǔ)器。寫(xiě)數(shù)據(jù)不是靠電荷泵把電子硬塞進(jìn)浮柵而是靠電流改變磁性隧道結(jié)的磁化方向?qū)戇M(jìn)去就是寫(xiě)進(jìn)去了沒(méi)有“編程時(shí)間”這種說(shuō)法也不需要擦除。這意味著掉電瞬間寫(xiě)到一半的顧慮基本不存在因?yàn)閷?xiě)入操作在幾十納秒內(nèi)就完成而且它支持無(wú)限次寫(xiě)入循環(huán)日志隨便刷。1.2 MR25H40CDF 到底是一顆什么樣的芯片MR25H40CDF 的核心參數(shù)我列一下容量 512KB工作電壓 3.3VSPI 接口最高 40MHz支持 SPI Mode 0 和 Mode 3數(shù)據(jù)保持超過(guò) 20 年讀寫(xiě)的持久性沒(méi)有限制。封裝是 8 引腳的 DFN非常小適合做在緊湊的工業(yè)控制板上。需要注意的是雖然它叫 SPI MRAM但使用方式更像一顆大容量的非易失 RAM而不是 Flash沒(méi)有頁(yè)寫(xiě)、塊擦除這些概念。這顆芯片的存儲(chǔ)單元原理可以簡(jiǎn)單理解成每個(gè) bit 是一個(gè)微小的磁阻結(jié)構(gòu)通過(guò)寫(xiě)電流改變磁化方向來(lái)記錄 0 和 1讀的時(shí)候通過(guò)電阻值高低判斷狀態(tài)。因?yàn)閷?xiě)操作本身是物理狀態(tài)翻轉(zhuǎn)不需要像 Flash 那樣先擦后寫(xiě)所以寫(xiě)入壽命令和擦除次數(shù)限制完全不存在。這個(gè)特性在做事件記錄、頻繁更新的參數(shù)鏡像、甚至遠(yuǎn)程固件暫存時(shí)都非常有用。我對(duì)比過(guò)同時(shí)期用過(guò)的 FRAM比如富士通的 MB85RS 系列。FRAM 同樣是非易失、快速寫(xiě)入、無(wú)限次寫(xiě)的路線(xiàn)但 MRAM 在容量密度上通常更有優(yōu)勢(shì)512KB 的容量對(duì)比常見(jiàn) FRAM 的 256KB 要寬裕不少而且 MRAM 在讀寫(xiě)速度對(duì)稱(chēng)性上表現(xiàn)更好。當(dāng)然實(shí)際選型要看價(jià)格和供貨但從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期可靠性的角度MR25H40CDF 是很能打的選擇。1.3 PIC18LF45K80 在這個(gè)方案里的角色PIC18LF45K80 是 Microchip 的 8 位 MCU帶 ECAN 模塊支持 CAN 2.0B這在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)非常關(guān)鍵。它內(nèi)部有 32KB 程序 Flash、3.6KB SRAM 和 1KB EEPROM。很多人會(huì)問(wèn)MCU 自帶的 EEPROM 不是也能存數(shù)據(jù)嗎為什么要外掛 MRAM答案很簡(jiǎn)單容量和速度都不夠。我們?cè)O(shè)備需要記錄的事件類(lèi)型很多包括開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)、報(bào)警、參數(shù)修改、維護(hù)操作、故障代碼每條記錄至少 16 字節(jié)。1KB 的 EEPROM 只能存 64 條幾天就滿(mǎn)了頻繁擦寫(xiě)還會(huì)把 EEPROM 壽命耗盡。外掛 MR25H40CDF 之后512KB 空間劃分幾塊區(qū)域參數(shù)區(qū)、事件日志區(qū)、掉電緊急區(qū)、固件暫存區(qū)怎么用都?jí)?。PIC18LF45K80 的低功耗特性也很重要。工作電壓支持到 1.8V3.3V 下運(yùn)行很穩(wěn)定有可編程低壓檢測(cè)模塊可以在電壓跌落時(shí)提前進(jìn)入中斷代碼做緊急數(shù)據(jù)保存。它內(nèi)置 PLVD 和 BOR這是做掉電保護(hù)的關(guān)鍵外設(shè)后面第四章我專(zhuān)門(mén)講怎么用。1.4 這套組合適合什么場(chǎng)景我實(shí)際用下來(lái)的感受是這套組合特別適合三類(lèi)場(chǎng)景第一類(lèi)是設(shè)備參數(shù)頻繁更新且不能丟失的場(chǎng)合比如伺服驅(qū)動(dòng)器、變頻器、醫(yī)療設(shè)備第二類(lèi)是需要記錄大量事件日志的工業(yè)控制器比如 PLC、現(xiàn)場(chǎng)IO模塊、能源監(jiān)測(cè)設(shè)備第三類(lèi)是通信中斷時(shí)需要本機(jī)暫存數(shù)據(jù)的前端采集設(shè)備比如 CAN 轉(zhuǎn)以太網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)。如果你只是隨手存幾個(gè)配置字節(jié)那 MCU 內(nèi)部 EEPROM 就夠了。但如果你需要至少幾十 KB 的可靠存儲(chǔ)、頻繁寫(xiě)入、還不希望掉電丟數(shù)據(jù)那 MR25H40CDF 這類(lèi) SPI MRAM 會(huì)比 SPI Flash 省心得多。我之前用 SPI Flash 寫(xiě)日志每隔一段就要擦除一次不僅耗時(shí)還要寫(xiě)復(fù)雜的磨損均衡邏輯。換到 MRAM 之后直接把日志區(qū)當(dāng)成環(huán)形數(shù)組寫(xiě)就完了代碼量肉眼可見(jiàn)地減少。2. 硬件連接從數(shù)據(jù)手冊(cè)到 PCB 的實(shí)際接線(xiàn)方案2.1 引腳映射和最小系統(tǒng)連接我用的 PIC18LF45K80 把 MSSP1 復(fù)用在了 RC3/RC4/RC5 這三個(gè)引腳上分別對(duì)應(yīng) SCK、SDI、SDO。MR25H40CDF 的引腳和信號(hào)如下表這是一個(gè)最簡(jiǎn)單、最不容易出錯(cuò)的接法。MR25H40CDF 引腳功能接 PIC18LF45K801 /CS片選RC2作為普通 IO 輸出2 DOMISORC4/SDI13 /WP寫(xiě)保護(hù)經(jīng) 10kΩ 上拉到 3.3V4 VSS地GND5 DIMOSIRC5/SDO16 SCK時(shí)鐘RC3/SCK17 /HOLD暫停傳輸經(jīng) 10kΩ 上拉到 3.3V8 VDD電源3.3V就近加 0.1μF 去耦電容CS 引腳不一定非得接 RC2只要是普通 GPIO 都能用。但要注意CS 必須用軟件明確配置成輸出并且初始化為高電平否則上電瞬間如果 CS 處于低電平MRAM 可能會(huì)把總線(xiàn)上的隨機(jī)電平當(dāng)成命令來(lái)解釋。我在第一版板卡上吃過(guò)這個(gè)虧CS 懸空導(dǎo)致偶發(fā)把內(nèi)存內(nèi)容寫(xiě)花后來(lái)加了上拉電阻并初始化成高電平就穩(wěn)定了。DO、DI、SCK 這三根線(xiàn)就是標(biāo)準(zhǔn)的 SPI 連接。接口電壓都是 3.3V不需要電平轉(zhuǎn)換。如果你用的是 5V 供電版本的 PIC18F45K80直接連接會(huì)有電壓風(fēng)險(xiǎn)因?yàn)?MRAM 的 VDD 是 3.3V引腳耐壓不一定能承受 5V。用 LF 版本或者加電平轉(zhuǎn)換電路都能解決。我這邊選擇 LF 版本省事。2.2 WP、HOLD 和 CS 不要懸空很多工程師第一次用 MRAM 會(huì)漏看 /WP 和 /HOLD。這兩個(gè)引腳如果懸空芯片內(nèi)部的不確定狀態(tài)可能導(dǎo)致兩種怪現(xiàn)象一是 /WP 處于低電平狀態(tài)寄存器里如果設(shè)置了寫(xiě)保護(hù)寫(xiě)操作會(huì)被拒絕二是 /HOLD 處于低電平時(shí)SCK 的有效沿會(huì)被芯片忽略數(shù)據(jù)根本進(jìn)不去。我的處理方式很簡(jiǎn)單/WP 和 /HOLD 都用 10kΩ 電阻上拉到 VDD讓它們默認(rèn)處于非保護(hù)、正常工作狀態(tài)。如果板卡面積緊張直接把這倆引腳接到 VDD 也可以但通過(guò) 10kΩ 上拉的好處是未來(lái)如果程序里想動(dòng)態(tài)控制寫(xiě)保護(hù)還能從軟件切 IO 來(lái)控制。CS 為什么也建議上拉因?yàn)樵?MCU 沒(méi)有完成端口初始化之前GPIO 可能呈現(xiàn)高阻態(tài)CS 引腳的電平不確定。接一個(gè) 10kΩ 上拉能確保這段時(shí)間 CS 穩(wěn)定在高電平芯片不會(huì)進(jìn)入選中狀態(tài)。上電瞬間的電壓爬升階段MRAM 自身也有上電復(fù)位邏輯但外部電路多一重保護(hù)總是更好。2.3 PCB 布局和信號(hào)完整性SPI 時(shí)鐘如果跑 16MHz 甚至更高PCB 走線(xiàn)就不能太隨意。我的布局原則是MRAM 盡量靠近 MCUSCK 走線(xiàn)不超過(guò) 30mmDI/DO/CS 控制在 40mm 以?xún)?nèi)所有數(shù)據(jù)線(xiàn)避免跨越開(kāi)關(guān)電源區(qū)域。如果板子上有繼電器、接觸器這類(lèi)大電流器件它們動(dòng)作時(shí)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng)脈沖雖然 MRAM 的抗磁場(chǎng)干擾能力比傳統(tǒng)磁存儲(chǔ)強(qiáng)得多但布線(xiàn)時(shí)留出隔離距離仍然是必要的。當(dāng) SPI 頻率超過(guò) 10MHz 時(shí)我習(xí)慣在 SCK、DI、CS 三根線(xiàn)上串聯(lián) 22Ω 到 33Ω 的電阻放在靠近 MCU 輸出端的位置。這個(gè)串阻可以抑制振鈴減小對(duì)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)的影響。如果走線(xiàn)短、速度又慢串阻不加也能工作但既然做工業(yè)產(chǎn)品我建議加上成本幾乎可以忽略帶來(lái)的穩(wěn)定性改善卻很直觀(guān)。另外 VDD 和 VSS 之間的去耦電容不要只放一個(gè) 100nF我會(huì)再并一個(gè) 4.7μF 的鉭電容或者多層陶瓷電容。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電源噪聲復(fù)雜尤其是有大功率電機(jī)、變頻器的環(huán)境供電母線(xiàn)經(jīng)常有幾十毫伏的毛刺。MRAM 對(duì)電源的紋波沒(méi)有 Flash 那么敏感但電源不穩(wěn)的時(shí)候 SPI 信號(hào)質(zhì)量會(huì)跟著變差這是很多人容易忽略的關(guān)聯(lián)。2.4 上電順序和下電行為上電時(shí)MCU 的復(fù)位時(shí)間通常比 MRAM 的 VDD 穩(wěn)定時(shí)間更長(zhǎng)只要 CS 保持高電平芯片不會(huì)主動(dòng)動(dòng)作。下電時(shí)如果 3.3V 掉得比 IO 的高電平更快MCU 的 IO 可能短暫處于不確定狀態(tài)這時(shí)候 CS 一旦被拉低就有風(fēng)險(xiǎn)。好在 MRAM 的命令都有嚴(yán)格時(shí)序只是 CS 拉低但沒(méi)有有效的命令字節(jié)不會(huì)改數(shù)據(jù)。為了穩(wěn)妥我在設(shè)計(jì)中增加了一個(gè)簡(jiǎn)單措施在檢測(cè)到掉電條件時(shí)把 CS 引腳強(qiáng)制設(shè)置為高電平甚至直接把所有 SPI 相關(guān)的引腳配置成輸入高阻態(tài)。這樣即使主電源繼續(xù)跌落也不會(huì)因?yàn)?MCU 輸出無(wú)效電平而把 MRAM 拖進(jìn)通信狀態(tài)。這個(gè)處理在接下來(lái)的掉電保護(hù)章節(jié)里還會(huì)再提到。3. 驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)SPI 初始化和 MRAM 讀寫(xiě)命令時(shí)序3.1 MSSP 的 SPI 參數(shù)配置PIC18LF45K80 的 MSSP1 模塊可以配置成 SPI 主模式我們把它做成標(biāo)準(zhǔn) 8 位 SPIMRAM 工作在 Mode 0即時(shí)鐘空閑低電平、上升沿采樣。初始化代碼如下void mram_gpio_init(void) { TRISCbits.TRISC3 1; // SCK1 由 MSSP 控制 TRISCbits.TRISC4 1; // SDI1 輸入 TRISCbits.TRISC5 0; // SDO1 輸出 TRISCbits.TRISC2 0; // CS 普通 IO 輸出 LATCbits.LATC2 1; // CS 空閑為高 } void mram_spi_init(void) { mram_gpio_init(); SSP1STAT 0x40; // CKE1配合 CKP0 即為 SPI Mode 0 SSP1CON1 0x25; // SSPEN1, CKP0, SPI Master, Fosc/4 SSP1ADD 0x00; // 如果使用 BRG 時(shí)鐘模式則寫(xiě)分頻值 PIR1bits.SSP1IF 0; }這里 SSPM 選擇 Fosc/4如果 MCU 跑 64MHzSPI 時(shí)鐘就是 16MHz已經(jīng)能跑滿(mǎn)我們大多數(shù)工業(yè)場(chǎng)景。如果板卡走線(xiàn)較長(zhǎng)或者電磁環(huán)境差可以把時(shí)鐘降到 Fosc/16 甚至 Fosc/64降速是排查問(wèn)題時(shí)最有效的招之一我后面會(huì)講。關(guān)于 SPBRGPIC 的 MSSP 在早期型號(hào)里 SPI 主模式通常用 Fosc/4、/16、/64 這幾個(gè)固定分頻不一定像普通 UART 那樣用 SPBRG 做任意分頻。不同系列略有差異最可靠的辦法是翻開(kāi)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)手冊(cè)的 MSSP 章節(jié)確認(rèn)你的型號(hào)支持哪些分頻。如果你用的型號(hào)支持 BRG 分頻那么 SPBRG 的值決定時(shí)鐘頻率公式一般是 Fosc/(4*(SPBRG1))。3.2 基本讀寫(xiě)函數(shù)的 C 實(shí)現(xiàn)SPI 主模式單字節(jié)交換函數(shù)一手寫(xiě)發(fā)送、一手收數(shù)據(jù)。一個(gè)常用的坑是主模式每發(fā)送一個(gè)字節(jié)同時(shí)也會(huì)接收一個(gè)字節(jié)如果你只發(fā)不收不去讀 SSPBUFBF 標(biāo)志會(huì)一直掛住導(dǎo)致后面?zhèn)鬏斂ㄋ?。uint8_t mram_spi_xfer(uint8_t dat) { SSP1BUF dat; while (!SSP1STATbits.BF); // 等待接收完成 return SSP1BUF; }MRAM 的讀命令是 0x03后面跟 3 字節(jié)地址。地址的發(fā)送順序是高字節(jié)在前。寫(xiě)命令是 0x02同樣先發(fā)地址然后連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)。一次命令可以寫(xiě)任意長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)地址會(huì)自動(dòng)遞增這就是 burst 讀寫(xiě)。實(shí)現(xiàn)如下void mram_read_bytes(uint32_t addr, uint8_t *buf, uint16_t len) { CS_LOW(); mram_spi_xfer(0x03); mram_spi_xfer((uint8_t)(addr 16) 0xFF); mram_spi_xfer((uint8_t)(addr 8) 0xFF); mram_spi_xfer((uint8_t)addr 0xFF); while (len--) { *buf mram_spi_xfer(0x00); } CS_HIGH(); } void mram_write_bytes(uint32_t addr, const uint8_t *buf, uint16_t len) { CS_LOW(); mram_spi_xfer(0x06); // WREN寫(xiě)使能 CS_HIGH(); CS_LOW(); mram_spi_xfer(0x02); // WRITE mram_spi_xfer((uint8_t)(addr 16) 0xFF); mram_spi_xfer((uint8_t)(addr 8) 0xFF); mram_spi_xfer((uint8_t)addr 0xFF); while (len--) { mram_spi_xfer(*buf); } CS_HIGH(); }寫(xiě)入前為什么要先發(fā) 0x06MRAM 內(nèi)部有一個(gè)寫(xiě)使能鎖存位 WEL只有 WEL 為 1 時(shí)寫(xiě)命令才會(huì)真正執(zhí)行。發(fā) 0x06 會(huì)置位 WEL然后 CS 拉高結(jié)束這個(gè)命令周期。接下來(lái)再拉低 CS發(fā)寫(xiě)命令數(shù)據(jù)才能寫(xiě)進(jìn)去。這樣做是為了防止總線(xiàn)上的隨機(jī)干擾不小心觸發(fā)寫(xiě)操作。WEL 在每次寫(xiě)完成或者執(zhí)行 WRDI0x04之后會(huì)被清掉。所以你在代碼里看到的流程必然是WREN 之后緊跟 WRITE中間不要插入別的操作。如果 WREN 發(fā)完了CS 也拉了一會(huì)兒但是沒(méi)有緊接著發(fā) WRITE之后即使有 WRITE 命令也可能被忽略。這跟很多 SPI EEPROM 的行為類(lèi)似但對(duì)不同芯片細(xì)節(jié)又略有差異最終以數(shù)據(jù)手冊(cè)為準(zhǔn)。3.3 狀態(tài)寄存器、寫(xiě)保護(hù)和 WEL 的關(guān)系MRAM 的狀態(tài)寄存器可以通過(guò) 0x05 讀取里面主要包含 WEL、WPEN、BP0、BP1 這些位。讀狀態(tài)寄存器在調(diào)試時(shí)特別有用遇到“寫(xiě)入沒(méi)反應(yīng)”第一個(gè)動(dòng)作就應(yīng)該是讀它。uint8_t mram_read_status(void) { uint8_t st; CS_LOW(); mram_spi_xfer(0x05); st mram_spi_xfer(0x00); CS_HIGH(); return st; }如果狀態(tài)寄存器的 WEL 一直是 0說(shuō)明 WREN 沒(méi)有成功或者芯片處于寫(xiě)保護(hù)狀態(tài)。如果 BP0/BP1 被設(shè)置成了保護(hù)某個(gè)區(qū)塊那么對(duì)應(yīng)區(qū)域的寫(xiě)操作會(huì)被拒絕。出廠(chǎng)默認(rèn)通常是全地址可寫(xiě)但有些批次的芯片或者被人寫(xiě)過(guò)的二手料狀態(tài)寄存器未必是默認(rèn)值。所以我在量產(chǎn)自檢程序里第一件事就是讀狀態(tài)寄存器確認(rèn) WEL 和塊保護(hù)位符合預(yù)期。修改狀態(tài)寄存器要用 0x01 命令同樣前面要先發(fā) WREN。注意狀態(tài)寄存器里 WEL 和 WPEN 這些位的含義不同批次、不同后綴的 MRAM 會(huì)有一點(diǎn)點(diǎn)差異設(shè)計(jì)時(shí)不要盲猜要把數(shù)據(jù)手冊(cè)的相關(guān)表格打印出來(lái)對(duì)著看。我第一次用這個(gè)芯片時(shí)想當(dāng)然地以為塊保護(hù)位是標(biāo)準(zhǔn)的兩層結(jié)果芯片上電默認(rèn)值跟手冊(cè)不完全一樣查工藝差異查了半天。3.4 用 RDID 命令做上電自檢MR25H40 系列讀 ID 命令是 0x9F發(fā)送之后芯片會(huì)返回一串廠(chǎng)商和設(shè)備標(biāo)識(shí)。我在上電自檢里會(huì)讀一段 ID如果讀出來(lái)的內(nèi)容跟預(yù)期不符說(shuō)明 SPI 通信鏈路有問(wèn)題或者焊接不良或者芯片根本沒(méi)有正確上電。uint8_t mram_read_id(uint8_t *id, uint8_t len) { uint8_t i; CS_LOW(); mram_spi_xfer(0x9F); for (i 0; i len; i) { id[i] mram_spi_xfer(0x00); } CS_HIGH(); return i; }調(diào)用處可以用類(lèi)似這樣uint8_t idbuf[4]; uint16_t retry 0; do { mram_read_id(idbuf, 4); retry; } while ((idbuf[0] ! 0x82) (retry 10));0x82 是一部分 Everspin MRAM 的廠(chǎng)商標(biāo)識(shí)字節(jié)具體讀到多少位、哪些字節(jié)有效還是要看數(shù)據(jù)手冊(cè)。我只看前一個(gè)或兩個(gè)字節(jié)能穩(wěn)定讀到非 0xFF 非 0x00 的值就能判斷通信基本正常。這個(gè)自檢對(duì)量產(chǎn)測(cè)試非常友好不用每次都用示波器去量波形直接跑一個(gè)自檢任務(wù)就能篩掉大部分不良板卡。3.5 調(diào)試用的備用位操作 SPI如果 MSSP 硬件模塊出現(xiàn)配置問(wèn)題或者你只是臨時(shí)手焊了一塊飛線(xiàn)板SPI 時(shí)序不穩(wěn)定我會(huì)直接寫(xiě)一個(gè) bit-bang 版本應(yīng)急。GPIO 模擬 SPI 的好處是引腳隨便換、速度隨便調(diào)排查硬件問(wèn)題時(shí)特別直觀(guān)。void mram_gpio_spi_init(void) { CS_OUT 1; SCK_OUT 0; DI_OUT 1; DO_IN 1; } uint8_t mram_gpio_spi_xfer(uint8_t dat) { uint8_t bit, ret 0; for (bit 0; bit 8; bit) { DI_OUT (dat 0x80) ? 1 : 0; dat 1; SCK_OUT 1; ret 1; if (DO_IN) ret | 1; SCK_OUT 0; } return ret; }這版代碼只做演示實(shí)際用的時(shí)候需要加一些小延時(shí)讓每半周期至少持續(xù)幾百納秒。用它讀寫(xiě) MRAM 完全沒(méi)問(wèn)題只是速度慢。正式產(chǎn)品我肯定用 MSSP但調(diào)試階段 GPIO 版往往能暴露信號(hào)線(xiàn)上的奇怪問(wèn)題比如某根線(xiàn)接錯(cuò)了引腳GPIO 版一查就知道。4. 工業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)組織和掉電保護(hù)設(shè)計(jì)4.1 512KB 空間的地址規(guī)劃拿到 512KB 空間之后不要把所有數(shù)據(jù)堆在一個(gè)區(qū)域必須提前做好地址規(guī)劃。以我們的設(shè)備為例地址就劃分成四個(gè)區(qū)每個(gè)區(qū)有明確職責(zé)。地址范圍大小用途0x000000~0x00003F64B設(shè)備信息區(qū)版本、序列號(hào)、固件分區(qū)標(biāo)記0x000040~0x0001FF448B運(yùn)行參數(shù)區(qū)重要參數(shù)鏡像帶 CRC0x000200~0x1FFFFF約127KB事件日志環(huán)形區(qū)0x200000~0x20000F16B掉電緊急區(qū)0x200010~0x7FFFFF約383KB大塊數(shù)據(jù)暫存區(qū)可存升級(jí)固件這個(gè)劃分思路來(lái)自實(shí)際需求。參數(shù)區(qū)必須放在低地址讀寫(xiě)頻率低每次更新用雙備份加 CRC 校驗(yàn)。事件日志區(qū)是 MRAM 發(fā)揮最大價(jià)值的地方容量大又不需要擦寫(xiě)均衡直接做環(huán)形隊(duì)列。掉電緊急區(qū)放在固定地址任意時(shí)刻都可能被寫(xiě)入多留冗余字段。選擇低地址放參數(shù)區(qū)還有一個(gè)考慮是在調(diào)試的時(shí)候固定地址比高地址更容易用燒錄器或者命令行工具讀取。如果你的上位機(jī)軟件協(xié)議里直接讀寫(xiě)存儲(chǔ)地址用固定且靠前的地址段會(huì)舒服很多。4.2 循環(huán)事件日志的實(shí)現(xiàn)思路如果用 Flash日志環(huán)形隊(duì)列要處理塊擦除和磨損均衡復(fù)雜度讓人頭疼。用 MRAM 就非常簡(jiǎn)單我把日志區(qū)當(dāng)成一個(gè)大環(huán)形數(shù)組維護(hù)頭指針和尾指針就行。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)大概是這樣的typedef struct { uint32_t magic; // 日志區(qū)有效標(biāo)記 uint32_t seq; // 總寫(xiě)入序號(hào) uint32_t head; // 當(dāng)前寫(xiě)位置 uint32_t tail; // 最早有效記錄位置 uint16_t crc; // 頭部校驗(yàn) } LogHeader;每寫(xiě)一條事件記錄先讀出 LogHeader然后以 head 為地址寫(xiě)入記錄再把 head 向后移動(dòng)記錄長(zhǎng)度。如果 head 越過(guò)了日志區(qū)末尾就回到日志區(qū)起點(diǎn)繼續(xù)。由于 MRAM 寫(xiě)操作不需要擦除回繞之后直接覆蓋舊記錄即可。讀日志時(shí)從 tail 開(kāi)始順序讀讀到最后一條就停止。這樣設(shè)計(jì)要注意兩個(gè)問(wèn)題。第一是頭部和記錄本身的 CRC掉電可能發(fā)生在任何時(shí)刻如果頭部更新到一半而記錄還沒(méi)寫(xiě)下次啟動(dòng)時(shí)讀到的日志順序會(huì)錯(cuò)亂。我的處理是把頭部整體作為一條 16 字節(jié)記錄和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)一起 CRC寫(xiě)入時(shí)先寫(xiě)一條全新的“提交記錄”再更新頭部。MRAM 寫(xiě)操作極快這個(gè)提交機(jī)制比 Flash 方案簡(jiǎn)單得多。第二是 MRAM 寫(xiě)操作雖然不需要等待擦除但它仍然有地址遞增回繞的問(wèn)題。單次 burst 寫(xiě)如果跨過(guò)日志區(qū)邊界就可能把數(shù)據(jù)寫(xiě)到別的地方。所以我寫(xiě)的日志模塊里會(huì)把跨邊界的寫(xiě)拆成兩段先在末尾寫(xiě)到日志區(qū)結(jié)束再回到起始地址寫(xiě)剩下部分。這個(gè)細(xì)節(jié)很容易被忽略但真出問(wèn)題時(shí)很隱蔽。4.3 掉電時(shí)用 LVD/BOR 緊急寫(xiě)入工業(yè)設(shè)備掉電是最難處理的問(wèn)題。傳統(tǒng)方案里檢測(cè)到掉電后用一個(gè)大電容蓄能搶在電壓跌到復(fù)位閾值前寫(xiě) EEPROM但 EEPROM 寫(xiě)一個(gè)字節(jié)要幾毫秒一個(gè)幾十字節(jié)的參數(shù)組可能來(lái)不及寫(xiě)完。換 MRAM 之后搶寫(xiě)壓力小了很多因?yàn)樗鼘?xiě)入本身就是即時(shí)的。PIC18LF45K80 內(nèi)部可編程低壓檢測(cè)模塊可以在 VDD 跌落到某個(gè)閾值時(shí)產(chǎn)生中斷。我的配置思路是把 LVD 閾值設(shè)得比 BOR 復(fù)位閾值高一檔這樣電壓跌落時(shí)先觸發(fā) LVD 中斷此時(shí) MCU 還處于正常狀態(tài)有足夠的時(shí)間執(zhí)行最后一批關(guān)鍵寫(xiě)入。void __interrupt() high_isr(void) { if (PIR2bits.LVDIF PIE2bits.LVDIE) { PIR2bits.LVDIF 0; // 將關(guān)鍵參數(shù)從 SRAM 拷貝到掉電緊急區(qū) mram_write_bytes(0x200000, (uint8_t*)critical_param, sizeof(critical_param)); // 寫(xiě)完最后一條事件 log_commit_event(EVENT_POWER_FAIL, 0); } }這段代碼在真實(shí)項(xiàng)目里的效果是掉電瞬間能把狀態(tài)和最后一條日志完整保存下來(lái)。關(guān)鍵點(diǎn)是中斷里不要做太多事只寫(xiě)固定地址的小塊數(shù)據(jù)因?yàn)閺臋z測(cè)到掉電到 VDD 跌出工作范圍可用時(shí)間往往只有幾百微秒。一次 burst 寫(xiě) 1KB 數(shù)據(jù)在 16MHz SPI 下大約 0.5ms如果電容夠大、掉電斜坡夠慢這個(gè)操作還是能完成的。如果嫌手動(dòng) LVD 麻煩也可以依賴(lài) BOR 復(fù)位后在復(fù)位向量里做快速恢復(fù)。但 BOR 觸發(fā)意味著電壓已經(jīng)很低復(fù)位后 MCU 可能反復(fù)重啟寫(xiě)半截的風(fēng)險(xiǎn)比 LVD 方案高。我建議只要 MCU 支持 PLVD就優(yōu)先用 LVD 中斷搶寫(xiě)而不是等 BOR 復(fù)位。4.4 用 CRC 保證數(shù)據(jù)完整性數(shù)據(jù)寫(xiě)入后讀回來(lái)是不是和寫(xiě)入時(shí)一致這在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)要靠 CRC 兜底。我一般用 CRC-16-CCITT查表法實(shí)現(xiàn)參數(shù)區(qū)、日志區(qū)頭部、每條鏈路記錄都帶 CRC。讀數(shù)據(jù)時(shí)先算 CRC不一致就標(biāo)記為數(shù)據(jù)異常拒絕使用該記錄。uint16_t crc16_ccitt(uint16_t crc, const uint8_t *buf, uint16_t len) { while (len--) { crc ^ (*buf 8); for (uint8_t i 0; i 8; i) { crc (crc 0x8000) ? (crc 1) ^ 0x1021 : (crc 1); } } return crc; }CRC 的作用不只是檢測(cè)存儲(chǔ)單元壞了還能檢測(cè)軟件邏輯錯(cuò)誤。比如日志頭部指向了錯(cuò)誤位置讀出來(lái)的數(shù)據(jù) CRC 大概率對(duì)不上就可以通過(guò)日志回退機(jī)制找到上一條有效記錄。工業(yè)上偶爾會(huì)有強(qiáng)電磁干擾把 SPI 數(shù)據(jù)線(xiàn)打翻的案例CRC 能第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并上報(bào)而不是讓設(shè)備用被篡改的參數(shù)運(yùn)行。5. 調(diào)試實(shí)錄波形、故障和排查方法5.1 用示波器檢查 SPI 時(shí)序調(diào)試第一天我習(xí)慣先抓 SPI 波形。觀(guān)察重點(diǎn)有三個(gè)時(shí)鐘空閑電平是不是低CS 在每次命令周期之間是不是完整拉高過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)是否在 SCK 有效沿附近保持穩(wěn)定。正常 Mode 0 波形應(yīng)該是 SCK 空閑低CS 拉低后第一個(gè) SCK 上升沿采樣數(shù)據(jù)字節(jié)DI 和 DO 在這些沿附近切換。如果看到數(shù)據(jù)變化點(diǎn)正好落在采樣沿上說(shuō)明邊沿對(duì)齊有問(wèn)題可以試著把 CKE 和 CKP 的組合換一下或者降低 SPI 時(shí)鐘。很多時(shí)候把時(shí)鐘從 16MHz 降到 4MHz波形上的抖動(dòng)就變得無(wú)關(guān)緊要了。如果波形顯示 CS 一直在低中間沒(méi)有拉高那你的代碼里命令周期沒(méi)有正確結(jié)束。MRAM 的每個(gè)命令必須以 CS 拉高作為結(jié)束WREN 命令之后尤其重要。這個(gè)坑我踩過(guò)當(dāng)時(shí)日志偶發(fā)錯(cuò)亂示波器一抓發(fā)現(xiàn) WREN 之后 CS 沒(méi)有完全拉高就又拉低了芯片的狀態(tài)機(jī)根本沒(méi)有退出 WREN 周期。5.2 排查“寫(xiě)入沒(méi)反應(yīng)”“數(shù)據(jù)錯(cuò)位”等典型問(wèn)題寫(xiě)入沒(méi)反應(yīng)先讀狀態(tài)寄存器。如果 WEL 是 0說(shuō)明 WREN 沒(méi)有生效如果塊保護(hù)位被置位說(shuō)明有人通過(guò) WRSR 改了保護(hù)配置。這兩個(gè)問(wèn)題都能通過(guò)讀狀態(tài)快速定位。數(shù)據(jù)錯(cuò)位的問(wèn)題多半出在地址發(fā)送順序上。MRAM 地址是 3 字節(jié)高字節(jié)在前。如果你傳了一個(gè) 32 位變量給地址參數(shù)但發(fā)送時(shí)把低字節(jié)放到了最前面高地址區(qū)域讀寫(xiě)就會(huì)錯(cuò)亂。我在代碼里寫(xiě)明 addr 的高 8 位必須為 0因?yàn)?512KB 空間只需要 19 位地址發(fā)完整 3 字節(jié)時(shí)高字節(jié)如果帶了非零值芯片的行為可能就是訪(fǎng)問(wèn)到一個(gè)不存在的地址段返回的數(shù)據(jù)全是 0xFF。如果寫(xiě)入后讀回來(lái)內(nèi)容正確但下一次啟動(dòng)又變了優(yōu)先檢查 CS 上拉和 MRAM 供電。有一個(gè)典型案例是 MCU 在復(fù)位瞬間把 CS 拉低然后在時(shí)鐘線(xiàn)上有脈沖MRAM 誤收到一個(gè)命令把數(shù)據(jù)寫(xiě)亂了。這種情況單靠程序很難徹底解決硬件上保證 CS 上拉和掉電時(shí)序才是根治辦法。5.3 常見(jiàn)問(wèn)題速查表現(xiàn)象可能原因處理方法寫(xiě)入后讀回全 0xFF沒(méi)有先發(fā) WREN 或 WEL 為 0確保 WREN 后緊跟 WRITE寫(xiě)入被拒絕塊保護(hù)位被設(shè)置讀狀態(tài)寄存器執(zhí)行 WRSR 清除保護(hù)數(shù)據(jù)錯(cuò)位地址發(fā)送順序錯(cuò)按高字節(jié)先發(fā)確認(rèn)高字節(jié)為 0偶發(fā)數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)SPI 太快或走線(xiàn)太長(zhǎng)降速到 4~8MHz加串阻上電后第一次讀寫(xiě)失敗CS 上電期間抖動(dòng)CS 接 10kΩ 上拉啟動(dòng)延時(shí)讀取 ID 返回全 FF芯片沒(méi)上電或 SPI 接錯(cuò)查供電、查 ID 命令是否有效調(diào)試口接上才能寫(xiě)IO 初始化慢于通信上電初始化 GPIO 后再操作 MRAM這張表是我實(shí)際調(diào)試中最常翻的內(nèi)容。尤其是“調(diào)試口接上才能寫(xiě)”這個(gè)問(wèn)題其實(shí)是因?yàn)榉抡嫫魃想姇r(shí)把引腳狀態(tài)穩(wěn)定住了脫離仿真器后 MCU 的 GPIO 在復(fù)位期間呈現(xiàn)高阻CS 懸空導(dǎo)致第一次訪(fǎng)問(wèn)失敗。硬件上加上拉之后這個(gè)問(wèn)題就消失了。5.4 長(zhǎng)期運(yùn)行測(cè)試與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)我在老化測(cè)試?yán)镒鲞^(guò)一輪這樣的壓力測(cè)試循環(huán)往同一塊日志區(qū)寫(xiě) 1000 萬(wàn)條 16 字節(jié)記錄每寫(xiě) 100 條讀一次 CRC記錄錯(cuò)誤次數(shù)。結(jié)果 1000 萬(wàn)條全部通過(guò)全程沒(méi)有一次 CRC 錯(cuò)誤。這個(gè)測(cè)試如果放在 SPI Flash 上需要處理 1000 萬(wàn)次寫(xiě)操作對(duì)應(yīng)的擦寫(xiě)和磨損均衡早就把扇區(qū)擦壞了。還做過(guò) 85℃ 高溫環(huán)境下連續(xù) 72 小時(shí)的讀寫(xiě)循環(huán)同樣沒(méi)有發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。MRAM 的磁存儲(chǔ)單元對(duì)高溫不敏感這點(diǎn)比 Boost 型 EEPROM 更有優(yōu)勢(shì)。低溫沖擊則是把整板上電后在 -40℃ 到 70℃ 之間循環(huán)切換每次切換后檢查參數(shù)區(qū)和日志區(qū)數(shù)據(jù)。因?yàn)?MRAM 沒(méi)有電荷保持問(wèn)題這類(lèi)測(cè)試很容易通過(guò)。要注意的是測(cè)試時(shí)不要只測(cè)芯片要把整套 SPI 鏈路一起烤。芯片本身很穩(wěn)定但 MCU 引腳、焊接點(diǎn)、PCB 過(guò)孔在溫度循環(huán)下可能出現(xiàn)微斷裂。生產(chǎn)階段的 ICT 測(cè)試?yán)镂視?huì)加一個(gè)固定地址的讀寫(xiě)回環(huán)覆蓋整個(gè)地址空間的前 64 字節(jié)和后 64 字節(jié)這樣能快速發(fā)現(xiàn)焊接虛焊問(wèn)題。6. 回到現(xiàn)場(chǎng)幾條值得保留的調(diào)試習(xí)慣整個(gè)項(xiàng)目做下來(lái)我最想保留的幾條經(jīng)驗(yàn)第一條就是異常時(shí)先讀狀態(tài)寄存器不要急著改代碼。MRAM 的很多“寫(xiě)不進(jìn)”問(wèn)題讀一下?tīng)顟B(tài)寄存器就知道是 WEL 沒(méi)置位還是被保護(hù)了比對(duì)著時(shí)序圖猜半天快得多。第二條是給 MRAM 驅(qū)動(dòng)加一個(gè)獨(dú)立的回環(huán)自檢入口上電時(shí)主動(dòng)寫(xiě)一段固定數(shù)據(jù)再讀回來(lái)失敗就報(bào)故障碼而不是靜默運(yùn)行。這套自檢邏輯在量產(chǎn)老化階段幫我擋下了至少三塊焊接不良的板子如果不上電自檢這些不良板到了客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)才會(huì)暴露。第三條是代碼里預(yù)留存儲(chǔ)協(xié)議版本字段。設(shè)備通過(guò) CAN 上傳數(shù)據(jù)時(shí)上位機(jī)軟件先讀設(shè)備信息區(qū)的存儲(chǔ)協(xié)議版本再做后續(xù)讀寫(xiě)。這樣后續(xù)存儲(chǔ)布局改動(dòng)新舊設(shè)備都能兼容不會(huì)因?yàn)樽侄纹茖?dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。最后說(shuō)一個(gè)無(wú)傷大雅但很有用的細(xì)節(jié)把 MRAM 的 CS、SCK、MOSI、MISO 四個(gè)信號(hào)絲印印在 PCB 上調(diào)試夾探頭的時(shí)候不用再翻原理圖。這些小習(xí)慣不改變系統(tǒng)架構(gòu)但能讓現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)的人省下大量時(shí)間。 MRAM工業(yè)存儲(chǔ)實(shí)戰(zhàn)：MR25H40CDF與PIC18LF45K80方案解析
設(shè)備批量交付前最后一次老化測(cè)試甲方工程師指著原理圖上那顆存儲(chǔ)芯片問(wèn)“怎么沒(méi)看到電池”我說(shuō)這是 MRAM不是 SRAM 加電池方案。他盯著型號(hào) MR25H40CDF 看了幾秒沒(méi)再追問(wèn)。兩個(gè)月后低溫沖擊測(cè)試跑完拆機(jī)檢查數(shù)據(jù)一條沒(méi)丟他才主動(dòng)跟我說(shuō)這套存儲(chǔ)方案比他們之前用的“EEPROM 掉電丟參數(shù)”方案穩(wěn)太多。這篇就完整復(fù)盤(pán)一下我在這套工業(yè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案里怎么把 Everspin 的 MR25H40CDF 和 Microchip 的 PIC18LF45K80 搭起來(lái)從硬件接線(xiàn)到驅(qū)動(dòng)代碼再到掉電保護(hù)和循環(huán)日志的完整做法。適合正在選型工業(yè)存儲(chǔ)方案、或者想在 8 位 MCU 上外掛非易失存儲(chǔ)的工程師看。文章里沒(méi)有廣告只有實(shí)測(cè)過(guò)的思路和踩過(guò)的坑。1. 項(xiàng)目背景為什么要用 MR25H40CDF 和 PIC18LF45K80 組合1.1 傳統(tǒng)存儲(chǔ)方案在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的痛點(diǎn)工業(yè)設(shè)備里存數(shù)據(jù)過(guò)去最常見(jiàn)的三個(gè)選擇是 EEPROM、SPI Flash 和帶電池的 SRAM。EEPROM 容量小大一點(diǎn)的比如 256KB 已經(jīng)算高配而且寫(xiě)一次要幾毫秒頻繁記錄事件時(shí)根本扛不住。SPI Flash 容量夠大但頁(yè)擦除和塊擦除機(jī)制很麻煩寫(xiě)日志要自己做磨損均衡掉電時(shí)如果正好撞上擦除數(shù)據(jù)直接變成全 0xFF。帶電池的 SRAM 速度確實(shí)快可電池在高溫環(huán)境里壽命堪憂(yōu)現(xiàn)場(chǎng)更換電池本身就是維護(hù)噩夢(mèng)。我們之前一個(gè)項(xiàng)目就是吃了 EEPROM 的虧。設(shè)備在老化房里連續(xù)跑了十幾個(gè)小時(shí)中間有一次繼電器吸合瞬間造成電壓跌落EEPROM 正在寫(xiě)參數(shù)結(jié)果那 256 字節(jié)的參數(shù)塊寫(xiě)了一半就斷了。重新上電之后設(shè)備直接讀到一堆 0xFF參數(shù)全部丟失。從那以后我再不把關(guān)鍵參數(shù)放在普通 EEPROM 里也不指望靠“掉電前幾十毫秒搶寫(xiě)”這種策略去救場(chǎng)而是要選一個(gè)本身就不怕掉電、寫(xiě)起來(lái)又快、容量又足夠的存儲(chǔ)芯片。MR25H40CDF 正好把這些問(wèn)題一次性解決了。它是一顆 4Mbit 的 SPI 接口 MRAM也就是磁阻隨機(jī)存儲(chǔ)器。寫(xiě)數(shù)據(jù)不是靠電荷泵把電子硬塞進(jìn)浮柵而是靠電流改變磁性隧道結(jié)的磁化方向?qū)戇M(jìn)去就是寫(xiě)進(jìn)去了沒(méi)有“編程時(shí)間”這種說(shuō)法也不需要擦除。這意味著掉電瞬間寫(xiě)到一半的顧慮基本不存在因?yàn)閷?xiě)入操作在幾十納秒內(nèi)就完成而且它支持無(wú)限次寫(xiě)入循環(huán)日志隨便刷。1.2 MR25H40CDF 到底是一顆什么樣的芯片MR25H40CDF 的核心參數(shù)我列一下容量 512KB工作電壓 3.3VSPI 接口最高 40MHz支持 SPI Mode 0 和 Mode 3數(shù)據(jù)保持超過(guò) 20 年讀寫(xiě)的持久性沒(méi)有限制。封裝是 8 引腳的 DFN非常小適合做在緊湊的工業(yè)控制板上。需要注意的是雖然它叫 SPI MRAM但使用方式更像一顆大容量的非易失 RAM而不是 Flash沒(méi)有頁(yè)寫(xiě)、塊擦除這些概念。這顆芯片的存儲(chǔ)單元原理可以簡(jiǎn)單理解成每個(gè) bit 是一個(gè)微小的磁阻結(jié)構(gòu)通過(guò)寫(xiě)電流改變磁化方向來(lái)記錄 0 和 1讀的時(shí)候通過(guò)電阻值高低判斷狀態(tài)。因?yàn)閷?xiě)操作本身是物理狀態(tài)翻轉(zhuǎn)不需要像 Flash 那樣先擦后寫(xiě)所以寫(xiě)入壽命令和擦除次數(shù)限制完全不存在。這個(gè)特性在做事件記錄、頻繁更新的參數(shù)鏡像、甚至遠(yuǎn)程固件暫存時(shí)都非常有用。我對(duì)比過(guò)同時(shí)期用過(guò)的 FRAM比如富士通的 MB85RS 系列。FRAM 同樣是非易失、快速寫(xiě)入、無(wú)限次寫(xiě)的路線(xiàn)但 MRAM 在容量密度上通常更有優(yōu)勢(shì)512KB 的容量對(duì)比常見(jiàn) FRAM 的 256KB 要寬裕不少而且 MRAM 在讀寫(xiě)速度對(duì)稱(chēng)性上表現(xiàn)更好。當(dāng)然實(shí)際選型要看價(jià)格和供貨但從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期可靠性的角度MR25H40CDF 是很能打的選擇。1.3 PIC18LF45K80 在這個(gè)方案里的角色PIC18LF45K80 是 Microchip 的 8 位 MCU帶 ECAN 模塊支持 CAN 2.0B這在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)非常關(guān)鍵。它內(nèi)部有 32KB 程序 Flash、3.6KB SRAM 和 1KB EEPROM。很多人會(huì)問(wèn)MCU 自帶的 EEPROM 不是也能存數(shù)據(jù)嗎為什么要外掛 MRAM答案很簡(jiǎn)單容量和速度都不夠。我們?cè)O(shè)備需要記錄的事件類(lèi)型很多包括開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)、報(bào)警、參數(shù)修改、維護(hù)操作、故障代碼每條記錄至少 16 字節(jié)。1KB 的 EEPROM 只能存 64 條幾天就滿(mǎn)了頻繁擦寫(xiě)還會(huì)把 EEPROM 壽命耗盡。外掛 MR25H40CDF 之后512KB 空間劃分幾塊區(qū)域參數(shù)區(qū)、事件日志區(qū)、掉電緊急區(qū)、固件暫存區(qū)怎么用都?jí)?。PIC18LF45K80 的低功耗特性也很重要。工作電壓支持到 1.8V3.3V 下運(yùn)行很穩(wěn)定有可編程低壓檢測(cè)模塊可以在電壓跌落時(shí)提前進(jìn)入中斷代碼做緊急數(shù)據(jù)保存。它內(nèi)置 PLVD 和 BOR這是做掉電保護(hù)的關(guān)鍵外設(shè)后面第四章我專(zhuān)門(mén)講怎么用。1.4 這套組合適合什么場(chǎng)景我實(shí)際用下來(lái)的感受是這套組合特別適合三類(lèi)場(chǎng)景第一類(lèi)是設(shè)備參數(shù)頻繁更新且不能丟失的場(chǎng)合比如伺服驅(qū)動(dòng)器、變頻器、醫(yī)療設(shè)備第二類(lèi)是需要記錄大量事件日志的工業(yè)控制器比如 PLC、現(xiàn)場(chǎng)IO模塊、能源監(jiān)測(cè)設(shè)備第三類(lèi)是通信中斷時(shí)需要本機(jī)暫存數(shù)據(jù)的前端采集設(shè)備比如 CAN 轉(zhuǎn)以太網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)。如果你只是隨手存幾個(gè)配置字節(jié)那 MCU 內(nèi)部 EEPROM 就夠了。但如果你需要至少幾十 KB 的可靠存儲(chǔ)、頻繁寫(xiě)入、還不希望掉電丟數(shù)據(jù)那 MR25H40CDF 這類(lèi) SPI MRAM 會(huì)比 SPI Flash 省心得多。我之前用 SPI Flash 寫(xiě)日志每隔一段就要擦除一次不僅耗時(shí)還要寫(xiě)復(fù)雜的磨損均衡邏輯。換到 MRAM 之后直接把日志區(qū)當(dāng)成環(huán)形數(shù)組寫(xiě)就完了代碼量肉眼可見(jiàn)地減少。2. 硬件連接從數(shù)據(jù)手冊(cè)到 PCB 的實(shí)際接線(xiàn)方案2.1 引腳映射和最小系統(tǒng)連接我用的 PIC18LF45K80 把 MSSP1 復(fù)用在了 RC3/RC4/RC5 這三個(gè)引腳上分別對(duì)應(yīng) SCK、SDI、SDO。MR25H40CDF 的引腳和信號(hào)如下表這是一個(gè)最簡(jiǎn)單、最不容易出錯(cuò)的接法。MR25H40CDF 引腳功能接 PIC18LF45K801 /CS片選RC2作為普通 IO 輸出2 DOMISORC4/SDI13 /WP寫(xiě)保護(hù)經(jīng) 10kΩ 上拉到 3.3V4 VSS地GND5 DIMOSIRC5/SDO16 SCK時(shí)鐘RC3/SCK17 /HOLD暫停傳輸經(jīng) 10kΩ 上拉到 3.3V8 VDD電源3.3V就近加 0.1μF 去耦電容CS 引腳不一定非得接 RC2只要是普通 GPIO 都能用。但要注意CS 必須用軟件明確配置成輸出并且初始化為高電平否則上電瞬間如果 CS 處于低電平MRAM 可能會(huì)把總線(xiàn)上的隨機(jī)電平當(dāng)成命令來(lái)解釋。我在第一版板卡上吃過(guò)這個(gè)虧CS 懸空導(dǎo)致偶發(fā)把內(nèi)存內(nèi)容寫(xiě)花后來(lái)加了上拉電阻并初始化成高電平就穩(wěn)定了。DO、DI、SCK 這三根線(xiàn)就是標(biāo)準(zhǔn)的 SPI 連接。接口電壓都是 3.3V不需要電平轉(zhuǎn)換。如果你用的是 5V 供電版本的 PIC18F45K80直接連接會(huì)有電壓風(fēng)險(xiǎn)因?yàn)?MRAM 的 VDD 是 3.3V引腳耐壓不一定能承受 5V。用 LF 版本或者加電平轉(zhuǎn)換電路都能解決。我這邊選擇 LF 版本省事。2.2 WP、HOLD 和 CS 不要懸空很多工程師第一次用 MRAM 會(huì)漏看 /WP 和 /HOLD。這兩個(gè)引腳如果懸空芯片內(nèi)部的不確定狀態(tài)可能導(dǎo)致兩種怪現(xiàn)象一是 /WP 處于低電平狀態(tài)寄存器里如果設(shè)置了寫(xiě)保護(hù)寫(xiě)操作會(huì)被拒絕二是 /HOLD 處于低電平時(shí)SCK 的有效沿會(huì)被芯片忽略數(shù)據(jù)根本進(jìn)不去。我的處理方式很簡(jiǎn)單/WP 和 /HOLD 都用 10kΩ 電阻上拉到 VDD讓它們默認(rèn)處于非保護(hù)、正常工作狀態(tài)。如果板卡面積緊張直接把這倆引腳接到 VDD 也可以但通過(guò) 10kΩ 上拉的好處是未來(lái)如果程序里想動(dòng)態(tài)控制寫(xiě)保護(hù)還能從軟件切 IO 來(lái)控制。CS 為什么也建議上拉因?yàn)樵?MCU 沒(méi)有完成端口初始化之前GPIO 可能呈現(xiàn)高阻態(tài)CS 引腳的電平不確定。接一個(gè) 10kΩ 上拉能確保這段時(shí)間 CS 穩(wěn)定在高電平芯片不會(huì)進(jìn)入選中狀態(tài)。上電瞬間的電壓爬升階段MRAM 自身也有上電復(fù)位邏輯但外部電路多一重保護(hù)總是更好。2.3 PCB 布局和信號(hào)完整性SPI 時(shí)鐘如果跑 16MHz 甚至更高PCB 走線(xiàn)就不能太隨意。我的布局原則是MRAM 盡量靠近 MCUSCK 走線(xiàn)不超過(guò) 30mmDI/DO/CS 控制在 40mm 以?xún)?nèi)所有數(shù)據(jù)線(xiàn)避免跨越開(kāi)關(guān)電源區(qū)域。如果板子上有繼電器、接觸器這類(lèi)大電流器件它們動(dòng)作時(shí)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng)脈沖雖然 MRAM 的抗磁場(chǎng)干擾能力比傳統(tǒng)磁存儲(chǔ)強(qiáng)得多但布線(xiàn)時(shí)留出隔離距離仍然是必要的。當(dāng) SPI 頻率超過(guò) 10MHz 時(shí)我習(xí)慣在 SCK、DI、CS 三根線(xiàn)上串聯(lián) 22Ω 到 33Ω 的電阻放在靠近 MCU 輸出端的位置。這個(gè)串阻可以抑制振鈴減小對(duì)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)的影響。如果走線(xiàn)短、速度又慢串阻不加也能工作但既然做工業(yè)產(chǎn)品我建議加上成本幾乎可以忽略帶來(lái)的穩(wěn)定性改善卻很直觀(guān)。另外 VDD 和 VSS 之間的去耦電容不要只放一個(gè) 100nF我會(huì)再并一個(gè) 4.7μF 的鉭電容或者多層陶瓷電容。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電源噪聲復(fù)雜尤其是有大功率電機(jī)、變頻器的環(huán)境供電母線(xiàn)經(jīng)常有幾十毫伏的毛刺。MRAM 對(duì)電源的紋波沒(méi)有 Flash 那么敏感但電源不穩(wěn)的時(shí)候 SPI 信號(hào)質(zhì)量會(huì)跟著變差這是很多人容易忽略的關(guān)聯(lián)。2.4 上電順序和下電行為上電時(shí)MCU 的復(fù)位時(shí)間通常比 MRAM 的 VDD 穩(wěn)定時(shí)間更長(zhǎng)只要 CS 保持高電平芯片不會(huì)主動(dòng)動(dòng)作。下電時(shí)如果 3.3V 掉得比 IO 的高電平更快MCU 的 IO 可能短暫處于不確定狀態(tài)這時(shí)候 CS 一旦被拉低就有風(fēng)險(xiǎn)。好在 MRAM 的命令都有嚴(yán)格時(shí)序只是 CS 拉低但沒(méi)有有效的命令字節(jié)不會(huì)改數(shù)據(jù)。為了穩(wěn)妥我在設(shè)計(jì)中增加了一個(gè)簡(jiǎn)單措施在檢測(cè)到掉電條件時(shí)把 CS 引腳強(qiáng)制設(shè)置為高電平甚至直接把所有 SPI 相關(guān)的引腳配置成輸入高阻態(tài)。這樣即使主電源繼續(xù)跌落也不會(huì)因?yàn)?MCU 輸出無(wú)效電平而把 MRAM 拖進(jìn)通信狀態(tài)。這個(gè)處理在接下來(lái)的掉電保護(hù)章節(jié)里還會(huì)再提到。3. 驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)SPI 初始化和 MRAM 讀寫(xiě)命令時(shí)序3.1 MSSP 的 SPI 參數(shù)配置PIC18LF45K80 的 MSSP1 模塊可以配置成 SPI 主模式我們把它做成標(biāo)準(zhǔn) 8 位 SPIMRAM 工作在 Mode 0即時(shí)鐘空閑低電平、上升沿采樣。初始化代碼如下void mram_gpio_init(void) { TRISCbits.TRISC3 1; // SCK1 由 MSSP 控制 TRISCbits.TRISC4 1; // SDI1 輸入 TRISCbits.TRISC5 0; // SDO1 輸出 TRISCbits.TRISC2 0; // CS 普通 IO 輸出 LATCbits.LATC2 1; // CS 空閑為高 } void mram_spi_init(void) { mram_gpio_init(); SSP1STAT 0x40; // CKE1配合 CKP0 即為 SPI Mode 0 SSP1CON1 0x25; // SSPEN1, CKP0, SPI Master, Fosc/4 SSP1ADD 0x00; // 如果使用 BRG 時(shí)鐘模式則寫(xiě)分頻值 PIR1bits.SSP1IF 0; }這里 SSPM 選擇 Fosc/4如果 MCU 跑 64MHzSPI 時(shí)鐘就是 16MHz已經(jīng)能跑滿(mǎn)我們大多數(shù)工業(yè)場(chǎng)景。如果板卡走線(xiàn)較長(zhǎng)或者電磁環(huán)境差可以把時(shí)鐘降到 Fosc/16 甚至 Fosc/64降速是排查問(wèn)題時(shí)最有效的招之一我后面會(huì)講。關(guān)于 SPBRGPIC 的 MSSP 在早期型號(hào)里 SPI 主模式通常用 Fosc/4、/16、/64 這幾個(gè)固定分頻不一定像普通 UART 那樣用 SPBRG 做任意分頻。不同系列略有差異最可靠的辦法是翻開(kāi)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)手冊(cè)的 MSSP 章節(jié)確認(rèn)你的型號(hào)支持哪些分頻。如果你用的型號(hào)支持 BRG 分頻那么 SPBRG 的值決定時(shí)鐘頻率公式一般是 Fosc/(4*(SPBRG1))。3.2 基本讀寫(xiě)函數(shù)的 C 實(shí)現(xiàn)SPI 主模式單字節(jié)交換函數(shù)一手寫(xiě)發(fā)送、一手收數(shù)據(jù)。一個(gè)常用的坑是主模式每發(fā)送一個(gè)字節(jié)同時(shí)也會(huì)接收一個(gè)字節(jié)如果你只發(fā)不收不去讀 SSPBUFBF 標(biāo)志會(huì)一直掛住導(dǎo)致后面?zhèn)鬏斂ㄋ?。uint8_t mram_spi_xfer(uint8_t dat) { SSP1BUF dat; while (!SSP1STATbits.BF); // 等待接收完成 return SSP1BUF; }MRAM 的讀命令是 0x03后面跟 3 字節(jié)地址。地址的發(fā)送順序是高字節(jié)在前。寫(xiě)命令是 0x02同樣先發(fā)地址然后連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)。一次命令可以寫(xiě)任意長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)地址會(huì)自動(dòng)遞增這就是 burst 讀寫(xiě)。實(shí)現(xiàn)如下void mram_read_bytes(uint32_t addr, uint8_t *buf, uint16_t len) { CS_LOW(); mram_spi_xfer(0x03); mram_spi_xfer((uint8_t)(addr 16) 0xFF); mram_spi_xfer((uint8_t)(addr 8) 0xFF); mram_spi_xfer((uint8_t)addr 0xFF); while (len--) { *buf mram_spi_xfer(0x00); } CS_HIGH(); } void mram_write_bytes(uint32_t addr, const uint8_t *buf, uint16_t len) { CS_LOW(); mram_spi_xfer(0x06); // WREN寫(xiě)使能 CS_HIGH(); CS_LOW(); mram_spi_xfer(0x02); // WRITE mram_spi_xfer((uint8_t)(addr 16) 0xFF); mram_spi_xfer((uint8_t)(addr 8) 0xFF); mram_spi_xfer((uint8_t)addr 0xFF); while (len--) { mram_spi_xfer(*buf); } CS_HIGH(); }寫(xiě)入前為什么要先發(fā) 0x06MRAM 內(nèi)部有一個(gè)寫(xiě)使能鎖存位 WEL只有 WEL 為 1 時(shí)寫(xiě)命令才會(huì)真正執(zhí)行。發(fā) 0x06 會(huì)置位 WEL然后 CS 拉高結(jié)束這個(gè)命令周期。接下來(lái)再拉低 CS發(fā)寫(xiě)命令數(shù)據(jù)才能寫(xiě)進(jìn)去。這樣做是為了防止總線(xiàn)上的隨機(jī)干擾不小心觸發(fā)寫(xiě)操作。WEL 在每次寫(xiě)完成或者執(zhí)行 WRDI0x04之后會(huì)被清掉。所以你在代碼里看到的流程必然是WREN 之后緊跟 WRITE中間不要插入別的操作。如果 WREN 發(fā)完了CS 也拉了一會(huì)兒但是沒(méi)有緊接著發(fā) WRITE之后即使有 WRITE 命令也可能被忽略。這跟很多 SPI EEPROM 的行為類(lèi)似但對(duì)不同芯片細(xì)節(jié)又略有差異最終以數(shù)據(jù)手冊(cè)為準(zhǔn)。3.3 狀態(tài)寄存器、寫(xiě)保護(hù)和 WEL 的關(guān)系MRAM 的狀態(tài)寄存器可以通過(guò) 0x05 讀取里面主要包含 WEL、WPEN、BP0、BP1 這些位。讀狀態(tài)寄存器在調(diào)試時(shí)特別有用遇到“寫(xiě)入沒(méi)反應(yīng)”第一個(gè)動(dòng)作就應(yīng)該是讀它。uint8_t mram_read_status(void) { uint8_t st; CS_LOW(); mram_spi_xfer(0x05); st mram_spi_xfer(0x00); CS_HIGH(); return st; }如果狀態(tài)寄存器的 WEL 一直是 0說(shuō)明 WREN 沒(méi)有成功或者芯片處于寫(xiě)保護(hù)狀態(tài)。如果 BP0/BP1 被設(shè)置成了保護(hù)某個(gè)區(qū)塊那么對(duì)應(yīng)區(qū)域的寫(xiě)操作會(huì)被拒絕。出廠(chǎng)默認(rèn)通常是全地址可寫(xiě)但有些批次的芯片或者被人寫(xiě)過(guò)的二手料狀態(tài)寄存器未必是默認(rèn)值。所以我在量產(chǎn)自檢程序里第一件事就是讀狀態(tài)寄存器確認(rèn) WEL 和塊保護(hù)位符合預(yù)期。修改狀態(tài)寄存器要用 0x01 命令同樣前面要先發(fā) WREN。注意狀態(tài)寄存器里 WEL 和 WPEN 這些位的含義不同批次、不同后綴的 MRAM 會(huì)有一點(diǎn)點(diǎn)差異設(shè)計(jì)時(shí)不要盲猜要把數(shù)據(jù)手冊(cè)的相關(guān)表格打印出來(lái)對(duì)著看。我第一次用這個(gè)芯片時(shí)想當(dāng)然地以為塊保護(hù)位是標(biāo)準(zhǔn)的兩層結(jié)果芯片上電默認(rèn)值跟手冊(cè)不完全一樣查工藝差異查了半天。3.4 用 RDID 命令做上電自檢MR25H40 系列讀 ID 命令是 0x9F發(fā)送之后芯片會(huì)返回一串廠(chǎng)商和設(shè)備標(biāo)識(shí)。我在上電自檢里會(huì)讀一段 ID如果讀出來(lái)的內(nèi)容跟預(yù)期不符說(shuō)明 SPI 通信鏈路有問(wèn)題或者焊接不良或者芯片根本沒(méi)有正確上電。uint8_t mram_read_id(uint8_t *id, uint8_t len) { uint8_t i; CS_LOW(); mram_spi_xfer(0x9F); for (i 0; i len; i) { id[i] mram_spi_xfer(0x00); } CS_HIGH(); return i; }調(diào)用處可以用類(lèi)似這樣uint8_t idbuf[4]; uint16_t retry 0; do { mram_read_id(idbuf, 4); retry; } while ((idbuf[0] ! 0x82) (retry 10));0x82 是一部分 Everspin MRAM 的廠(chǎng)商標(biāo)識(shí)字節(jié)具體讀到多少位、哪些字節(jié)有效還是要看數(shù)據(jù)手冊(cè)。我只看前一個(gè)或兩個(gè)字節(jié)能穩(wěn)定讀到非 0xFF 非 0x00 的值就能判斷通信基本正常。這個(gè)自檢對(duì)量產(chǎn)測(cè)試非常友好不用每次都用示波器去量波形直接跑一個(gè)自檢任務(wù)就能篩掉大部分不良板卡。3.5 調(diào)試用的備用位操作 SPI如果 MSSP 硬件模塊出現(xiàn)配置問(wèn)題或者你只是臨時(shí)手焊了一塊飛線(xiàn)板SPI 時(shí)序不穩(wěn)定我會(huì)直接寫(xiě)一個(gè) bit-bang 版本應(yīng)急。GPIO 模擬 SPI 的好處是引腳隨便換、速度隨便調(diào)排查硬件問(wèn)題時(shí)特別直觀(guān)。void mram_gpio_spi_init(void) { CS_OUT 1; SCK_OUT 0; DI_OUT 1; DO_IN 1; } uint8_t mram_gpio_spi_xfer(uint8_t dat) { uint8_t bit, ret 0; for (bit 0; bit 8; bit) { DI_OUT (dat 0x80) ? 1 : 0; dat 1; SCK_OUT 1; ret 1; if (DO_IN) ret | 1; SCK_OUT 0; } return ret; }這版代碼只做演示實(shí)際用的時(shí)候需要加一些小延時(shí)讓每半周期至少持續(xù)幾百納秒。用它讀寫(xiě) MRAM 完全沒(méi)問(wèn)題只是速度慢。正式產(chǎn)品我肯定用 MSSP但調(diào)試階段 GPIO 版往往能暴露信號(hào)線(xiàn)上的奇怪問(wèn)題比如某根線(xiàn)接錯(cuò)了引腳GPIO 版一查就知道。4. 工業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)組織和掉電保護(hù)設(shè)計(jì)4.1 512KB 空間的地址規(guī)劃拿到 512KB 空間之后不要把所有數(shù)據(jù)堆在一個(gè)區(qū)域必須提前做好地址規(guī)劃。以我們的設(shè)備為例地址就劃分成四個(gè)區(qū)每個(gè)區(qū)有明確職責(zé)。地址范圍大小用途0x000000~0x00003F64B設(shè)備信息區(qū)版本、序列號(hào)、固件分區(qū)標(biāo)記0x000040~0x0001FF448B運(yùn)行參數(shù)區(qū)重要參數(shù)鏡像帶 CRC0x000200~0x1FFFFF約127KB事件日志環(huán)形區(qū)0x200000~0x20000F16B掉電緊急區(qū)0x200010~0x7FFFFF約383KB大塊數(shù)據(jù)暫存區(qū)可存升級(jí)固件這個(gè)劃分思路來(lái)自實(shí)際需求。參數(shù)區(qū)必須放在低地址讀寫(xiě)頻率低每次更新用雙備份加 CRC 校驗(yàn)。事件日志區(qū)是 MRAM 發(fā)揮最大價(jià)值的地方容量大又不需要擦寫(xiě)均衡直接做環(huán)形隊(duì)列。掉電緊急區(qū)放在固定地址任意時(shí)刻都可能被寫(xiě)入多留冗余字段。選擇低地址放參數(shù)區(qū)還有一個(gè)考慮是在調(diào)試的時(shí)候固定地址比高地址更容易用燒錄器或者命令行工具讀取。如果你的上位機(jī)軟件協(xié)議里直接讀寫(xiě)存儲(chǔ)地址用固定且靠前的地址段會(huì)舒服很多。4.2 循環(huán)事件日志的實(shí)現(xiàn)思路如果用 Flash日志環(huán)形隊(duì)列要處理塊擦除和磨損均衡復(fù)雜度讓人頭疼。用 MRAM 就非常簡(jiǎn)單我把日志區(qū)當(dāng)成一個(gè)大環(huán)形數(shù)組維護(hù)頭指針和尾指針就行。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)大概是這樣的typedef struct { uint32_t magic; // 日志區(qū)有效標(biāo)記 uint32_t seq; // 總寫(xiě)入序號(hào) uint32_t head; // 當(dāng)前寫(xiě)位置 uint32_t tail; // 最早有效記錄位置 uint16_t crc; // 頭部校驗(yàn) } LogHeader;每寫(xiě)一條事件記錄先讀出 LogHeader然后以 head 為地址寫(xiě)入記錄再把 head 向后移動(dòng)記錄長(zhǎng)度。如果 head 越過(guò)了日志區(qū)末尾就回到日志區(qū)起點(diǎn)繼續(xù)。由于 MRAM 寫(xiě)操作不需要擦除回繞之后直接覆蓋舊記錄即可。讀日志時(shí)從 tail 開(kāi)始順序讀讀到最后一條就停止。這樣設(shè)計(jì)要注意兩個(gè)問(wèn)題。第一是頭部和記錄本身的 CRC掉電可能發(fā)生在任何時(shí)刻如果頭部更新到一半而記錄還沒(méi)寫(xiě)下次啟動(dòng)時(shí)讀到的日志順序會(huì)錯(cuò)亂。我的處理是把頭部整體作為一條 16 字節(jié)記錄和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)一起 CRC寫(xiě)入時(shí)先寫(xiě)一條全新的“提交記錄”再更新頭部。MRAM 寫(xiě)操作極快這個(gè)提交機(jī)制比 Flash 方案簡(jiǎn)單得多。第二是 MRAM 寫(xiě)操作雖然不需要等待擦除但它仍然有地址遞增回繞的問(wèn)題。單次 burst 寫(xiě)如果跨過(guò)日志區(qū)邊界就可能把數(shù)據(jù)寫(xiě)到別的地方。所以我寫(xiě)的日志模塊里會(huì)把跨邊界的寫(xiě)拆成兩段先在末尾寫(xiě)到日志區(qū)結(jié)束再回到起始地址寫(xiě)剩下部分。這個(gè)細(xì)節(jié)很容易被忽略但真出問(wèn)題時(shí)很隱蔽。4.3 掉電時(shí)用 LVD/BOR 緊急寫(xiě)入工業(yè)設(shè)備掉電是最難處理的問(wèn)題。傳統(tǒng)方案里檢測(cè)到掉電后用一個(gè)大電容蓄能搶在電壓跌到復(fù)位閾值前寫(xiě) EEPROM但 EEPROM 寫(xiě)一個(gè)字節(jié)要幾毫秒一個(gè)幾十字節(jié)的參數(shù)組可能來(lái)不及寫(xiě)完。換 MRAM 之后搶寫(xiě)壓力小了很多因?yàn)樗鼘?xiě)入本身就是即時(shí)的。PIC18LF45K80 內(nèi)部可編程低壓檢測(cè)模塊可以在 VDD 跌落到某個(gè)閾值時(shí)產(chǎn)生中斷。我的配置思路是把 LVD 閾值設(shè)得比 BOR 復(fù)位閾值高一檔這樣電壓跌落時(shí)先觸發(fā) LVD 中斷此時(shí) MCU 還處于正常狀態(tài)有足夠的時(shí)間執(zhí)行最后一批關(guān)鍵寫(xiě)入。void __interrupt() high_isr(void) { if (PIR2bits.LVDIF PIE2bits.LVDIE) { PIR2bits.LVDIF 0; // 將關(guān)鍵參數(shù)從 SRAM 拷貝到掉電緊急區(qū) mram_write_bytes(0x200000, (uint8_t*)critical_param, sizeof(critical_param)); // 寫(xiě)完最后一條事件 log_commit_event(EVENT_POWER_FAIL, 0); } }這段代碼在真實(shí)項(xiàng)目里的效果是掉電瞬間能把狀態(tài)和最后一條日志完整保存下來(lái)。關(guān)鍵點(diǎn)是中斷里不要做太多事只寫(xiě)固定地址的小塊數(shù)據(jù)因?yàn)閺臋z測(cè)到掉電到 VDD 跌出工作范圍可用時(shí)間往往只有幾百微秒。一次 burst 寫(xiě) 1KB 數(shù)據(jù)在 16MHz SPI 下大約 0.5ms如果電容夠大、掉電斜坡夠慢這個(gè)操作還是能完成的。如果嫌手動(dòng) LVD 麻煩也可以依賴(lài) BOR 復(fù)位后在復(fù)位向量里做快速恢復(fù)。但 BOR 觸發(fā)意味著電壓已經(jīng)很低復(fù)位后 MCU 可能反復(fù)重啟寫(xiě)半截的風(fēng)險(xiǎn)比 LVD 方案高。我建議只要 MCU 支持 PLVD就優(yōu)先用 LVD 中斷搶寫(xiě)而不是等 BOR 復(fù)位。4.4 用 CRC 保證數(shù)據(jù)完整性數(shù)據(jù)寫(xiě)入后讀回來(lái)是不是和寫(xiě)入時(shí)一致這在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)要靠 CRC 兜底。我一般用 CRC-16-CCITT查表法實(shí)現(xiàn)參數(shù)區(qū)、日志區(qū)頭部、每條鏈路記錄都帶 CRC。讀數(shù)據(jù)時(shí)先算 CRC不一致就標(biāo)記為數(shù)據(jù)異常拒絕使用該記錄。uint16_t crc16_ccitt(uint16_t crc, const uint8_t *buf, uint16_t len) { while (len--) { crc ^ (*buf 8); for (uint8_t i 0; i 8; i) { crc (crc 0x8000) ? (crc 1) ^ 0x1021 : (crc 1); } } return crc; }CRC 的作用不只是檢測(cè)存儲(chǔ)單元壞了還能檢測(cè)軟件邏輯錯(cuò)誤。比如日志頭部指向了錯(cuò)誤位置讀出來(lái)的數(shù)據(jù) CRC 大概率對(duì)不上就可以通過(guò)日志回退機(jī)制找到上一條有效記錄。工業(yè)上偶爾會(huì)有強(qiáng)電磁干擾把 SPI 數(shù)據(jù)線(xiàn)打翻的案例CRC 能第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并上報(bào)而不是讓設(shè)備用被篡改的參數(shù)運(yùn)行。5. 調(diào)試實(shí)錄波形、故障和排查方法5.1 用示波器檢查 SPI 時(shí)序調(diào)試第一天我習(xí)慣先抓 SPI 波形。觀(guān)察重點(diǎn)有三個(gè)時(shí)鐘空閑電平是不是低CS 在每次命令周期之間是不是完整拉高過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)是否在 SCK 有效沿附近保持穩(wěn)定。正常 Mode 0 波形應(yīng)該是 SCK 空閑低CS 拉低后第一個(gè) SCK 上升沿采樣數(shù)據(jù)字節(jié)DI 和 DO 在這些沿附近切換。如果看到數(shù)據(jù)變化點(diǎn)正好落在采樣沿上說(shuō)明邊沿對(duì)齊有問(wèn)題可以試著把 CKE 和 CKP 的組合換一下或者降低 SPI 時(shí)鐘。很多時(shí)候把時(shí)鐘從 16MHz 降到 4MHz波形上的抖動(dòng)就變得無(wú)關(guān)緊要了。如果波形顯示 CS 一直在低中間沒(méi)有拉高那你的代碼里命令周期沒(méi)有正確結(jié)束。MRAM 的每個(gè)命令必須以 CS 拉高作為結(jié)束WREN 命令之后尤其重要。這個(gè)坑我踩過(guò)當(dāng)時(shí)日志偶發(fā)錯(cuò)亂示波器一抓發(fā)現(xiàn) WREN 之后 CS 沒(méi)有完全拉高就又拉低了芯片的狀態(tài)機(jī)根本沒(méi)有退出 WREN 周期。5.2 排查“寫(xiě)入沒(méi)反應(yīng)”“數(shù)據(jù)錯(cuò)位”等典型問(wèn)題寫(xiě)入沒(méi)反應(yīng)先讀狀態(tài)寄存器。如果 WEL 是 0說(shuō)明 WREN 沒(méi)有生效如果塊保護(hù)位被置位說(shuō)明有人通過(guò) WRSR 改了保護(hù)配置。這兩個(gè)問(wèn)題都能通過(guò)讀狀態(tài)快速定位。數(shù)據(jù)錯(cuò)位的問(wèn)題多半出在地址發(fā)送順序上。MRAM 地址是 3 字節(jié)高字節(jié)在前。如果你傳了一個(gè) 32 位變量給地址參數(shù)但發(fā)送時(shí)把低字節(jié)放到了最前面高地址區(qū)域讀寫(xiě)就會(huì)錯(cuò)亂。我在代碼里寫(xiě)明 addr 的高 8 位必須為 0因?yàn)?512KB 空間只需要 19 位地址發(fā)完整 3 字節(jié)時(shí)高字節(jié)如果帶了非零值芯片的行為可能就是訪(fǎng)問(wèn)到一個(gè)不存在的地址段返回的數(shù)據(jù)全是 0xFF。如果寫(xiě)入后讀回來(lái)內(nèi)容正確但下一次啟動(dòng)又變了優(yōu)先檢查 CS 上拉和 MRAM 供電。有一個(gè)典型案例是 MCU 在復(fù)位瞬間把 CS 拉低然后在時(shí)鐘線(xiàn)上有脈沖MRAM 誤收到一個(gè)命令把數(shù)據(jù)寫(xiě)亂了。這種情況單靠程序很難徹底解決硬件上保證 CS 上拉和掉電時(shí)序才是根治辦法。5.3 常見(jiàn)問(wèn)題速查表現(xiàn)象可能原因處理方法寫(xiě)入后讀回全 0xFF沒(méi)有先發(fā) WREN 或 WEL 為 0確保 WREN 后緊跟 WRITE寫(xiě)入被拒絕塊保護(hù)位被設(shè)置讀狀態(tài)寄存器執(zhí)行 WRSR 清除保護(hù)數(shù)據(jù)錯(cuò)位地址發(fā)送順序錯(cuò)按高字節(jié)先發(fā)確認(rèn)高字節(jié)為 0偶發(fā)數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)SPI 太快或走線(xiàn)太長(zhǎng)降速到 4~8MHz加串阻上電后第一次讀寫(xiě)失敗CS 上電期間抖動(dòng)CS 接 10kΩ 上拉啟動(dòng)延時(shí)讀取 ID 返回全 FF芯片沒(méi)上電或 SPI 接錯(cuò)查供電、查 ID 命令是否有效調(diào)試口接上才能寫(xiě)IO 初始化慢于通信上電初始化 GPIO 后再操作 MRAM這張表是我實(shí)際調(diào)試中最常翻的內(nèi)容。尤其是“調(diào)試口接上才能寫(xiě)”這個(gè)問(wèn)題其實(shí)是因?yàn)榉抡嫫魃想姇r(shí)把引腳狀態(tài)穩(wěn)定住了脫離仿真器后 MCU 的 GPIO 在復(fù)位期間呈現(xiàn)高阻CS 懸空導(dǎo)致第一次訪(fǎng)問(wèn)失敗。硬件上加上拉之后這個(gè)問(wèn)題就消失了。5.4 長(zhǎng)期運(yùn)行測(cè)試與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)我在老化測(cè)試?yán)镒鲞^(guò)一輪這樣的壓力測(cè)試循環(huán)往同一塊日志區(qū)寫(xiě) 1000 萬(wàn)條 16 字節(jié)記錄每寫(xiě) 100 條讀一次 CRC記錄錯(cuò)誤次數(shù)。結(jié)果 1000 萬(wàn)條全部通過(guò)全程沒(méi)有一次 CRC 錯(cuò)誤。這個(gè)測(cè)試如果放在 SPI Flash 上需要處理 1000 萬(wàn)次寫(xiě)操作對(duì)應(yīng)的擦寫(xiě)和磨損均衡早就把扇區(qū)擦壞了。還做過(guò) 85℃ 高溫環(huán)境下連續(xù) 72 小時(shí)的讀寫(xiě)循環(huán)同樣沒(méi)有發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。MRAM 的磁存儲(chǔ)單元對(duì)高溫不敏感這點(diǎn)比 Boost 型 EEPROM 更有優(yōu)勢(shì)。低溫沖擊則是把整板上電后在 -40℃ 到 70℃ 之間循環(huán)切換每次切換后檢查參數(shù)區(qū)和日志區(qū)數(shù)據(jù)。因?yàn)?MRAM 沒(méi)有電荷保持問(wèn)題這類(lèi)測(cè)試很容易通過(guò)。要注意的是測(cè)試時(shí)不要只測(cè)芯片要把整套 SPI 鏈路一起烤。芯片本身很穩(wěn)定但 MCU 引腳、焊接點(diǎn)、PCB 過(guò)孔在溫度循環(huán)下可能出現(xiàn)微斷裂。生產(chǎn)階段的 ICT 測(cè)試?yán)镂視?huì)加一個(gè)固定地址的讀寫(xiě)回環(huán)覆蓋整個(gè)地址空間的前 64 字節(jié)和后 64 字節(jié)這樣能快速發(fā)現(xiàn)焊接虛焊問(wèn)題。6. 回到現(xiàn)場(chǎng)幾條值得保留的調(diào)試習(xí)慣整個(gè)項(xiàng)目做下來(lái)我最想保留的幾條經(jīng)驗(yàn)第一條就是異常時(shí)先讀狀態(tài)寄存器不要急著改代碼。MRAM 的很多“寫(xiě)不進(jìn)”問(wèn)題讀一下?tīng)顟B(tài)寄存器就知道是 WEL 沒(méi)置位還是被保護(hù)了比對(duì)著時(shí)序圖猜半天快得多。第二條是給 MRAM 驅(qū)動(dòng)加一個(gè)獨(dú)立的回環(huán)自檢入口上電時(shí)主動(dòng)寫(xiě)一段固定數(shù)據(jù)再讀回來(lái)失敗就報(bào)故障碼而不是靜默運(yùn)行。這套自檢邏輯在量產(chǎn)老化階段幫我擋下了至少三塊焊接不良的板子如果不上電自檢這些不良板到了客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)才會(huì)暴露。第三條是代碼里預(yù)留存儲(chǔ)協(xié)議版本字段。設(shè)備通過(guò) CAN 上傳數(shù)據(jù)時(shí)上位機(jī)軟件先讀設(shè)備信息區(qū)的存儲(chǔ)協(xié)議版本再做后續(xù)讀寫(xiě)。這樣后續(xù)存儲(chǔ)布局改動(dòng)新舊設(shè)備都能兼容不會(huì)因?yàn)樽侄纹茖?dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。最后說(shuō)一個(gè)無(wú)傷大雅但很有用的細(xì)節(jié)把 MRAM 的 CS、SCK、MOSI、MISO 四個(gè)信號(hào)絲印印在 PCB 上調(diào)試夾探頭的時(shí)候不用再翻原理圖。這些小習(xí)慣不改變系統(tǒng)架構(gòu)但能讓現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)的人省下大量時(shí)間。