數(shù)據(jù)采集方案：SPI驅(qū)動(dòng)、掉電保護(hù)與調(diào)試實(shí)戰(zhàn))
1. 項(xiàng)目緣起與方案選型為什么是 MRAM 加 PIC18F45251.1 一個(gè)真實(shí)的需求場(chǎng)景前陣子接了個(gè)工業(yè)數(shù)據(jù)采集終端的活需求說(shuō)起來(lái)不復(fù)雜設(shè)備裝在配電柜里每隔幾百毫秒采集一次電流、溫度、開(kāi)關(guān)狀態(tài)本地要能存最近若干條記錄斷電不能丟上電后主控要能立刻把數(shù)據(jù)讀出來(lái)做趨勢(shì)判斷。現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較惡劣夏天柜內(nèi)溫度能到七十多度冬天戶(hù)外柜可能零下二三十度還有電機(jī)啟停帶來(lái)的電源波動(dòng)和電磁干擾。一開(kāi)始我按慣性想用 EEPROM比如 24C 系列便宜、熟悉、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單。但仔細(xì)一算就發(fā)現(xiàn)問(wèn)題了采集頻率高如果每條都寫(xiě) EEPROM按 100 萬(wàn)次擦寫(xiě)壽命算一天寫(xiě)幾萬(wàn)次幾個(gè)月就把壽命耗光了。換成 SPI Flash 呢容量大、便宜但 Flash 有個(gè)繞不開(kāi)的毛病——寫(xiě)之前必須先擦除整個(gè)扇區(qū)而且擦寫(xiě)壽命也就十萬(wàn)次量級(jí)頻繁小數(shù)據(jù)寫(xiě)入同樣扛不住更麻煩的是掉電瞬間如果正在擦寫(xiě)整個(gè)扇區(qū)數(shù)據(jù)可能就廢了。這時(shí)候 MRAM 就進(jìn)入了視野。MR25H40CDF 是 Everspin 出的 4Mbit 磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器SPI 接口最關(guān)鍵的特性是寫(xiě)入不需要擦除、字節(jié)級(jí)可寫(xiě)、擦寫(xiě)壽命幾乎無(wú)限官方標(biāo)稱(chēng) 10^14 次以上、掉電數(shù)據(jù)不丟、讀寫(xiě)速度接近 SRAM。這幾點(diǎn)幾乎完美命中工業(yè)場(chǎng)景的痛點(diǎn)。主控這邊選 PIC18F4525理由也很實(shí)在8 位機(jī)里外設(shè)夠用、SPI 模塊成熟、工業(yè)溫度范圍版本好買(mǎi)、開(kāi)發(fā)工具鏈穩(wěn)定而且這個(gè)項(xiàng)目對(duì)算力要求不高用 32 位屬于殺雞用牛刀成本還上去了。所以這套組合的核心邏輯就是用 MRAM 解決頻繁寫(xiě)、斷電不丟、壽命長(zhǎng)的存儲(chǔ)難題用 PIC18F4525 解決穩(wěn)定采集、可靠通信、成本可控的控制難題。下面我把整個(gè)設(shè)計(jì)、調(diào)試、踩坑的過(guò)程完整拆一遍如果你也在做類(lèi)似的數(shù)據(jù)記錄、參數(shù)存儲(chǔ)、掉電保護(hù)類(lèi)項(xiàng)目這套思路可以直接參考。1.2 MR25H40CDF 到底強(qiáng)在哪先把這顆芯片的關(guān)鍵參數(shù)擺出來(lái)方便你判斷是否適合自己的項(xiàng)目。參數(shù)項(xiàng)數(shù)值說(shuō)明容量4 Mbit512 KB按字節(jié)尋址夠存大量記錄接口SPI最高 40 MHz支持 Mode 0 和 Mode 3供電2.7V ~ 3.6V注意是 3.3V 器件不能直接 5V擦寫(xiě)壽命10^14 次以上基本可以認(rèn)為寫(xiě)不壞數(shù)據(jù)保持20 年以上斷電不丟無(wú)需備份電池寫(xiě)入方式字節(jié)/頁(yè)均可無(wú)需擦除這是和 Flash 最大的區(qū)別工作溫度-40℃ ~ 85℃工業(yè)級(jí)部分型號(hào)到 105℃封裝8 引腳 SOIC / DFN引腳少布線(xiàn)簡(jiǎn)單我第一次用 MRAM 的時(shí)候最直觀的感受就是像操作 SRAM 一樣操作它。傳統(tǒng) Flash 你要先發(fā)寫(xiě)使能、再發(fā)擦除命令、等擦除完成、再發(fā)寫(xiě)使能、再寫(xiě)數(shù)據(jù)、再等寫(xiě)完成一套流程下來(lái)幾十毫秒就沒(méi)了。MRAM 呢發(fā)個(gè)寫(xiě)命令把地址和數(shù)據(jù)懟進(jìn)去等幾微秒完事。這個(gè)差異在高速采集場(chǎng)景下是決定性的。1.3 PIC18F4525 的角色定位PIC18F4525 是 Microchip 的 8 位單片機(jī)44 引腳32KB Flash 程序空間3936 字節(jié) RAM自帶 MSSP 模塊可以配置成 SPI 主模式。選它主要看中幾點(diǎn)SPI 硬件模塊穩(wěn)定不用軟件模擬時(shí)序有足夠的 GPIO 做采集和指示工業(yè)級(jí)版本供貨穩(wěn)定用 MPLAB X XC8 編譯器開(kāi)發(fā)工具鏈成熟出問(wèn)題好查。這里要提醒一句PIC18F4525 的供電范圍是 2.0V ~ 5.5V但 MR25H40CDF 是 3.3V 器件所以整個(gè)系統(tǒng)要么統(tǒng)一跑 3.3V要么做電平轉(zhuǎn)換。我這次是統(tǒng)一 3.3V 供電省掉了電平轉(zhuǎn)換芯片布線(xiàn)也簡(jiǎn)單。如果你手上是 5V 系統(tǒng)SPI 的 MOSI、SCK、CS 這幾根線(xiàn)從 5V 主控打到 3.3V 從機(jī)必須加電平轉(zhuǎn)換或者至少串電阻分壓否則長(zhǎng)期跑會(huì)損傷 MRAM 的輸入級(jí)。2. 硬件設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)與 SPI 時(shí)序要點(diǎn)2.1 硬件連接與引腳分配MR25H40CDF 是 8 引腳封裝引腳定義很清晰CS片選、SO數(shù)據(jù)輸出即 MISO、SI數(shù)據(jù)輸入即 MOSI、SCK時(shí)鐘、VDD、VSS、WP寫(xiě)保護(hù)、HOLD保持。實(shí)際用的時(shí)候 WP 和 HOLD 如果不用直接拉到 VDD 即可但要注意這兩個(gè)引腳是低有效懸空會(huì)誤觸發(fā)。我這次給 PIC18F4525 的引腳分配是這樣的RC3 / SCKSPI 時(shí)鐘RC5 / SDO主出從入接 MRAM 的 SIRC4 / SDI主入從出接 MRAM 的 SORA5片選 CS用普通 GPIO 控制RA4寫(xiě)保護(hù) WP 控制可選調(diào)試時(shí)方便RB0狀態(tài)指示燈這里有個(gè)細(xì)節(jié)值得說(shuō)片選為什么用普通 GPIO 而不是硬件 SS 引腳。PIC18F4525 的 MSSP 模塊在 SPI 主模式下SS 引腳其實(shí)可以配置成普通 IO片選完全由軟件控制。這樣做的好處是靈活你可以在一條總線(xiàn)上掛多個(gè) SPI 從機(jī)用不同 GPIO 分別片選。工業(yè)項(xiàng)目里經(jīng)常要掛 MRAM、Flash、顯示屏好幾個(gè) SPI 設(shè)備軟件片選是標(biāo)配做法。硬件片選雖然省一個(gè) IO但多從機(jī)場(chǎng)景下反而麻煩。2.2 SPI 模式選擇與時(shí)序分析MR25H40CDF 支持 SPI Mode 0CPOL0, CPHA0和 Mode 3CPOL1, CPHA1。我選的是 Mode 0原因是 PIC 的 MSSP 模塊配置 Mode 0 最直接而且大多數(shù)調(diào)試工具默認(rèn)也是 Mode 0抓波形方便。Mode 0 的時(shí)序特征時(shí)鐘空閑時(shí)為低電平數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿采樣下降沿輸出。這意味著主控在 SCK 下降沿把數(shù)據(jù)放到 MOSI 上從機(jī)在上升沿讀取從機(jī)在下降沿把數(shù)據(jù)放到 MISO 上主控在上升沿讀取。理解這個(gè)時(shí)序?qū)ε挪橥ㄐ艈?wèn)題非常關(guān)鍵后面講排查的時(shí)候會(huì)用到。關(guān)于時(shí)鐘頻率MRAM 最高支持 40MHz但 PIC18F4525 在 3.3V 下跑 SPI 主模式實(shí)際能穩(wěn)定跑的頻率受限于系統(tǒng)時(shí)鐘和分頻系數(shù)。我系統(tǒng)時(shí)鐘用的是 32MHz外部晶振 8MHz 四倍頻SPI 分頻選 4得到 8MHz 的 SCK。實(shí)測(cè) 8MHz 下讀寫(xiě)都很穩(wěn)波形干凈。如果你追求更高速度可以試試分頻 2 得到 16MHz但要注意 PCB 走線(xiàn)質(zhì)量線(xiàn)長(zhǎng)了或者有干擾高速下容易出錯(cuò)。提示SPI 時(shí)鐘頻率不是越高越好。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)干擾大我一般會(huì)留足余量8MHz 夠用就不硬上 16MHz。穩(wěn)定性永遠(yuǎn)優(yōu)先于速度。2.3 PCB 布局的幾個(gè)經(jīng)驗(yàn)SPI 雖然是有同步時(shí)鐘的通信理論上比 UART、I2C 抗干擾強(qiáng)但在工業(yè)環(huán)境里布局不好照樣出問(wèn)題。我踩過(guò)的坑總結(jié)幾條第一SCK 走線(xiàn)盡量短且遠(yuǎn)離大電流回路。SCK 是時(shí)鐘線(xiàn)頻率高最容易輻射也最容易被干擾。我第一版板子把 SCK 和繼電器驅(qū)動(dòng)線(xiàn)并排走了幾厘米結(jié)果繼電器一動(dòng)作SPI 就讀寫(xiě)錯(cuò)誤。后來(lái)把 SCK 改短、加地線(xiàn)隔離問(wèn)題消失。第二CS 線(xiàn)要單獨(dú)走不要和 SCK 平行長(zhǎng)距離。CS 是控制信號(hào)如果和 SCK 耦合可能在時(shí)鐘跳變時(shí)誤觸發(fā)片選導(dǎo)致通信錯(cuò)亂。第三MRAM 的電源引腳旁邊必須放 0.1uF 去耦電容越近越好。MRAM 寫(xiě)入瞬間電流會(huì)有波動(dòng)去耦不好會(huì)導(dǎo)致寫(xiě)入失敗或者數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。我一般還會(huì)再并一個(gè) 1uF 的鉭電容做低頻濾波。第四WP 和 HOLD 不要懸空。這兩個(gè)引腳內(nèi)部沒(méi)有強(qiáng)上拉懸空時(shí)電平不確定可能導(dǎo)致寫(xiě)保護(hù)隨機(jī)生效或者器件進(jìn)入保持狀態(tài)。直接拉到 VDD 最省心。3. 軟件實(shí)現(xiàn)從底層驅(qū)動(dòng)到數(shù)據(jù)管理3.1 SPI 底層驅(qū)動(dòng)編寫(xiě)PIC18F4525 的 MSSP 模塊配置成 SPI 主模式核心寄存器就幾個(gè)SSPCON1、SSPSTAT、SSPADD主模式下不用。初始化代碼如下我用 XC8 編譯器寫(xiě)的void SPI_Init(void) { TRISC3 0; // SCK 輸出 TRISC5 0; // SDO 輸出 TRISC4 1; // SDI 輸入 TRISA5 0; // CS 輸出 CS 1; // 片選默認(rèn)拉高 SSPCON1 0x20; // SSPEN1, CKP0, SPI Master, Fosc/4 SSPSTAT 0x40; // CKE0, SMP0, Mode 0 } unsigned char SPI_Transfer(unsigned char data) { SSPBUF data; while(!SSPIF); // 等待傳輸完成 SSPIF 0; return SSPBUF; }這段代碼看著簡(jiǎn)單但有幾個(gè)點(diǎn)新手容易錯(cuò)。SSPSTAT的 CKE 和 SMP 位決定了 SPI 模式Mode 0 對(duì)應(yīng) CKE0、SMP0配錯(cuò)了時(shí)序就完全對(duì)不上。還有SSPIF標(biāo)志位發(fā)送完必須手動(dòng)清零否則下一次等待會(huì)直接跳過(guò)。我見(jiàn)過(guò)有人忘了清標(biāo)志結(jié)果讀回來(lái)的數(shù)據(jù)全是錯(cuò)的查了半天。3.2 MRAM 讀寫(xiě)命令解析MR25H40CDF 的命令集很精簡(jiǎn)常用的就幾條命令十六進(jìn)制功能WREN0x06寫(xiě)使能WRDI0x04寫(xiě)禁止RDSR0x05讀狀態(tài)寄存器WRSR0x01寫(xiě)狀態(tài)寄存器READ0x03讀數(shù)據(jù)WRITE0x02寫(xiě)數(shù)據(jù)讀操作的流程拉低 CS發(fā) 0x03發(fā) 24 位地址4Mbit 需要 19 位地址但按 24 位發(fā)高位補(bǔ)零然后連續(xù)讀數(shù)據(jù)讀完拉高 CS。寫(xiě)操作的流程拉低 CS發(fā) 0x06 寫(xiě)使能拉高 CS再拉低 CS發(fā) 0x02發(fā) 24 位地址發(fā)數(shù)據(jù)拉高 CS。這里有個(gè)和 Flash 不一樣的地方MRAM 的寫(xiě)使能是每次寫(xiě)之前都要發(fā)但不需要等待寫(xiě)完成。Flash 寫(xiě)完要輪詢(xún)狀態(tài)寄存器等 WIP 位清零MRAM 寫(xiě)完數(shù)據(jù)就進(jìn)去了最多等幾微秒。所以驅(qū)動(dòng)里不需要寫(xiě)輪詢(xún)邏輯簡(jiǎn)單很多。void MRAM_WriteByte(unsigned long addr, unsigned char data) { CS 0; SPI_Transfer(0x06); // WREN CS 1; CS 0; SPI_Transfer(0x02); // WRITE SPI_Transfer((addr 16) 0xFF); SPI_Transfer((addr 8) 0xFF); SPI_Transfer(addr 0xFF); SPI_Transfer(data); CS 1; } unsigned char MRAM_ReadByte(unsigned long addr) { unsigned char dat; CS 0; SPI_Transfer(0x03); // READ SPI_Transfer((addr 16) 0xFF); SPI_Transfer((addr 8) 0xFF); SPI_Transfer(addr 0xFF); dat SPI_Transfer(0x00); CS 1; return dat; }3.3 地址空間規(guī)劃與數(shù)據(jù)組織512KB 的空間看著大但如果不規(guī)劃好用起來(lái)一樣亂。我的做法是把空間分成幾個(gè)區(qū)0x00000 ~ 0x000FF系統(tǒng)配置區(qū)存設(shè)備參數(shù)、校準(zhǔn)系數(shù)、版本號(hào)0x00100 ~ 0x00FFF運(yùn)行日志區(qū)存關(guān)鍵事件記錄0x01000 ~ 0x7FFFF采集數(shù)據(jù)區(qū)環(huán)形緩沖區(qū)采集數(shù)據(jù)區(qū)用環(huán)形緩沖的方式管理維護(hù)一個(gè)寫(xiě)指針和一個(gè)讀指針。寫(xiě)指針每次寫(xiě)完一條記錄就往后移到末尾繞回開(kāi)頭。讀指針用于上位機(jī)來(lái)取數(shù)據(jù)時(shí)定位。這樣既不會(huì)寫(xiě)滿(mǎn)溢出又能保留最近的歷史數(shù)據(jù)。每條記錄我定義成 16 字節(jié)的結(jié)構(gòu)4 字節(jié)時(shí)間戳、4 字節(jié)電流值、4 字節(jié)溫度值、2 字節(jié)開(kāi)關(guān)狀態(tài)、2 字節(jié)校驗(yàn)。校驗(yàn)用簡(jiǎn)單的累加和雖然不如 CRC 強(qiáng)但對(duì)這種短記錄夠用計(jì)算也快。注意環(huán)形緩沖區(qū)的讀寫(xiě)指針本身也要存到 MRAM 里而且要定期更新。如果只在掉電時(shí)保存掉電瞬間可能來(lái)不及寫(xiě)。我的做法是每寫(xiě) 100 條記錄更新一次指針這樣即使掉電丟失最多 100 條對(duì)趨勢(shì)判斷影響不大。3.4 掉電保護(hù)與數(shù)據(jù)完整性工業(yè)項(xiàng)目最怕的就是掉電丟數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)錯(cuò)亂。MRAM 本身掉電不丟但主控在掉電瞬間可能正在寫(xiě)寫(xiě)到一半斷電這條記錄就不完整了。解決辦法是加一個(gè)記錄有效標(biāo)志每條記錄寫(xiě)完數(shù)據(jù)后最后寫(xiě)一個(gè)特定的標(biāo)志字節(jié)比如 0xA5。讀的時(shí)候先檢查標(biāo)志標(biāo)志不對(duì)就認(rèn)為這條記錄無(wú)效跳過(guò)。另外電源部分我加了一個(gè)大電容和電壓檢測(cè)電路。電壓檢測(cè)用 PIC 的 ADC 監(jiān)測(cè)供電當(dāng)電壓低于閾值時(shí)立即停止采集把當(dāng)前狀態(tài)和指針保存到 MRAM然后進(jìn)入低功耗等待。這樣能保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)不丟。實(shí)測(cè)從檢測(cè)到掉電到完成保存大概 2 毫秒電容容量選夠就行。4. 調(diào)試實(shí)錄那些讓我熬夜的問(wèn)題4.1 讀出來(lái)全是 0xFF 或 0x00這是最常見(jiàn)的 SPI 通信問(wèn)題。第一次調(diào)的時(shí)候讀 MRAM 返回全是 0xFF我第一反應(yīng)是片選沒(méi)拉低或者時(shí)序不對(duì)。用邏輯分析儀抓波形發(fā)現(xiàn) SCK 有、MOSI 有數(shù)據(jù)但 MISO 一直是高。查了半天發(fā)現(xiàn)是 MRAM 的 SO 引腳和 PIC 的 SDI 接反了——我把 SO 接到了 PIC 的 SDO 上。SPI 的命名容易混主機(jī)的 SDO 接從機(jī)的 SI主機(jī)的 SDI 接從機(jī)的 SO記住輸出接輸入就不會(huì)錯(cuò)。還有一種情況是讀出來(lái)全是 0x00。這個(gè)通常是片選一直有效或者時(shí)鐘極性配錯(cuò)。如果 CPOL 配反了從機(jī)在錯(cuò)誤的邊沿采樣讀到的就是無(wú)效數(shù)據(jù)。這時(shí)候把 SSPSTAT 的 CKE 位翻轉(zhuǎn)一下試試往往就對(duì)了。4.2 寫(xiě)入后讀出來(lái)不對(duì)寫(xiě)入看似成功讀出來(lái)卻是舊數(shù)據(jù)或者亂碼這個(gè)問(wèn)題我遇到過(guò)兩次。第一次是寫(xiě)使能命令沒(méi)發(fā)對(duì)WREN 必須在每次寫(xiě)之前單獨(dú)發(fā)一次而且發(fā)完 WREN 后 CS 要先拉高再拉低才能發(fā) WRITE。我一開(kāi)始把 WREN 和 WRITE 放在同一個(gè) CS 有效周期里結(jié)果寫(xiě)不進(jìn)去。第二次是 WP 引腳懸空導(dǎo)致寫(xiě)保護(hù)隨機(jī)生效有時(shí)候能寫(xiě)有時(shí)候不能寫(xiě)。把 WP 拉到 VDD 后徹底解決。4.3 高速下偶發(fā)錯(cuò)誤8MHz 跑得好好的我試著提到 16MHz結(jié)果發(fā)現(xiàn)偶爾讀寫(xiě)出錯(cuò)概率大概千分之一。這種偶發(fā)問(wèn)題最頭疼。用示波器看波形發(fā)現(xiàn) SCK 上升沿有點(diǎn)過(guò)沖而且 MISO 的數(shù)據(jù)建立時(shí)間在高速下余量不足。解決辦法有兩個(gè)一是降低頻率回到 8MHz二是優(yōu)化 PCB 走線(xiàn)縮短 MISO 長(zhǎng)度并加匹配電阻。我選了前者因?yàn)楣I(yè)項(xiàng)目穩(wěn)定第一8MHz 完全夠用。4.4 常見(jiàn)問(wèn)題速查表現(xiàn)象可能原因排查方法解決讀全 0xFFMISO 未連接或接反查 SO-SDI 連線(xiàn)正確交叉連接讀全 0x00片選常有效或 CPOL 錯(cuò)抓 CS 和 SCK 波形修正片選邏輯或 SPI 模式寫(xiě)不進(jìn)WREN 時(shí)序錯(cuò)或 WP 懸空查寫(xiě)使能流程和 WP 電平分開(kāi) CS 周期WP 拉高偶發(fā)錯(cuò)誤頻率過(guò)高或干擾降頻測(cè)試看波形質(zhì)量降頻或優(yōu)化布局?jǐn)?shù)據(jù)錯(cuò)亂地址計(jì)算錯(cuò)核對(duì)地址字節(jié)順序統(tǒng)一大端或小端掉電丟數(shù)據(jù)保存時(shí)機(jī)太晚測(cè)掉電到保存的時(shí)間加電壓檢測(cè)提前保存5. 性能實(shí)測(cè)與優(yōu)化建議5.1 讀寫(xiě)速度實(shí)測(cè)在 8MHz SPI 時(shí)鐘下我實(shí)測(cè)了單字節(jié)讀寫(xiě)和連續(xù)讀寫(xiě)的速度。單字節(jié)寫(xiě)含 WREN大概 5 微秒單字節(jié)讀大概 3 微秒。連續(xù)讀的時(shí)候效率高很多因?yàn)榈刂分话l(fā)一次后面可以連續(xù)讀實(shí)測(cè)連續(xù)讀 1KB 數(shù)據(jù)大概 1.1 毫秒算下來(lái)接近 1MB/s 的吞吐。對(duì)于采集頻率幾百赫茲的應(yīng)用這個(gè)速度綽綽有余。如果你需要更快可以試試這幾個(gè)方向提高 SPI 時(shí)鐘到 16MHz 甚至 20MHz前提是布局過(guò)關(guān)用 DMA 搬運(yùn)數(shù)據(jù)不過(guò) PIC18F4525 沒(méi)有 DMA得換更高端的型號(hào)減少 WREN 的開(kāi)銷(xiāo)連續(xù)寫(xiě)多個(gè)字節(jié)時(shí) WREN 只需發(fā)一次。5.2 功耗考量MRAM 的功耗比 Flash 略高但比 SRAM 加備份電池的方案低得多。待機(jī)電流大概幾百微安讀寫(xiě)時(shí)幾毫安。對(duì)于電池供電的設(shè)備可以在不讀寫(xiě)的時(shí)候把 CS 拉高M(jìn)RAM 會(huì)自動(dòng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)。如果對(duì)功耗要求極致還可以考慮給 MRAM 單獨(dú)供電不用的時(shí)候切斷電源——反正數(shù)據(jù)不丟。5.3 長(zhǎng)期可靠性驗(yàn)證工業(yè)項(xiàng)目最看重長(zhǎng)期可靠性。我做了幾個(gè)測(cè)試連續(xù)寫(xiě)入 100 萬(wàn)次后讀取校驗(yàn)數(shù)據(jù)完全正確高溫 85℃ 下連續(xù)運(yùn)行 72 小時(shí)讀寫(xiě)正常反復(fù)上下電 1000 次配置數(shù)據(jù)無(wú)丟失。這些測(cè)試雖然不能完全代表現(xiàn)場(chǎng)情況但至少說(shuō)明這套方案在常規(guī)工業(yè)環(huán)境下是可靠的。心得MRAM 雖然壽命標(biāo)稱(chēng) 10^14 次但實(shí)際項(xiàng)目中沒(méi)必要去挑戰(zhàn)極限。合理的數(shù)據(jù)管理策略比如環(huán)形緩沖、批量寫(xiě)入比單純依賴(lài)器件壽命更靠譜。6. 這套方案還能怎么擴(kuò)展如果你已經(jīng)跑通了 MR25H40CDF 加 PIC18F4525 的基本讀寫(xiě)可以考慮幾個(gè)擴(kuò)展方向。一是加文件系統(tǒng)把 MRAM 當(dāng)成一個(gè)小磁盤(pán)用 FatFs 之類(lèi)的輕量文件系統(tǒng)管理這樣上位機(jī)可以直接按文件讀取數(shù)據(jù)不用自己解析裸數(shù)據(jù)。二是加無(wú)線(xiàn)模塊把采集數(shù)據(jù)通過(guò) LoRa 或者 4G 傳出去MRAM 作為本地緩存網(wǎng)絡(luò)斷了也不丟數(shù)據(jù)。三是多片 MRAM 級(jí)聯(lián)用不同片選掛在同一條 SPI 總線(xiàn)上容量翻倍適合數(shù)據(jù)量更大的場(chǎng)景。我個(gè)人在實(shí)際操作中的體會(huì)是MRAM 這類(lèi)器件的價(jià)值不在于它有多快多大而在于它把頻繁寫(xiě)、斷電不丟、長(zhǎng)壽命這三件事同時(shí)做到了這在以前是要用 SRAM 加電池或者鐵電存儲(chǔ)器才能實(shí)現(xiàn)的而 MRAM 在成本和可靠性上更有優(yōu)勢(shì)。選型的時(shí)候別只盯著價(jià)格算一算整個(gè)生命周期的維護(hù)成本和數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)往往就明白貴的那點(diǎn)錢(qián)花得值。 MRAM與PIC18F4525工業(yè)數(shù)據(jù)采集方案：SPI驅(qū)動(dòng)、掉電保護(hù)與調(diào)試實(shí)戰(zhàn)
1. 項(xiàng)目緣起與方案選型為什么是 MRAM 加 PIC18F45251.1 一個(gè)真實(shí)的需求場(chǎng)景前陣子接了個(gè)工業(yè)數(shù)據(jù)采集終端的活需求說(shuō)起來(lái)不復(fù)雜設(shè)備裝在配電柜里每隔幾百毫秒采集一次電流、溫度、開(kāi)關(guān)狀態(tài)本地要能存最近若干條記錄斷電不能丟上電后主控要能立刻把數(shù)據(jù)讀出來(lái)做趨勢(shì)判斷。現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較惡劣夏天柜內(nèi)溫度能到七十多度冬天戶(hù)外柜可能零下二三十度還有電機(jī)啟停帶來(lái)的電源波動(dòng)和電磁干擾。一開(kāi)始我按慣性想用 EEPROM比如 24C 系列便宜、熟悉、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單。但仔細(xì)一算就發(fā)現(xiàn)問(wèn)題了采集頻率高如果每條都寫(xiě) EEPROM按 100 萬(wàn)次擦寫(xiě)壽命算一天寫(xiě)幾萬(wàn)次幾個(gè)月就把壽命耗光了。換成 SPI Flash 呢容量大、便宜但 Flash 有個(gè)繞不開(kāi)的毛病——寫(xiě)之前必須先擦除整個(gè)扇區(qū)而且擦寫(xiě)壽命也就十萬(wàn)次量級(jí)頻繁小數(shù)據(jù)寫(xiě)入同樣扛不住更麻煩的是掉電瞬間如果正在擦寫(xiě)整個(gè)扇區(qū)數(shù)據(jù)可能就廢了。這時(shí)候 MRAM 就進(jìn)入了視野。MR25H40CDF 是 Everspin 出的 4Mbit 磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器SPI 接口最關(guān)鍵的特性是寫(xiě)入不需要擦除、字節(jié)級(jí)可寫(xiě)、擦寫(xiě)壽命幾乎無(wú)限官方標(biāo)稱(chēng) 10^14 次以上、掉電數(shù)據(jù)不丟、讀寫(xiě)速度接近 SRAM。這幾點(diǎn)幾乎完美命中工業(yè)場(chǎng)景的痛點(diǎn)。主控這邊選 PIC18F4525理由也很實(shí)在8 位機(jī)里外設(shè)夠用、SPI 模塊成熟、工業(yè)溫度范圍版本好買(mǎi)、開(kāi)發(fā)工具鏈穩(wěn)定而且這個(gè)項(xiàng)目對(duì)算力要求不高用 32 位屬于殺雞用牛刀成本還上去了。所以這套組合的核心邏輯就是用 MRAM 解決頻繁寫(xiě)、斷電不丟、壽命長(zhǎng)的存儲(chǔ)難題用 PIC18F4525 解決穩(wěn)定采集、可靠通信、成本可控的控制難題。下面我把整個(gè)設(shè)計(jì)、調(diào)試、踩坑的過(guò)程完整拆一遍如果你也在做類(lèi)似的數(shù)據(jù)記錄、參數(shù)存儲(chǔ)、掉電保護(hù)類(lèi)項(xiàng)目這套思路可以直接參考。1.2 MR25H40CDF 到底強(qiáng)在哪先把這顆芯片的關(guān)鍵參數(shù)擺出來(lái)方便你判斷是否適合自己的項(xiàng)目。參數(shù)項(xiàng)數(shù)值說(shuō)明容量4 Mbit512 KB按字節(jié)尋址夠存大量記錄接口SPI最高 40 MHz支持 Mode 0 和 Mode 3供電2.7V ~ 3.6V注意是 3.3V 器件不能直接 5V擦寫(xiě)壽命10^14 次以上基本可以認(rèn)為寫(xiě)不壞數(shù)據(jù)保持20 年以上斷電不丟無(wú)需備份電池寫(xiě)入方式字節(jié)/頁(yè)均可無(wú)需擦除這是和 Flash 最大的區(qū)別工作溫度-40℃ ~ 85℃工業(yè)級(jí)部分型號(hào)到 105℃封裝8 引腳 SOIC / DFN引腳少布線(xiàn)簡(jiǎn)單我第一次用 MRAM 的時(shí)候最直觀的感受就是像操作 SRAM 一樣操作它。傳統(tǒng) Flash 你要先發(fā)寫(xiě)使能、再發(fā)擦除命令、等擦除完成、再發(fā)寫(xiě)使能、再寫(xiě)數(shù)據(jù)、再等寫(xiě)完成一套流程下來(lái)幾十毫秒就沒(méi)了。MRAM 呢發(fā)個(gè)寫(xiě)命令把地址和數(shù)據(jù)懟進(jìn)去等幾微秒完事。這個(gè)差異在高速采集場(chǎng)景下是決定性的。1.3 PIC18F4525 的角色定位PIC18F4525 是 Microchip 的 8 位單片機(jī)44 引腳32KB Flash 程序空間3936 字節(jié) RAM自帶 MSSP 模塊可以配置成 SPI 主模式。選它主要看中幾點(diǎn)SPI 硬件模塊穩(wěn)定不用軟件模擬時(shí)序有足夠的 GPIO 做采集和指示工業(yè)級(jí)版本供貨穩(wěn)定用 MPLAB X XC8 編譯器開(kāi)發(fā)工具鏈成熟出問(wèn)題好查。這里要提醒一句PIC18F4525 的供電范圍是 2.0V ~ 5.5V但 MR25H40CDF 是 3.3V 器件所以整個(gè)系統(tǒng)要么統(tǒng)一跑 3.3V要么做電平轉(zhuǎn)換。我這次是統(tǒng)一 3.3V 供電省掉了電平轉(zhuǎn)換芯片布線(xiàn)也簡(jiǎn)單。如果你手上是 5V 系統(tǒng)SPI 的 MOSI、SCK、CS 這幾根線(xiàn)從 5V 主控打到 3.3V 從機(jī)必須加電平轉(zhuǎn)換或者至少串電阻分壓否則長(zhǎng)期跑會(huì)損傷 MRAM 的輸入級(jí)。2. 硬件設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)與 SPI 時(shí)序要點(diǎn)2.1 硬件連接與引腳分配MR25H40CDF 是 8 引腳封裝引腳定義很清晰CS片選、SO數(shù)據(jù)輸出即 MISO、SI數(shù)據(jù)輸入即 MOSI、SCK時(shí)鐘、VDD、VSS、WP寫(xiě)保護(hù)、HOLD保持。實(shí)際用的時(shí)候 WP 和 HOLD 如果不用直接拉到 VDD 即可但要注意這兩個(gè)引腳是低有效懸空會(huì)誤觸發(fā)。我這次給 PIC18F4525 的引腳分配是這樣的RC3 / SCKSPI 時(shí)鐘RC5 / SDO主出從入接 MRAM 的 SIRC4 / SDI主入從出接 MRAM 的 SORA5片選 CS用普通 GPIO 控制RA4寫(xiě)保護(hù) WP 控制可選調(diào)試時(shí)方便RB0狀態(tài)指示燈這里有個(gè)細(xì)節(jié)值得說(shuō)片選為什么用普通 GPIO 而不是硬件 SS 引腳。PIC18F4525 的 MSSP 模塊在 SPI 主模式下SS 引腳其實(shí)可以配置成普通 IO片選完全由軟件控制。這樣做的好處是靈活你可以在一條總線(xiàn)上掛多個(gè) SPI 從機(jī)用不同 GPIO 分別片選。工業(yè)項(xiàng)目里經(jīng)常要掛 MRAM、Flash、顯示屏好幾個(gè) SPI 設(shè)備軟件片選是標(biāo)配做法。硬件片選雖然省一個(gè) IO但多從機(jī)場(chǎng)景下反而麻煩。2.2 SPI 模式選擇與時(shí)序分析MR25H40CDF 支持 SPI Mode 0CPOL0, CPHA0和 Mode 3CPOL1, CPHA1。我選的是 Mode 0原因是 PIC 的 MSSP 模塊配置 Mode 0 最直接而且大多數(shù)調(diào)試工具默認(rèn)也是 Mode 0抓波形方便。Mode 0 的時(shí)序特征時(shí)鐘空閑時(shí)為低電平數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿采樣下降沿輸出。這意味著主控在 SCK 下降沿把數(shù)據(jù)放到 MOSI 上從機(jī)在上升沿讀取從機(jī)在下降沿把數(shù)據(jù)放到 MISO 上主控在上升沿讀取。理解這個(gè)時(shí)序?qū)ε挪橥ㄐ艈?wèn)題非常關(guān)鍵后面講排查的時(shí)候會(huì)用到。關(guān)于時(shí)鐘頻率MRAM 最高支持 40MHz但 PIC18F4525 在 3.3V 下跑 SPI 主模式實(shí)際能穩(wěn)定跑的頻率受限于系統(tǒng)時(shí)鐘和分頻系數(shù)。我系統(tǒng)時(shí)鐘用的是 32MHz外部晶振 8MHz 四倍頻SPI 分頻選 4得到 8MHz 的 SCK。實(shí)測(cè) 8MHz 下讀寫(xiě)都很穩(wěn)波形干凈。如果你追求更高速度可以試試分頻 2 得到 16MHz但要注意 PCB 走線(xiàn)質(zhì)量線(xiàn)長(zhǎng)了或者有干擾高速下容易出錯(cuò)。提示SPI 時(shí)鐘頻率不是越高越好。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)干擾大我一般會(huì)留足余量8MHz 夠用就不硬上 16MHz。穩(wěn)定性永遠(yuǎn)優(yōu)先于速度。2.3 PCB 布局的幾個(gè)經(jīng)驗(yàn)SPI 雖然是有同步時(shí)鐘的通信理論上比 UART、I2C 抗干擾強(qiáng)但在工業(yè)環(huán)境里布局不好照樣出問(wèn)題。我踩過(guò)的坑總結(jié)幾條第一SCK 走線(xiàn)盡量短且遠(yuǎn)離大電流回路。SCK 是時(shí)鐘線(xiàn)頻率高最容易輻射也最容易被干擾。我第一版板子把 SCK 和繼電器驅(qū)動(dòng)線(xiàn)并排走了幾厘米結(jié)果繼電器一動(dòng)作SPI 就讀寫(xiě)錯(cuò)誤。后來(lái)把 SCK 改短、加地線(xiàn)隔離問(wèn)題消失。第二CS 線(xiàn)要單獨(dú)走不要和 SCK 平行長(zhǎng)距離。CS 是控制信號(hào)如果和 SCK 耦合可能在時(shí)鐘跳變時(shí)誤觸發(fā)片選導(dǎo)致通信錯(cuò)亂。第三MRAM 的電源引腳旁邊必須放 0.1uF 去耦電容越近越好。MRAM 寫(xiě)入瞬間電流會(huì)有波動(dòng)去耦不好會(huì)導(dǎo)致寫(xiě)入失敗或者數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。我一般還會(huì)再并一個(gè) 1uF 的鉭電容做低頻濾波。第四WP 和 HOLD 不要懸空。這兩個(gè)引腳內(nèi)部沒(méi)有強(qiáng)上拉懸空時(shí)電平不確定可能導(dǎo)致寫(xiě)保護(hù)隨機(jī)生效或者器件進(jìn)入保持狀態(tài)。直接拉到 VDD 最省心。3. 軟件實(shí)現(xiàn)從底層驅(qū)動(dòng)到數(shù)據(jù)管理3.1 SPI 底層驅(qū)動(dòng)編寫(xiě)PIC18F4525 的 MSSP 模塊配置成 SPI 主模式核心寄存器就幾個(gè)SSPCON1、SSPSTAT、SSPADD主模式下不用。初始化代碼如下我用 XC8 編譯器寫(xiě)的void SPI_Init(void) { TRISC3 0; // SCK 輸出 TRISC5 0; // SDO 輸出 TRISC4 1; // SDI 輸入 TRISA5 0; // CS 輸出 CS 1; // 片選默認(rèn)拉高 SSPCON1 0x20; // SSPEN1, CKP0, SPI Master, Fosc/4 SSPSTAT 0x40; // CKE0, SMP0, Mode 0 } unsigned char SPI_Transfer(unsigned char data) { SSPBUF data; while(!SSPIF); // 等待傳輸完成 SSPIF 0; return SSPBUF; }這段代碼看著簡(jiǎn)單但有幾個(gè)點(diǎn)新手容易錯(cuò)。SSPSTAT的 CKE 和 SMP 位決定了 SPI 模式Mode 0 對(duì)應(yīng) CKE0、SMP0配錯(cuò)了時(shí)序就完全對(duì)不上。還有SSPIF標(biāo)志位發(fā)送完必須手動(dòng)清零否則下一次等待會(huì)直接跳過(guò)。我見(jiàn)過(guò)有人忘了清標(biāo)志結(jié)果讀回來(lái)的數(shù)據(jù)全是錯(cuò)的查了半天。3.2 MRAM 讀寫(xiě)命令解析MR25H40CDF 的命令集很精簡(jiǎn)常用的就幾條命令十六進(jìn)制功能WREN0x06寫(xiě)使能WRDI0x04寫(xiě)禁止RDSR0x05讀狀態(tài)寄存器WRSR0x01寫(xiě)狀態(tài)寄存器READ0x03讀數(shù)據(jù)WRITE0x02寫(xiě)數(shù)據(jù)讀操作的流程拉低 CS發(fā) 0x03發(fā) 24 位地址4Mbit 需要 19 位地址但按 24 位發(fā)高位補(bǔ)零然后連續(xù)讀數(shù)據(jù)讀完拉高 CS。寫(xiě)操作的流程拉低 CS發(fā) 0x06 寫(xiě)使能拉高 CS再拉低 CS發(fā) 0x02發(fā) 24 位地址發(fā)數(shù)據(jù)拉高 CS。這里有個(gè)和 Flash 不一樣的地方MRAM 的寫(xiě)使能是每次寫(xiě)之前都要發(fā)但不需要等待寫(xiě)完成。Flash 寫(xiě)完要輪詢(xún)狀態(tài)寄存器等 WIP 位清零MRAM 寫(xiě)完數(shù)據(jù)就進(jìn)去了最多等幾微秒。所以驅(qū)動(dòng)里不需要寫(xiě)輪詢(xún)邏輯簡(jiǎn)單很多。void MRAM_WriteByte(unsigned long addr, unsigned char data) { CS 0; SPI_Transfer(0x06); // WREN CS 1; CS 0; SPI_Transfer(0x02); // WRITE SPI_Transfer((addr 16) 0xFF); SPI_Transfer((addr 8) 0xFF); SPI_Transfer(addr 0xFF); SPI_Transfer(data); CS 1; } unsigned char MRAM_ReadByte(unsigned long addr) { unsigned char dat; CS 0; SPI_Transfer(0x03); // READ SPI_Transfer((addr 16) 0xFF); SPI_Transfer((addr 8) 0xFF); SPI_Transfer(addr 0xFF); dat SPI_Transfer(0x00); CS 1; return dat; }3.3 地址空間規(guī)劃與數(shù)據(jù)組織512KB 的空間看著大但如果不規(guī)劃好用起來(lái)一樣亂。我的做法是把空間分成幾個(gè)區(qū)0x00000 ~ 0x000FF系統(tǒng)配置區(qū)存設(shè)備參數(shù)、校準(zhǔn)系數(shù)、版本號(hào)0x00100 ~ 0x00FFF運(yùn)行日志區(qū)存關(guān)鍵事件記錄0x01000 ~ 0x7FFFF采集數(shù)據(jù)區(qū)環(huán)形緩沖區(qū)采集數(shù)據(jù)區(qū)用環(huán)形緩沖的方式管理維護(hù)一個(gè)寫(xiě)指針和一個(gè)讀指針。寫(xiě)指針每次寫(xiě)完一條記錄就往后移到末尾繞回開(kāi)頭。讀指針用于上位機(jī)來(lái)取數(shù)據(jù)時(shí)定位。這樣既不會(huì)寫(xiě)滿(mǎn)溢出又能保留最近的歷史數(shù)據(jù)。每條記錄我定義成 16 字節(jié)的結(jié)構(gòu)4 字節(jié)時(shí)間戳、4 字節(jié)電流值、4 字節(jié)溫度值、2 字節(jié)開(kāi)關(guān)狀態(tài)、2 字節(jié)校驗(yàn)。校驗(yàn)用簡(jiǎn)單的累加和雖然不如 CRC 強(qiáng)但對(duì)這種短記錄夠用計(jì)算也快。注意環(huán)形緩沖區(qū)的讀寫(xiě)指針本身也要存到 MRAM 里而且要定期更新。如果只在掉電時(shí)保存掉電瞬間可能來(lái)不及寫(xiě)。我的做法是每寫(xiě) 100 條記錄更新一次指針這樣即使掉電丟失最多 100 條對(duì)趨勢(shì)判斷影響不大。3.4 掉電保護(hù)與數(shù)據(jù)完整性工業(yè)項(xiàng)目最怕的就是掉電丟數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)錯(cuò)亂。MRAM 本身掉電不丟但主控在掉電瞬間可能正在寫(xiě)寫(xiě)到一半斷電這條記錄就不完整了。解決辦法是加一個(gè)記錄有效標(biāo)志每條記錄寫(xiě)完數(shù)據(jù)后最后寫(xiě)一個(gè)特定的標(biāo)志字節(jié)比如 0xA5。讀的時(shí)候先檢查標(biāo)志標(biāo)志不對(duì)就認(rèn)為這條記錄無(wú)效跳過(guò)。另外電源部分我加了一個(gè)大電容和電壓檢測(cè)電路。電壓檢測(cè)用 PIC 的 ADC 監(jiān)測(cè)供電當(dāng)電壓低于閾值時(shí)立即停止采集把當(dāng)前狀態(tài)和指針保存到 MRAM然后進(jìn)入低功耗等待。這樣能保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)不丟。實(shí)測(cè)從檢測(cè)到掉電到完成保存大概 2 毫秒電容容量選夠就行。4. 調(diào)試實(shí)錄那些讓我熬夜的問(wèn)題4.1 讀出來(lái)全是 0xFF 或 0x00這是最常見(jiàn)的 SPI 通信問(wèn)題。第一次調(diào)的時(shí)候讀 MRAM 返回全是 0xFF我第一反應(yīng)是片選沒(méi)拉低或者時(shí)序不對(duì)。用邏輯分析儀抓波形發(fā)現(xiàn) SCK 有、MOSI 有數(shù)據(jù)但 MISO 一直是高。查了半天發(fā)現(xiàn)是 MRAM 的 SO 引腳和 PIC 的 SDI 接反了——我把 SO 接到了 PIC 的 SDO 上。SPI 的命名容易混主機(jī)的 SDO 接從機(jī)的 SI主機(jī)的 SDI 接從機(jī)的 SO記住輸出接輸入就不會(huì)錯(cuò)。還有一種情況是讀出來(lái)全是 0x00。這個(gè)通常是片選一直有效或者時(shí)鐘極性配錯(cuò)。如果 CPOL 配反了從機(jī)在錯(cuò)誤的邊沿采樣讀到的就是無(wú)效數(shù)據(jù)。這時(shí)候把 SSPSTAT 的 CKE 位翻轉(zhuǎn)一下試試往往就對(duì)了。4.2 寫(xiě)入后讀出來(lái)不對(duì)寫(xiě)入看似成功讀出來(lái)卻是舊數(shù)據(jù)或者亂碼這個(gè)問(wèn)題我遇到過(guò)兩次。第一次是寫(xiě)使能命令沒(méi)發(fā)對(duì)WREN 必須在每次寫(xiě)之前單獨(dú)發(fā)一次而且發(fā)完 WREN 后 CS 要先拉高再拉低才能發(fā) WRITE。我一開(kāi)始把 WREN 和 WRITE 放在同一個(gè) CS 有效周期里結(jié)果寫(xiě)不進(jìn)去。第二次是 WP 引腳懸空導(dǎo)致寫(xiě)保護(hù)隨機(jī)生效有時(shí)候能寫(xiě)有時(shí)候不能寫(xiě)。把 WP 拉到 VDD 后徹底解決。4.3 高速下偶發(fā)錯(cuò)誤8MHz 跑得好好的我試著提到 16MHz結(jié)果發(fā)現(xiàn)偶爾讀寫(xiě)出錯(cuò)概率大概千分之一。這種偶發(fā)問(wèn)題最頭疼。用示波器看波形發(fā)現(xiàn) SCK 上升沿有點(diǎn)過(guò)沖而且 MISO 的數(shù)據(jù)建立時(shí)間在高速下余量不足。解決辦法有兩個(gè)一是降低頻率回到 8MHz二是優(yōu)化 PCB 走線(xiàn)縮短 MISO 長(zhǎng)度并加匹配電阻。我選了前者因?yàn)楣I(yè)項(xiàng)目穩(wěn)定第一8MHz 完全夠用。4.4 常見(jiàn)問(wèn)題速查表現(xiàn)象可能原因排查方法解決讀全 0xFFMISO 未連接或接反查 SO-SDI 連線(xiàn)正確交叉連接讀全 0x00片選常有效或 CPOL 錯(cuò)抓 CS 和 SCK 波形修正片選邏輯或 SPI 模式寫(xiě)不進(jìn)WREN 時(shí)序錯(cuò)或 WP 懸空查寫(xiě)使能流程和 WP 電平分開(kāi) CS 周期WP 拉高偶發(fā)錯(cuò)誤頻率過(guò)高或干擾降頻測(cè)試看波形質(zhì)量降頻或優(yōu)化布局?jǐn)?shù)據(jù)錯(cuò)亂地址計(jì)算錯(cuò)核對(duì)地址字節(jié)順序統(tǒng)一大端或小端掉電丟數(shù)據(jù)保存時(shí)機(jī)太晚測(cè)掉電到保存的時(shí)間加電壓檢測(cè)提前保存5. 性能實(shí)測(cè)與優(yōu)化建議5.1 讀寫(xiě)速度實(shí)測(cè)在 8MHz SPI 時(shí)鐘下我實(shí)測(cè)了單字節(jié)讀寫(xiě)和連續(xù)讀寫(xiě)的速度。單字節(jié)寫(xiě)含 WREN大概 5 微秒單字節(jié)讀大概 3 微秒。連續(xù)讀的時(shí)候效率高很多因?yàn)榈刂分话l(fā)一次后面可以連續(xù)讀實(shí)測(cè)連續(xù)讀 1KB 數(shù)據(jù)大概 1.1 毫秒算下來(lái)接近 1MB/s 的吞吐。對(duì)于采集頻率幾百赫茲的應(yīng)用這個(gè)速度綽綽有余。如果你需要更快可以試試這幾個(gè)方向提高 SPI 時(shí)鐘到 16MHz 甚至 20MHz前提是布局過(guò)關(guān)用 DMA 搬運(yùn)數(shù)據(jù)不過(guò) PIC18F4525 沒(méi)有 DMA得換更高端的型號(hào)減少 WREN 的開(kāi)銷(xiāo)連續(xù)寫(xiě)多個(gè)字節(jié)時(shí) WREN 只需發(fā)一次。5.2 功耗考量MRAM 的功耗比 Flash 略高但比 SRAM 加備份電池的方案低得多。待機(jī)電流大概幾百微安讀寫(xiě)時(shí)幾毫安。對(duì)于電池供電的設(shè)備可以在不讀寫(xiě)的時(shí)候把 CS 拉高M(jìn)RAM 會(huì)自動(dòng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)。如果對(duì)功耗要求極致還可以考慮給 MRAM 單獨(dú)供電不用的時(shí)候切斷電源——反正數(shù)據(jù)不丟。5.3 長(zhǎng)期可靠性驗(yàn)證工業(yè)項(xiàng)目最看重長(zhǎng)期可靠性。我做了幾個(gè)測(cè)試連續(xù)寫(xiě)入 100 萬(wàn)次后讀取校驗(yàn)數(shù)據(jù)完全正確高溫 85℃ 下連續(xù)運(yùn)行 72 小時(shí)讀寫(xiě)正常反復(fù)上下電 1000 次配置數(shù)據(jù)無(wú)丟失。這些測(cè)試雖然不能完全代表現(xiàn)場(chǎng)情況但至少說(shuō)明這套方案在常規(guī)工業(yè)環(huán)境下是可靠的。心得MRAM 雖然壽命標(biāo)稱(chēng) 10^14 次但實(shí)際項(xiàng)目中沒(méi)必要去挑戰(zhàn)極限。合理的數(shù)據(jù)管理策略比如環(huán)形緩沖、批量寫(xiě)入比單純依賴(lài)器件壽命更靠譜。6. 這套方案還能怎么擴(kuò)展如果你已經(jīng)跑通了 MR25H40CDF 加 PIC18F4525 的基本讀寫(xiě)可以考慮幾個(gè)擴(kuò)展方向。一是加文件系統(tǒng)把 MRAM 當(dāng)成一個(gè)小磁盤(pán)用 FatFs 之類(lèi)的輕量文件系統(tǒng)管理這樣上位機(jī)可以直接按文件讀取數(shù)據(jù)不用自己解析裸數(shù)據(jù)。二是加無(wú)線(xiàn)模塊把采集數(shù)據(jù)通過(guò) LoRa 或者 4G 傳出去MRAM 作為本地緩存網(wǎng)絡(luò)斷了也不丟數(shù)據(jù)。三是多片 MRAM 級(jí)聯(lián)用不同片選掛在同一條 SPI 總線(xiàn)上容量翻倍適合數(shù)據(jù)量更大的場(chǎng)景。我個(gè)人在實(shí)際操作中的體會(huì)是MRAM 這類(lèi)器件的價(jià)值不在于它有多快多大而在于它把頻繁寫(xiě)、斷電不丟、長(zhǎng)壽命這三件事同時(shí)做到了這在以前是要用 SRAM 加電池或者鐵電存儲(chǔ)器才能實(shí)現(xiàn)的而 MRAM 在成本和可靠性上更有優(yōu)勢(shì)。選型的時(shí)候別只盯著價(jià)格算一算整個(gè)生命周期的維護(hù)成本和數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)往往就明白貴的那點(diǎn)錢(qián)花得值。