做工業(yè)數(shù)據(jù)采集類產(chǎn)品最怕的就是現(xiàn)場(chǎng)突然斷電。早幾年我做一臺(tái)故障錄波終端用SPI Nor Flash記錄波形測(cè)試時(shí)連續(xù)拔插電源間隔只有幾十毫秒結(jié)果Flash里整塊整塊的數(shù)據(jù)損壞有些扇區(qū)連讀出都是0xFF。后來換上了MR25H40CDF這顆4Mbit磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器MRAM配合PIC18F86J16單片機(jī)才算把這個(gè)問題徹底根治。今天這篇文章就圍繞這兩顆芯片完整講清楚在工業(yè)和嵌入式應(yīng)用里怎么選型、怎么接線、怎么寫驅(qū)動(dòng)以及存儲(chǔ)可靠性上那些容易被忽視的實(shí)戰(zhàn)細(xì)節(jié)。打算做數(shù)據(jù)記錄、掉電保存、參數(shù)頻繁更新的開發(fā)者應(yīng)該能從這里直接拿到一套可落地的方案。MRAM這個(gè)名詞聽起來偏門其實(shí)它已經(jīng)把SRAM的速度、DRAM的密度和Flash的非易失性合到了一起。MR25H40CDF屬于Everspin的第二代SPI MRAM容量4Mbit工作電壓2.7到3.6VSPI時(shí)鐘最高能到40MHz寫入壽命大于10的14次方次數(shù)據(jù)保存20年以上。這些數(shù)字放在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)基本上是為“頻繁寫入掉電不丟”這個(gè)剛需量身定做的。而PIC18F86J16作為Microchip的8位增強(qiáng)型單片機(jī)有64KB程序Flash、約4KB SRAM、1KB Data EEPROM還包括兩個(gè)MSSP外設(shè)、多個(gè)定時(shí)器、比較器和BOR做中低端工業(yè)控制板非常順。兩者通過標(biāo)準(zhǔn)SPI總線連在一起讀寫的可靠性和開發(fā)復(fù)雜度遠(yuǎn)比想象中友好。1. 選型思路為什么是MRAM而不是Flash和EEPROM1.1 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)非易失存儲(chǔ)的三個(gè)硬約束第一個(gè)硬約束是寫入次數(shù)。工業(yè)設(shè)備里的參數(shù)表、累計(jì)量、事件記錄往往每個(gè)運(yùn)行周期都在變。以一條產(chǎn)線為例設(shè)備每天運(yùn)行20小時(shí)每秒刷新一次累計(jì)量一天就是72000次寫入。普通EEPROM的擦寫壽命通常在100萬次量級(jí)換算下來不到兩周就把壽命額度耗盡。即便用SPI Nor Flash標(biāo)稱擦寫壽命一般也只有10萬次左右在這個(gè)場(chǎng)景下同樣撐不了多久。而MRAM的寫壽命達(dá)到10的14次方每秒寫1000次連續(xù)寫個(gè)幾年都沒有任何壓力基本不需要考慮磨損均衡。第二個(gè)硬約束是寫入速度。很多記錄類應(yīng)用要求在掉電瞬間把關(guān)鍵數(shù)據(jù)保存下來給處理留出的時(shí)間往往只有幾個(gè)毫秒。EEPROM單字節(jié)寫入要幾個(gè)毫秒Flash整頁編程也要毫秒級(jí)再把擦除時(shí)間算上掉電瞬間根本來不及。MRAM的寫入本質(zhì)是磁阻狀態(tài)翻轉(zhuǎn)沒有擦除概念SPI時(shí)鐘下每個(gè)字節(jié)僅僅需要一個(gè)時(shí)鐘周期10MHz下寫512字節(jié)數(shù)據(jù)耗時(shí)不到0.5毫秒。這個(gè)速度讓掉電保存從“想辦法湊時(shí)間”變成了“隨手就能寫”。第三個(gè)硬約束是環(huán)境干擾。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有電機(jī)、變頻器、接觸器電磁環(huán)境很惡劣。傳統(tǒng)Flash靠電荷存儲(chǔ)在浮置柵極里強(qiáng)烈的電磁干擾或長(zhǎng)期高溫可能導(dǎo)致電荷泄漏數(shù)據(jù)慢慢就“糊”了。MRAM利用磁性隧道結(jié)的磁電阻效應(yīng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)本質(zhì)上不依賴電荷抗輻射和抗電磁干擾能力比Flash強(qiáng)很多。這一點(diǎn)對(duì)電力監(jiān)控、軌道交通、醫(yī)療電子這類高可靠場(chǎng)景非常關(guān)鍵。1.2 MRAM與主流存儲(chǔ)介質(zhì)的橫向?qū)Ρ任以谶x型時(shí)把幾種常見非易失存儲(chǔ)介質(zhì)拉了個(gè)表直接對(duì)比核心參數(shù)參數(shù)MRAMSPI Nor FlashEEPROMFRAM擦寫壽命10^14次約10萬次約100萬次約10^12次寫入前擦除不需要需要不需要不需要單字節(jié)寫入支持按頁/扇區(qū)支持支持典型寫入速度50ns頁編程約1ms約3~10ms約100ns數(shù)據(jù)保持20年約10~20年約10年約10年抗輻射能力強(qiáng)一般一般強(qiáng)位密度成本偏高最低中等偏高單看成本MRAM確實(shí)不占優(yōu)勢(shì)1Mbit的MRAM價(jià)格通常是同容量NOR Flash的幾倍。但在整個(gè)系統(tǒng)里算總賬MRAM節(jié)省了Flash擦除算法、磨損均衡、壞塊管理和掉電補(bǔ)充電路的開發(fā)成本換來的是軟件極度簡(jiǎn)單和現(xiàn)場(chǎng)故障率大幅下降。對(duì)于批量不大、可靠性要求高的工業(yè)設(shè)備來說這個(gè)溢價(jià)完全值得。1.3 為什么MCU選PIC18F86J16單片機(jī)選擇PIC18F86J16主要看中三點(diǎn)。第一是資源平衡。它有64KB程序Flash、約3936字節(jié)SRAM和1KB Data EEPROM跑一個(gè)RTOS小系統(tǒng)或者裸機(jī)狀態(tài)機(jī)都?jí)蛴谩＝涌诜矫嬗?個(gè)MSSP硬件SPI可以直接同時(shí)掛MRAM和其他SPI器件不需要軟件模擬時(shí)序穩(wěn)定性高很多。還有5個(gè)定時(shí)器、2個(gè)EUSART、多路ADC和比較器一塊板子上的通信、采集、存儲(chǔ)基本都能包圓。第二是電氣特性。工作電壓范圍2.0到3.6V和MR25H40CDF的2.7到3.6V正好都在3.3V上供電設(shè)計(jì)不需要額外電平轉(zhuǎn)換。它的BOR欠壓復(fù)位模塊可以在電壓跌落時(shí)產(chǎn)生復(fù)位或中斷和MRAM的快速寫入特性配合能形成一套很實(shí)用的掉電保護(hù)機(jī)制。第三是封裝和溫度等級(jí)。PIC18F86J16常見TQFP-80封裝引腳數(shù)量充足GPIO分配靈活不會(huì)出現(xiàn)為了遷就引腳而被迫改PCB走線的問題。工業(yè)級(jí)版本支持-40到85℃和MR25H40CDF的工業(yè)溫度等級(jí)相匹配整板在高溫高濕環(huán)境下的可靠性有依據(jù)。2. 硬件連接與電路設(shè)計(jì)2.1 MR25H40CDF引腳與SPI接線MR25H40CDF的引腳不多核心就是SPI四線和三個(gè)控制腳。8引腳封裝引腳功能大致如下引腳功能說明1/CS片選低電平有效2SCLKSPI時(shí)鐘3SISPI數(shù)據(jù)輸入MCU發(fā)數(shù)據(jù)到MRAM4SOSPI數(shù)據(jù)輸出MRAM發(fā)數(shù)據(jù)到MCU5/WP寫保護(hù)低電平禁止寫入6/HOLD保持低電平暫停通信7VSS地8VCC電源2.7~3.6V我的板子上PIC18F86J16使用MSSP1作為SPI主機(jī)接線關(guān)系如下MR25H40CDF引腳連接到哪里/CSMCU的RB0普通GPIO控制SCLKMCU的RB1MSSP1時(shí)鐘SIMCU的RB2MSSP1 SDOSOMCU的RB3MSSP1 SDI/WP直接接VCC/HOLD直接接VCCVCC3.3V電源VSSGND這里有個(gè)細(xì)節(jié)要注意具體復(fù)用引腳以PIC18F86J16數(shù)據(jù)手冊(cè)的引腳功能表為準(zhǔn)不同封裝和不同外設(shè)映射會(huì)有差異。我上面寫的是我板子上的分配實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)務(wù)必對(duì)照手冊(cè)確認(rèn)RB1/RB2/RB3是不是MSSP1的SCLK/SDO/SDI。曾經(jīng)有人照抄別人的接線結(jié)果芯片型號(hào)批次不同引腳功能不一樣SPI信號(hào)根本沒到MRAM上白白折騰了兩天。2.2 電源去耦和上下拉MRAM是數(shù)字芯片但電源設(shè)計(jì)不能湊合。VCC引腳旁邊我放了0.1uF的陶瓷電容和10uF鉭電容各一個(gè)并且都盡量靠近芯片引腳放置。0.1uF負(fù)責(zé)濾除高頻噪聲10uF應(yīng)對(duì)瞬態(tài)電流波動(dòng)。如果板上還有其他數(shù)字電路建議把MRAM的電源走線從公共電源平面出來后單獨(dú)加一個(gè)磁珠防止高頻噪聲串進(jìn)來。/CS、SCLK、SI這幾個(gè)信號(hào)如果走線過長(zhǎng)建議在MCU側(cè)串33歐姆電阻改善信號(hào)振鈴。MRAM的SPI接口速度如果跑到20MHz以上PCB走線就要注意等長(zhǎng)和回流地別讓時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線繞得太遠(yuǎn)。工業(yè)環(huán)境里SPI信號(hào)線上并一個(gè)小電容到地比如10pF左右也能有效抑制高頻干擾但會(huì)影響邊沿速率需要和實(shí)際通信速率之間做平衡。2.3 上板前必查的三個(gè)細(xì)節(jié)第一個(gè)細(xì)節(jié)是/WP和/HOLD絕對(duì)不能浮空。浮空的/WP可能因?yàn)樵肼暠焕蚆RAM直接進(jìn)入寫保護(hù)狀態(tài)表現(xiàn)出來的現(xiàn)象就是“數(shù)據(jù)怎么都寫不進(jìn)去讀出來全是舊值”。浮空的/HOLD更危險(xiǎn)它會(huì)在SCLK低電平時(shí)被誤觸發(fā)導(dǎo)致SPI通信被暫停MCU發(fā)完命令后收不到任何回應(yīng)。我的做法是把這兩個(gè)引腳直接接VCC簡(jiǎn)單粗暴只要設(shè)計(jì)上不需要掉電保護(hù)整片存儲(chǔ)區(qū)就不去動(dòng)它們。第二個(gè)細(xì)節(jié)是CS的控制方式。MRAM的每個(gè)命令都是以CS上升沿作為結(jié)束點(diǎn)軟件里CS跳變的時(shí)機(jī)必須精確。如果用GPIO模擬CS驅(qū)動(dòng)代碼里不要做任何多余的操作比如在CS拉高和拉低之間插入無意義的延時(shí)否則可能踩到MRAM的時(shí)序邊界。直接看邏輯分析儀抓到的波形確認(rèn)CS保持低電平的時(shí)間包含了完整的命令字節(jié)和地址字節(jié)。第三個(gè)細(xì)節(jié)是VCC電壓監(jiān)測(cè)。MR25H40CDF的工作電壓下限是2.7V如果板子供電在電壓跌落時(shí)低于這個(gè)值寫入操作會(huì)落入不確定狀態(tài)。工業(yè)設(shè)計(jì)里建議用一個(gè)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)或比較器把3.3V電源送到PIC18F86J16的ADC引腳在掉電時(shí)為軟件提供一個(gè)中斷觸發(fā)源。后面第4部分會(huì)細(xì)講怎么配合這個(gè)電壓監(jiān)測(cè)做掉電保存。3. 軟件驅(qū)動(dòng)從SPI初始化到完整讀寫3.1 用XC8把MSSP1配置成SPI主機(jī)軟件部分我用Microchip XC8編譯器直接操作寄存器。PIC18F86J16的MSSP模塊配置SPI主機(jī)模式需要設(shè)置三個(gè)關(guān)鍵寄存器SSP1CON1、SSP1STAT和SSP1ADD。下面這段是最小初始化代碼#include xc.h // 根據(jù)實(shí)際引腳定義CS #define MRAM_CS LATBbits.LATB0 #define MRAM_CS_TRIS TRISBbits.TRISB0 void SPI1_Init(void) { // MSSP1引腳設(shè)為數(shù)字IO TRISBbits.TRISB1 0; // SCLK 輸出 TRISBbits.TRISB2 0; // SDO 輸出 TRISBbits.TRISB3 1; // SDI 輸入 MRAM_CS_TRIS 0; MRAM_CS 1; // 主模式SPI Mode 0Fosc/16 SSP1CON1 0b00100010; // CKP0: 空閑時(shí)鐘為低 // SSPEN1: 使能串行端口 // SSPM0010: SPI Master, Fosc/16 SSP1STAT 0b01000000; // SMP1: 數(shù)據(jù)在采樣階段中段采樣 // CKE1: 數(shù)據(jù)在SCLK上升沿采樣對(duì)應(yīng)Mode 0 SSP1ADD 0x00; // 僅在帶定時(shí)器的模式下使用這里置0 }這段配置里經(jīng)常有人搞混CKP和CKE。PIC的MSSP模塊里CKP決定SCLK空閑電平CKE決定數(shù)據(jù)采樣邊沿。要匹配MRAM支持的SPI Mode 0標(biāo)準(zhǔn)寫法是CKP0、CKE1如果要匹配SPI Mode 3則要CKP1、CKE0。很多人從網(wǎng)上抄配置抄來抄去發(fā)現(xiàn)讀出的數(shù)據(jù)順序錯(cuò)位或者全是亂碼多半就是這兩個(gè)位的組合和實(shí)際選用的模式對(duì)不上。作為驗(yàn)證手段建議在初始化之后人為拉低CS、發(fā)一個(gè)0x05讀狀態(tài)寄存器命令然后抓取SO線上的返回值。如果返回0x00說明SPI鏈路基本通了如果返回0xFF大概率是SDO/SDI接反或者M(jìn)OSI/MISO方向配置錯(cuò)誤。3.2 MRAM的指令集與讀寫時(shí)序MR25H40CDF的指令集和普通SPI Flash很像常見的指令如下指令操作碼功能WREN0x06寫使能必須先發(fā)才能寫WRDI0x04寫禁止RDSR0x05讀狀態(tài)寄存器WRSR0x01寫狀態(tài)寄存器READ0x03讀數(shù)據(jù)WRITE0x02寫數(shù)據(jù)SLEEP0xB9進(jìn)入睡眠模式WAKE0xAB喚醒WREN是所有寫操作的前置條件。它的時(shí)序只有一個(gè)要求拉低CS發(fā)送0x06然后拉高CS。這個(gè)CS上升沿會(huì)把寫使能鎖存置位。之后才能拉低CS發(fā)送真正的寫命令。不少人第一次調(diào)MRAM寫了WREN之后不拉高CS就直接發(fā)WRITE結(jié)果寫操作被拒絕原因就是寫使能鎖存沒有生效。這個(gè)和Flash的體驗(yàn)一模一樣習(xí)慣了就好。讀數(shù)據(jù)時(shí)序拉低CS發(fā)送0x03接著發(fā)送24位地址高位在前然后連續(xù)讀取若干個(gè)字節(jié)。整個(gè)過程中CS必須一直保持低電平讀完最后一個(gè)字節(jié)后拉高CS。MRAM支持連續(xù)讀不需要管頁邊界讀到哪里算哪里非常方便。寫數(shù)據(jù)時(shí)序先執(zhí)行WREN并拉高CS再拉低CS發(fā)送0x02發(fā)送24位地址緊接著發(fā)送要寫入的字節(jié)數(shù)據(jù)。所有字節(jié)發(fā)送完后拉高CS。關(guān)鍵點(diǎn)在于MRAM不需要寫前擦除也不需要頁編程等待最后一個(gè)字節(jié)的CS上升沿就是寫入完成的瞬間。沒有“忙等待”這個(gè)步驟驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜度比Flash低一大截。3.3 完整讀寫驅(qū)動(dòng)代碼下面是一套可以抄走的讀寫驅(qū)動(dòng)支持任意地址、任意長(zhǎng)度讀寫unsigned char SPI1_ExchangeByte(unsigned char data) { SSP1BUF data; while(!SSP1STATbits.BF); return SSP1BUF; } void MRAM_WriteEnable(void) { MRAM_CS 0; SPI1_ExchangeByte(0x06); MRAM_CS 1; } void MRAM_ReadBuffer(unsigned long addr, unsigned char *buf, unsigned int len) { MRAM_CS 0; SPI1_ExchangeByte(0x03); SPI1_ExchangeByte((unsigned char)(addr 16)); SPI1_ExchangeByte((unsigned char)(addr 8)); SPI1_ExchangeByte((unsigned char)(addr)); while(len--) { *buf SPI1_ExchangeByte(0x00); } MRAM_CS 1; } void MRAM_WriteBuffer(unsigned long addr, unsigned char *buf, unsigned int len) { MRAM_WriteEnable(); MRAM_CS 0; SPI1_ExchangeByte(0x02); SPI1_ExchangeByte((unsigned char)(addr 16)); SPI1_ExchangeByte((unsigned char)(addr 8)); SPI1_ExchangeByte((unsigned char)(addr)); while(len--) { SPI1_ExchangeByte(*buf); } MRAM_CS 1; }讀函數(shù)很好理解罷了CS之后先發(fā)0x03和地址然后把SO上的數(shù)據(jù)一個(gè)字節(jié)一個(gè)字節(jié)收回來。寫函數(shù)要注意MRAM地址是18位有效但24位地址域要求高位補(bǔ)零。如果addr范圍不超過512KBaddr的bit17以上必然為0。如果誤操作把這個(gè)值寫成非0MRAM會(huì)忽略這些高位還是觸發(fā)異常行為取決于具體批次穩(wěn)妥做法是在驅(qū)動(dòng)里做一次掩碼。寫完數(shù)據(jù)后如果對(duì)可靠性有執(zhí)念可以再補(bǔ)一個(gè)狀態(tài)寄存器讀取函數(shù)確認(rèn)WEL位被清0。WEL位是狀態(tài)寄存器的bit0寫操作完成后自動(dòng)歸0?？吹絎EL歸0就說明這一次寫循環(huán)完整結(jié)束了。不過由于MRAM沒有忙狀態(tài)正常流程下這個(gè)讀取不是必須的可以在調(diào)試階段用。3.4 實(shí)際存儲(chǔ)布局不用管擦除分區(qū)策略更自由512KB的存儲(chǔ)空間怎么規(guī)劃我一般分成四個(gè)區(qū)域每個(gè)區(qū)域職責(zé)明確。地址范圍用途說明0x00000~0x01FFF啟動(dòng)參數(shù)區(qū)設(shè)備編號(hào)、通信地址、校準(zhǔn)系數(shù)雙份備份0x02000~0x0FFFF運(yùn)行狀態(tài)區(qū)累計(jì)量、當(dāng)前參數(shù)、運(yùn)行時(shí)間0x10000~0x6FFFF日志/記錄區(qū)事件記錄、波形數(shù)據(jù)環(huán)形覆蓋0x70000~0x7FFFF出廠校準(zhǔn)區(qū)出廠標(biāo)定值生產(chǎn)測(cè)試時(shí)一次性寫入以前用Flash的時(shí)候日志區(qū)要規(guī)劃好扇區(qū)邊界寫滿一個(gè)扇區(qū)就得擦除整個(gè)扇區(qū)程序里到處是塊管理邏輯。換用MRAM后日志區(qū)可以做成線性環(huán)形緩沖寫指針在MRAM里保存寫到末尾就繞回開頭不需要任何擦除操作。這個(gè)體驗(yàn)上的差距只有真正從Flash遷移過來的人才懂。4. 工業(yè)應(yīng)用中的數(shù)據(jù)可靠性設(shè)計(jì)4.1 掉電保存電容撐時(shí)間MRAM快速把數(shù)據(jù)寫進(jìn)去工業(yè)設(shè)備掉電是家常便飯但掉電瞬間需要保存的數(shù)據(jù)量其實(shí)很少。以我做的故障錄波終端為例掉電時(shí)要保存的是一組最近狀態(tài)字、幾個(gè)累計(jì)量和一條事件記錄加起來200字節(jié)以內(nèi)。難點(diǎn)不在量而在時(shí)間窗口極短。我的方案是硬件上用一個(gè)大電容給系統(tǒng)爭(zhēng)取時(shí)間軟件上通過掉電檢測(cè)中斷觸發(fā)保存流程。電容容量計(jì)算其實(shí)很簡(jiǎn)單。系統(tǒng)在掉電后仍需要工作的電流假設(shè)是50mA允許電壓從3.3V跌到2.7V壓降0.6V想要撐住20ms需要的電容是C I × t / ΔV 0.05 × 0.02 / 0.6 ≈ 1667uF取一個(gè)2200uF的電解電容就夠了。實(shí)際電路中掉電檢測(cè)我直接用PIC18F86J16的BOR模塊或者用一個(gè)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)把3.3V電源送到ADC通道。檢測(cè)到電壓跌到預(yù)設(shè)閾值觸發(fā)高優(yōu)先級(jí)中斷中斷里立刻調(diào)用MRAM_WriteBuffer把200字節(jié)關(guān)鍵數(shù)據(jù)寫進(jìn)去。MRAM寫入200字節(jié)在10MHz SPI下大概是0.2毫秒加上中斷響應(yīng)和壓棧整體不到1毫秒。也就是說20ms的維持時(shí)間提供了接近20倍的余量非常安全。把關(guān)鍵數(shù)據(jù)保存完之后如果有額外時(shí)間我還會(huì)再把當(dāng)前MRAM寫地址和校驗(yàn)和保存一遍。這些數(shù)據(jù)本身就是寫到MRAM里的所以整個(gè)掉電保存過程在幾毫秒內(nèi)全部完成。換成Flash的話光擦除一個(gè)扇區(qū)就要幾十毫秒電容容量得撐到幾百毫秒級(jí)別成本和PCB面積都會(huì)嚇人。4.2 數(shù)據(jù)幀加CRC墊底可靠性MRAM本身不依賴電荷存儲(chǔ)抗翻轉(zhuǎn)能力比Flash強(qiáng)但工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的強(qiáng)電磁干擾依然可能在SPI傳輸過程中破壞數(shù)據(jù)鏈路。我的習(xí)慣是所有寫入MRAM的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)都帶幀頭和校驗(yàn)字節(jié)讀取的時(shí)候先驗(yàn)證再使用。一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的幀結(jié)構(gòu)如下typedef struct { unsigned char head[2]; // 固定為0xAA 0x55 unsigned char cmd; // 幀類型 unsigned char len; // 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 unsigned char data[64]; // 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù) unsigned char crc; // CRC8 } DATA_FRAME;CRC8用多項(xiàng)式0x07即可代碼短查表或位運(yùn)算都行。下面是一個(gè)極簡(jiǎn)逐位實(shí)現(xiàn)unsigned char CRC8_Calc(const unsigned char *buf, unsigned char len) { unsigned char crc 0; while(len--) { crc ^ *buf; for(unsigned char i 0; i 8; i) { if(crc 0x80) crc (crc 1) ^ 0x07; else crc 1; } } return crc; }寫入時(shí)先算好CRC填入幀尾讀取時(shí)重新計(jì)算并與幀尾比較。如果CRC不匹配先不要急著丟棄可以對(duì)備用區(qū)重復(fù)讀一次排除SPI總線上的瞬時(shí)毛刺。連續(xù)兩次CRC校驗(yàn)都失敗才判定該數(shù)據(jù)損壞。這種冗余策略在電機(jī)、變頻器附近的設(shè)備上非常管用。4.3 雙備份與環(huán)形日志區(qū)啟動(dòng)參數(shù)區(qū)我堅(jiān)持用雙份鏡像。一份在0x00000另一份在0x01000。每次更新參數(shù)時(shí)先寫備份區(qū)并加CRC確認(rèn)無誤后覆蓋主用區(qū)。讀取時(shí)優(yōu)先讀主用區(qū)CRC校驗(yàn)失敗就自動(dòng)切換到備份區(qū)。MRAM寫入不需要擦除所以雙份更新的時(shí)間開銷很小完全值得做。環(huán)形日志區(qū)也有講究。我把日志區(qū)設(shè)計(jì)成定長(zhǎng)記錄每條記錄頭部包含序號(hào)和時(shí)間戳。寫指針本身存放在MRAM的固定地址每次上電讀出來繼續(xù)寫。掉電時(shí)可能發(fā)生寫了一半的情況解決方法是每條記錄的最后一個(gè)字節(jié)固定為0x5A讀取時(shí)如果發(fā)現(xiàn)結(jié)尾不是0x5A判定該條記錄不完整并跳過。這樣即使掉電發(fā)生在日志寫入的中間也不會(huì)影響前面的歷史數(shù)據(jù)。4.4 狀態(tài)寄存器與寫保護(hù)引腳的正確姿勢(shì)MR25H40CDF的狀態(tài)寄存器里有一個(gè)WEL位bit0它是寫使能鎖存器。寫入命令之前必須先經(jīng)過WREN把WEL置1寫操作結(jié)束后WEL自動(dòng)清0。調(diào)試時(shí)可以讀狀態(tài)寄存器確認(rèn)鎖存器的狀態(tài)但正常流程不需要關(guān)心它。真正需要關(guān)心的是/WP引腳。如果/WP被拉低即使軟件里發(fā)了WREN狀態(tài)寄存器的寫入也會(huì)被禁止。不過要注意MRAM的/WP默認(rèn)只保護(hù)狀態(tài)寄存器不保護(hù)數(shù)據(jù)區(qū)。如果你希望某個(gè)區(qū)域變成只讀就必須把塊保護(hù)位寫進(jìn)狀態(tài)寄存器。工業(yè)場(chǎng)景下出廠校準(zhǔn)區(qū)和引導(dǎo)區(qū)建議用塊保護(hù)鎖定防止現(xiàn)場(chǎng)誤寫入。這一塊的具體位定義要嚴(yán)格對(duì)照數(shù)據(jù)手冊(cè)不同批次可能會(huì)有差異我用的板子上是BP0到BP3控制不同扇區(qū)范圍。還有一個(gè)容易忽略的點(diǎn)MRAM進(jìn)入SLEEP模式后讀數(shù)據(jù)會(huì)返回全1。如果芯片意外進(jìn)入睡眠代碼里可能會(huì)誤報(bào)“存儲(chǔ)數(shù)據(jù)全是0xFF”。處理方法是初始化時(shí)先發(fā)0xAB喚醒指令。哪怕上電默認(rèn)不處于睡眠態(tài)發(fā)一次喚醒也沒有副作用。5. 調(diào)試實(shí)錄與常見問題速查5.1 排查思路先抓CS時(shí)序再查SPI模式MRAM調(diào)試踩坑九成問題出在三個(gè)地方CS時(shí)序、SPI模式、寫使能。排查順序我建議固定下來。第一步用邏輯分析儀抓CS、SCLK、SI、SO四根線。發(fā)一條WREN指令看CS是否在0x06發(fā)送完成后立刻拉高。再發(fā)一條READ命令看CS拉低期間是否完整發(fā)送了0x03加三個(gè)字節(jié)地址。CS時(shí)序不對(duì)后續(xù)所有排查都白搭。第二步確認(rèn)SPI模式。MRAM支持模式0和模式3兩者共用相同指令集只是時(shí)鐘極性和采樣邊沿不同。用邏輯分析儀看SCLK空閑電平低電平且數(shù)據(jù)在上升沿鎖存就是模式0。如果SCLK空閑為高就要切換成模式3對(duì)應(yīng)PIC上的CKP1、CKE0。第三步確認(rèn)寫使能。如果讀出來的數(shù)據(jù)全是舊值或者全是0xFF先確認(rèn)寫操作指令序列里有沒有WRENCS高電平這一對(duì)組合。很多移植過來的代碼在原本的Flash驅(qū)動(dòng)里沒寫使能這步因?yàn)橛行〧lash自帶寫使能MRAM在這里就是缺一不可。5.2 四個(gè)真實(shí)案例案例一讀出固定0xFF。排查過程先量VCC發(fā)現(xiàn)只有2.5VMRAM在欠壓狀態(tài)下行為異常。換到3.3V正常。這個(gè)案例提醒我MRAM的低壓邊界是2.7V供電裕量不足時(shí)不該找軟件背鍋。案例二打印日志時(shí)數(shù)據(jù)偶發(fā)錯(cuò)位。抓邏輯分析儀發(fā)現(xiàn)SCLK波形上升沿非常緩原因是SCK線上并了100pF電容把邊沿拖慢了。SPI數(shù)據(jù)在上升沿采樣時(shí)正好采到了不穩(wěn)的電平。把電容去掉后問題消失。工業(yè)板上的濾波電容不是越小越好也不是越大越好得結(jié)合通信速率來配。案例三寫數(shù)據(jù)后馬上讀偶發(fā)出現(xiàn)舊數(shù)據(jù)。檢查發(fā)現(xiàn)是MCU的SPI時(shí)鐘分頻配置有誤實(shí)際SPI時(shí)鐘接近25MHz超過了MR25H40CDF在高溫下的實(shí)際可靠頻率。把分頻系數(shù)調(diào)整到10MHz后連續(xù)跑48小時(shí)再?zèng)]出過錯(cuò)。案例四掉電保存偶爾無效。查到掉電檢測(cè)中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)得太低在保存流程還沒跑完的時(shí)候被其他外設(shè)中斷打斷了。解決方法是保存流程里臨時(shí)代碼段進(jìn)入關(guān)中斷狀態(tài)保存完畢再恢復(fù)。MRAM寫入本身很快關(guān)中斷幾百微秒對(duì)系統(tǒng)影響可以忽略。5.3 常見問題速查表現(xiàn)象可能原因處理方法寫不進(jìn)去讀出來是舊值未發(fā)WREN寫數(shù)據(jù)前先WREN并拉高CS寫不進(jìn)去讀出來全0xFF/WP被拉低把/WP接VCC讀出來全0xFF芯片進(jìn)入SLEEP初始化發(fā)0xAB喚醒讀寫數(shù)據(jù)錯(cuò)位SPI Mode配置不對(duì)檢查CKP/CKE組合偶發(fā)讀錯(cuò)數(shù)據(jù)時(shí)鐘太快或信號(hào)邊沿差降低SPI分頻檢查串阻掉電保存數(shù)據(jù)丟失電容容量不夠按公式核算維持時(shí)間一個(gè)地址寫不進(jìn)其他地址正常塊保護(hù)BP位被設(shè)置檢查狀態(tài)寄存器高溫時(shí)讀寫異常接近溫度上限且時(shí)鐘過高降頻使用6. 寫在最后的經(jīng)驗(yàn)如果讓我重新做一遍這個(gè)項(xiàng)目硬件上我會(huì)把MRAM的SCLK和SDI之間預(yù)留兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)方便焊接邏輯分析儀探頭軟件上我會(huì)在一開始就把CRC校驗(yàn)和雙備份做進(jìn)去而不是等現(xiàn)場(chǎng)出了問題再補(bǔ)。調(diào)試MRAM的這幾天最深的體會(huì)是這種芯片省掉的不是成本而是心智負(fù)擔(dān)。不用考慮擦除、磨損、壞塊驅(qū)動(dòng)代碼寫到能跑就基本穩(wěn)定了。希望這篇文章能讓更多做工業(yè)嵌入式的人少走彎路直接享受到MRAM帶來的省心體驗(yàn)。