在不斷追求系統(tǒng)更高性能的過(guò)程中,集成設(shè)備制造商(IDMS)已經(jīng)非常擅長(zhǎng)開發(fā)數(shù)字接口,能夠在充滿挑戰(zhàn)的電力環(huán)境中高速運(yùn)行。標(biāo)準(zhǔn)接口,如SPI和I2C,提供了一種相對(duì)簡(jiǎn)單的方式,以可靠和有效的方式連接來(lái)自不同供應(yīng)商的設(shè)備。其他類型的接口也是如此。

數(shù)字領(lǐng)域可以被認(rèn)為是為希望利用"標(biāo)準(zhǔn)"技術(shù)快速構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)者提供了一個(gè)安全的避難所。實(shí)際上,嵌入式產(chǎn)業(yè)在很大程度上依賴于基于標(biāo)準(zhǔn)的界面,因?yàn)樗鼈優(yōu)閯?chuàng)新提供了框架。當(dāng)它們不"僅僅起作用"時(shí),就會(huì)導(dǎo)致混淆,特別是如果錯(cuò)誤的原因被錯(cuò)誤解釋的話。任何混淆都是可以理解的,因?yàn)楫?dāng)按照規(guī)范應(yīng)用時(shí),接口的開發(fā)是安全和可靠的。事實(shí)上,底層的物理接口是固定的保護(hù)器件也將提供保證。

各種形式的系統(tǒng)噪音

對(duì)信號(hào)的任何扭曲都可以被解釋為噪音,可能有理由假定在通信環(huán)境中噪音最為明顯;所收到的信號(hào)不是所發(fā)出的信號(hào)。這種直接相關(guān)性是相對(duì)容易找到的,但在某些情況下,因果關(guān)系并不那么容易確定。當(dāng)斷層時(shí)斷時(shí)續(xù)時(shí),挑戰(zhàn)就更加復(fù)雜了。

今天的微控制器設(shè)計(jì)的目的是以最小的配置提供可靠的操作。在串行接口的情況下,這可能包括對(duì)I/O銷上的高驅(qū)動(dòng)電流的默認(rèn),以應(yīng)對(duì)長(zhǎng)電路板軌道或高電容負(fù)載的影響。在某些情況下,這會(huì)導(dǎo)致過(guò)度驅(qū)動(dòng)一個(gè)接口,而這反過(guò)來(lái)又會(huì)導(dǎo)致被解釋為錯(cuò)誤或錯(cuò)誤的派生效應(yīng)。

例如,串行閃存裝置提供了一些先進(jìn)的功能,可以確?？煽康牟僮?并允許對(duì)該裝置進(jìn)行審訊。這可以包括噪聲濾波器,先進(jìn)的自適應(yīng)編程,和擦除算法,以管理單元格邊緣.一些制造商還將ECC包括在存儲(chǔ)元件中,在每個(gè)寫入操作中保存額外元數(shù)據(jù),允許檢測(cè)和糾正單位或多位錯(cuò)誤,但當(dāng)噪音腐蝕通信接口總線上的基本消息事務(wù)時(shí),ECC修復(fù)將不會(huì)有幫助。

SPI接口上的噪音可能被誤解為額外的時(shí)鐘脈沖。由于SPI是一個(gè)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的接口,它會(huì)產(chǎn)生一些影響,比如命令被忽略、數(shù)據(jù)被錯(cuò)誤解釋、命令被使用錯(cuò)誤等等。然而,噪音也攜帶能量,在某些情況下,這種能量本身就會(huì)在設(shè)備的操作中造成錯(cuò)誤。

充電泵和超射

在大多數(shù)情況下,一些信號(hào)的過(guò)高或過(guò)低可以被數(shù)字接口所容忍。然而,不應(yīng)忘記,曲線下的能量仍然存在,在某些電路中,這可能是破壞性的。

這方面的一個(gè)例子是串行閃存中的電荷泵電路。如果SPI總線信號(hào)含有明顯的噪聲,則該信號(hào)中的能量有可能傳播到電荷泵并擾亂其運(yùn)行。

閃存中的電荷泵是一個(gè)關(guān)鍵功能,因?yàn)樗峁┝烁淖兇鎯?chǔ)單元的偏置所需的能量,并且有效地存儲(chǔ)了一個(gè)邏輯1或0。寫入/刪除過(guò)程是閃存操作中的一個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻,在此期間對(duì)充電泵的任何干擾都可能導(dǎo)致寫入或刪除錯(cuò)誤,雖然這些錯(cuò)誤可能被發(fā)現(xiàn),但它們可能不明顯。

這種錯(cuò)誤很容易被解釋為閃存設(shè)備中的故障。閃存具有有限數(shù)量的讀寫周期由制造商保證,這一事實(shí)被嵌入式設(shè)計(jì)師很好地理解,但也許沒有很好地理解,提供一個(gè)沒有太多過(guò)高或過(guò)低過(guò)高的干凈接口的重要性。

影響噪聲水平的因素有多種,如操作頻率、信號(hào)幅值、單片機(jī)驅(qū)動(dòng)水平、噪聲峰所含能量。PCB的設(shè)計(jì)和信號(hào)之間的交叉對(duì)話也可能是一個(gè)因素。

這種噪聲的結(jié)果是設(shè)備操作錯(cuò)誤,顯示為串行閃存存儲(chǔ)值中的錯(cuò)誤。最初,錯(cuò)誤的真正影響被忽略了,因?yàn)樵谳^少頻率的基礎(chǔ)上對(duì)狀態(tài)登記冊(cè)進(jìn)行輪詢報(bào)告的錯(cuò)誤較少,導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員對(duì)失敗的根本原因做出錯(cuò)誤的假設(shè)。

找出真正的根源

雖然這個(gè)故障看起來(lái)像是內(nèi)存故障,但根本原因并不在閃存設(shè)備上。這是阿多斯特工程師通過(guò)探測(cè)SPI信號(hào)和識(shí)別系統(tǒng)噪聲發(fā)現(xiàn)的。雖然噪音部分可以歸因于單片機(jī)和閃存之間的電路板軌道上的阻抗不匹配,但這并不是全部的故事。

噪音的來(lái)源實(shí)際上是單片機(jī)接口,它默認(rèn)為高驅(qū)動(dòng)水平的電源。過(guò)度的驅(qū)動(dòng)力足以導(dǎo)致過(guò)高和過(guò)低的SPI線,在一些情況下,這可能被錯(cuò)誤地解釋為信號(hào)轉(zhuǎn)換,導(dǎo)致讀寫錯(cuò)誤。然而,在這個(gè)例子中,發(fā)現(xiàn)過(guò)遠(yuǎn)射具有足夠的能量來(lái)擾亂閃存泵,從而導(dǎo)致錯(cuò)誤。

在客戶的設(shè)計(jì)中,正在使用的單片機(jī)為其I/O提供了可配置的驅(qū)動(dòng)電流,該電流在啟動(dòng)時(shí)默認(rèn)值很高。由于應(yīng)用程序代碼在初始化過(guò)程中沒有修改這個(gè)級(jí)別,所以在正常操作中仍然很高。

對(duì)于SPI總線上的其他設(shè)備來(lái)說(shuō),這種影響可能并不明顯,因?yàn)閿?shù)字接口通常設(shè)計(jì)得很安全。閃存的敏感性,需要在更高的頻率上工作,特別是充電泵的工作,使得閃存容易受到過(guò)高/過(guò)高的影響。這導(dǎo)致錯(cuò)誤的操作,最初被錯(cuò)誤地解釋為一個(gè)故障的閃存設(shè)備。

糾正錯(cuò)誤

降低通過(guò)固件的驅(qū)動(dòng)電流,將超射和下射降低到有效的零,反過(guò)來(lái)導(dǎo)致閃存的無(wú)錯(cuò)誤操作。

故障的性質(zhì)表明,閃光設(shè)備正在盡一切努力補(bǔ)償錯(cuò)誤的影響,這是系統(tǒng)對(duì)SPI接口的過(guò)度噪聲。

也許這里最重要的一點(diǎn)是,原因?qū)嶋H上是所使用的單片機(jī)的設(shè)計(jì)特性,它默認(rèn)了一種在大多數(shù)情況下完全可以接受的操作模式。高驅(qū)動(dòng)輸出和不完全的印刷電路板電感的結(jié)合造成了間歇性失效的情況。減少了單片機(jī)上的驅(qū)動(dòng)輸出,通過(guò)簡(jiǎn)單的固件更換,解決了問題。

這突出了這里的真正教訓(xùn):可能出現(xiàn)的真正組件故障實(shí)際上可能是設(shè)計(jì)中的疏忽。更換存儲(chǔ)器設(shè)備本來(lái)是對(duì)最初被認(rèn)為是故障的自然反應(yīng),但通過(guò)客戶與供應(yīng)商以及硬件和軟件工程團(tuán)隊(duì)之間的強(qiáng)有力的工作關(guān)系,找到了實(shí)際原因并應(yīng)用了正確的解決辦法。其結(jié)果是設(shè)計(jì)明顯改進(jìn),系統(tǒng)性能提高,可靠性提高.

結(jié)論

如果沒有明顯的影響,系統(tǒng)噪音很容易消除.在最佳情況下,間歇性錯(cuò)誤特別難以確定,但當(dāng)錯(cuò)誤被錯(cuò)誤解釋時(shí),挑戰(zhàn)就更加困難。

過(guò)高可能是系統(tǒng)噪聲中最不明顯的一種形式,但正如這里所解釋的,它的影響可能是顯著的。閃存是一種可靠的技術(shù),但它依賴于精心設(shè)計(jì)的接口。串行接口上的過(guò)高噪聲有可能傳播到電荷泵電路上,影響編程的運(yùn)行,消除電路。這導(dǎo)致了不可預(yù)見的特性,很容易被解釋為設(shè)備本身的故障,顯示為內(nèi)存單元故障,以及不一致或不可靠的編程和刪除操作。

在這種情況下,替換閃存并假設(shè)問題已經(jīng)解決,可能導(dǎo)致產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng),在某一時(shí)刻可能會(huì)失敗。相反,設(shè)計(jì)者能夠通過(guò)一個(gè)重要的因素改進(jìn)編程和消除一致性,在檢測(cè)到超過(guò)250萬(wàn)個(gè)周期的錯(cuò)誤之前,有效的耐力從一個(gè)不可接受的~20k周期跳到?jīng)]有錯(cuò)誤和不需要補(bǔ)充錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正例程。

現(xiàn)代微控制器提供的可配置水平可以被看作是一個(gè)幫助和障礙;在這個(gè)例子中,驅(qū)動(dòng)器電流是可配置的事實(shí)可能是導(dǎo)致過(guò)度的原因。然而,能夠降低驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度也是有效的解決問題。