RISC-V 开发板 Buck电源调试记录（项目连载3）

基于RISCV单片机的鸿蒙开发板

Buck电源部分调试记录

1. 起因

这个开发板前期demo板的焊接，我这边焊接了两块电路板，主要是方便对比调试。前期的焊接都还比较顺利。各个模块（包括电源，LED灯，温湿度检测以及单片机最小系统等）测试都可以正常工作。

等到两个开发板都焊接到红外模块的时候，两个板子同时出现了问题，程序再也烧录不进去了。没有开发板可以进行程序调试，问题就严重了。

图1: 红色部分为红外探头

出现这个事情的原因，很有可能是因为红外这个模块是射频模块，功率比较大或者有射频干扰，导致电路板上其他模块的工作出现异常。

只所以能够得到这个结论，是基于以下两个判断：①两个板子同时出现焊接问题的可能性很小，②红外模块本身原理图出现问题很小，我司其他类型的开发板已经验证过这个电路模块的可行性。

关于对红外模块的干扰处理，我们后面会有专文进行剖析，本文只做简要介绍。

出现这个问题之后，我们首先想到的就应该是把红外模块的外围电路去除，看看程序的烧录工作还能不能正常进行。

图2 红框中的电路即为红外模块的外围电路

可是拆除这些模块之后，烧录工作并不能正常进行了，两块手动焊接的开发都是这么一个情况。开发板中肯定有其他模块因为红外模块的焊接出现了损坏，那么到底是哪个模块出现了问题呢？整个开发板，那么多元器件，怎么才能够快速的锁定问题，是一件棘手的事情。

1. 解决问题的思路及注意事项

现在的情况是不知道哪个模块出现问题了，只能是进行地毯式的搜查。排查问题的顺序，最好是先从电源部分入手，依次往后看。先看看各个芯片工作的电压是不是正常。如果电压正常，那么就有可能是芯片本身已经被损坏了，就需要把芯片更换掉，再进行测试。如果电压不正常，那么就是电源坏掉了。

不断重复这个过程（以芯片的工作电压为抓手），最终锁定出问题的地方。

在这个过程中，芯片会被拆掉，重新焊接，对调试人员焊接元器件的能力是有比较高的要求的。这个要求主要有以下几点：①焊接过程本身对焊盘是用损伤的，多次的焊接很容易把焊盘搞掉。一旦焊盘被搞掉了，可能整个板子就会被废掉，前期所有的工作都白费了。所以烙铁头一定不能剐蹭焊盘。另外同时烙铁头的温度也不能太高，否则粘稠的锡也可能把焊盘带掉。②拆除和焊接芯片的工程中，很容易把芯片的外围器件移动掉，导致外围器件也需要重新焊接，使开发板调试是速度变慢。

2. 解决问题的过程

我们首先测量Buck电源能不能够正常工作，结果发现3V3的buck输出电压是3.5V。输出电压和实际的设计值之间差别巨大。

我们使用的Buck芯片是SY8077，这一款工作频率高达1.5Mhz的Buck芯片，电路工作时典型的拓扑结构如下图：

图3 SY8077芯片工作原理图

电路正常工作是FB引脚的反馈电压是0.6V，如下图所示。

图4 SY8077 FB接口引脚电压

但是实际测量时候，FB引脚的电压是0.65V。这就很奇怪了，是Buck芯片出问题了，还是Buck电路的外围芯片出问题了？

我们可以做出如下假设：

①芯片本身被损坏了，导致输出电压不正常，并且FB引脚电压也不正常。

②反馈电阻坏掉了，导致FB引脚的电压输出不正常。

但是更换一个新的SY8077 Buck芯片之后，输出依然是3.5V。同时替换下了新的反馈电阻，FB引脚的电压依然是0.65V，Buck电路依然没有能够正常工作。难道SY8077更换上去后，只要上电立即就坏掉了？至少到目前是有这个可能的。

那这是哪里出问题了呢？问题一下子又复杂化了。

这个Buck电路的输出电压不正常，那输出电流是什么样子呢？我们可以查看一下输出电流的波形，进一步确定buck电路的工作状态。

图3  Buck电路电流测试电路

图4 电流探头

我们把这个电感竖起来，用一根白色的线延长电感的线路。这样把电流探头套到这根线上，就可以查看流过电感的电流波形，从而确定这个电感是工作在什么状态，是断续模式、临界连续模式还是连续模式状态？

可是把电流探头套到这根线上之后，实测电流波形如下：

图5 输出电流及电压波形

图中蓝色部分的波形是输出电流的波形，可以看到电流在上电之后，出现了一个波动，然后电流就归于0了。也就是说，5V转3.3V的这个buck电路并没有电流输出。

Buck电流的输出电压不正常，而且输出电流为0；同时SY8077这个芯片以及外围电路已经更换过，应该也是没有问题。那么影响这个buck电路不能正常工作的因素只能是负载了，3V3这个输出电压的负载如果有短路的话，是不是会导致SY8077出现这样的情况呢？如果是负载的原因，那是哪个负载呢？

确实一下很难猜出是哪个负载导致的，这个时候有两个办法一个是一个个拆解，看看拆掉哪个负载后，buck电路可以正常工作了；另外一个办法是，先把所有的负载拆掉，然后一个一个往电路上添加，如果添加到某一个负载时，buck电路不能工作了，那说明就是这个负载出了问题。

我们上面还留有了一个疑问，是不是新换的buck芯片SY8077上电之后就坏掉了？我们需要首先验证一下buck电路是不是可以正常工作。要验证这个buck电路是不是可以正常工作，只有先把所有的负载先拆除掉，只留一个阻性负载或者选择电子负载用作测试。

结合上面的因素，我们选择先把所有3V3的负载先全部拆掉。拆掉之后，重新查看电感的电流波形，发现电流是有输出的。而且随着电子负载的加重，电感的工作模式实现了从断续模式到连续模式的转变。这个测试结果说明SY8077这个芯片并没有损坏，同时SY8077这个芯片在自我保护的时候，其输出电流是0，FB脚的电压是0.65V。具体为什么会是这么一个机制，SY8077的datasheet并没有说清楚。

后面就是不断把3.3V的负载（各个芯片，比如温湿度传感器SH20、电平转换芯片、电平逻辑芯片等等，只要供电电压是3.3V的，都算是3V3电源电压的负载）往电路板上添加。添加的过程一定要注意，最好是使用风枪吹，这样对周边焊接元器件的影响是最小的，可以加快调试板子的速度。

等到添加FT4222HQ这个SPI转Flash的时候，发现Buck电路电流又变成0了，也就是说Buck电路不能正常工作了。经过漫长的分析与调试，终于找到被损坏的芯片了！！！

更换上新的FT4222HQ之后，Buck电源的输出就正常了，自然程序的烧录也就正常了。

RISC-V开发板SPI通信模块调试1(项目连载4)

我们这块开发板使用的是W25Q128FVSG这个Flash进行外部存储的，这个Flash和单片机之间的通信方式是SPI通信。Flash模块焊接完成之后，一直通信不成功，我们在这个地方的调试花费了非常长的时间。有不少经验值得总结分享。

还是先上实物图和原理图，给大家一个感性的认识。

图1  W25Q128FVSG连接电路

上图是SPI Flash实物接口电路，红框中的就是W25Q128FVSG芯片。黄框里面的是1.8V转3.3V双向电平转换芯片。为什么需要这个电平转换芯片呢，主要是因为我们单片机的IO接口输入输出是1.8V的电平，然而这个存储Flash的工作电压是3.3V。这个1.8V的芯片IO输出电压，在实际使用的单片机中是比较少见的，我们这款单片机某种程度上应该算是一种原型机，1.8V的电压是芯片内部的电压。

图2 SPI接口电路原理图

关于SPI接口电路图的原理部分，我们在这里就先不做详细介绍了，整体也比较简单，具体的接线方式，我们可以查看一下datasheet引脚的对接口的描述方式。然后按照datasheet的接线要求来接就可以了。

比如datasheet中，对WP引脚的描述，是这样的。

它说这个WP（Write Protect）是低有效的，也就是说这个引脚被拉低的时候，Flash存储芯片是没有办法写入数据的。我们自己的程序是需要往存储芯片写数据，那么这个引脚肯定是要被拉高的。

再比如这个Hold引脚，datasheet中的描述如下，显然这个也是低有效，也就是说Hold引脚被拉低的时候，DO这个引脚是高阻抗状态，也就是说无法进行数据传输了。我们自己的程序肯定是需要数据传输的，所以这个引脚是要被拉高的。

上面两个部分的举例，主要是为了说明我们画原理图的时候，如何根据datasheet引脚进行端口确认。不少时候，我们可以直接拿到别人的原理图，进行参考。不过我个人的看法还是自己详细读一下datasheet，再进行一下确认，一是防止被别人带进坑里去，另外一个也能够让自己在调试的时候更有信心。

我们的Flash读取程序是基于一个Linux内核SPI NOR框架，比如在linux5.2.0内核中，关于这个框架的说明在 “Documentation/mtd/spi-nor.txt”这个文档中。大家先对这个框架有所理解就行，等系列文章分享完成后，我这边会把所有的代码给大家共享。

在对FLASH存储模块存入、读取、擦除数据的操作实施之前，我们第一步是不是要先验证这个芯片是不是我们需要的芯片呀。那怎么验证呢？在程序中使用的办法，就是读取这个Flash的ID，看看芯片反馈回来的ID和datasheet说明的是不是一致。

在程序中，就是通过这一段代码来实现的。但是实际收取到的信息却是如下的，那说明读取不成功。

正确读取的时候，JEDEC id的结果应该是这样的。

那该怎么解决这个问题呢，SPI调试系列的第二篇文章，我会给大家详细的剖析一下调试过程。

RISC-V鸿蒙系统开发板SPI通信模块调试2（项目连载5）

上篇文章中，我们提到了使用读取SPI Flash ID这个程序段，来测试SPI的通信是不是成功。

目前程序运行的结果，是无法正确读取Flash 芯片的ID的。那问题出现在哪里呢？如何去分析这个问题，或者说去尝试解决这个问题呢？

在进行波形分析之前，我们首先要做的就是查看一下芯片有没有虚焊，还有选用的SPI Flash芯片是不是我们需要的。

经过仔细比对，确认我们购买的W25Q128芯片，就是睿思芯科公司提供的例程所使用的芯片。那么在芯片的选型上应该没有问题。

那芯片有没有虚焊呢？这里总共涉及到3块芯片，一个是我们的单片机，一个1.8V转3.3V的电平转换芯片，另外一个就是SPI Flash芯片。因为单片机引脚之间距离只有0.2mm，芯片重新焊接的难度太大。所以，我这边就重新把电平转换芯片和SPI Flash芯片吹下来，重新焊接了一次。确保电路的焊接是没有问题的。

芯片焊接的重新焊接的过程中，发生了一件非常可怕的事情，电平转化芯片TXB0104的焊盘被整体损坏掉了。如果不是有同事帮忙调试焊接，这块板子有可能就废掉了。

如果是个别焊盘损坏掉，还可以飞线进行操作，现在整排焊盘都掉了，该怎么办呢？

实际调试的过程中，对焊盘的修复，我们使用的办法是把损坏掉的焊盘附近的铜线上过油刮掉，使用裸露的铜线作为新“焊盘”进行焊接。然后，再使用非常细小的铜丝把芯片的引脚和板子上的铜线连接起来。如下所示，这个操作过程比较麻烦，需要有娴熟的焊接功底才行。

但是现在有一个重要的事情需要总结，为什么焊接的过程中，自己会把这个电平转换芯片的焊盘一整排全部搞掉？自己确实没有在给焊盘加锡的过程中，使用烙铁头去剐蹭焊接。最后的总结是，在给焊盘加锡的过程中，烙铁头的温度过高，同时由于烙铁头使用的时间太长了之后，氧化严重。上面两个因素导致了烙铁头上的锡非常粘稠，同时温度非常高。那么在加锡的过程中，很容易就会把焊盘带掉。而且因为是加锡的过程，会同时对很多焊盘进行操作，所以一掉就是一整排！！！

这块开发板，在实际焊接芯片引脚的过程中，我们设定的烙铁温度，高达450度，如下图所示。

我们为什么会使用到这么高温度的呢？主要是我们这个板子是四层板，TOP层和BOTTOM层之间的两层，进行了大量的敷铜。导致散热非常快。把烙铁头的温度调高，可以增加焊锡的流动性。如果按照平时300-350度左右的温度来焊板子，我们所熟悉的拖锡动作是没有办法实现的，锡一下子就凉掉了。

但是如果有芯片压在焊盘上，使用这么高的温度进行拖锡，并不会造成焊盘的脱落！

在这块，我们调试的经验就是，给电路板的焊盘进行加锡的过程中，一定不能把温度调节得太高，否则会造成一排焊盘脱落的人间悲剧！这种情况下，大概率，这块板子就废掉了。

上面也提到了，电平转换芯片TXB0104和SPI Flash重新焊接之后，SPI通信依然没有成功。那说明大概率并不是芯片虚焊的问题。那个单片机的引脚，我们目前只能假设它的焊接是完全成功的（太难焊了，拆下重焊成本太高）。那么接下来，只能是先对波形详细分析了。

首先，我们需要做的就是去查看CLK这个引脚的波形，看看CLK的波形输出是不是合理的。SPI，需要在一定的频率范围内才能正常工作。如果频率太高的话，MOSI和MISO这两个接口的波形，可能还没有达到芯片规定的“高”或者“低”，时钟沿就进行了下一次的跳变，这种情况下，很显然单片机和SPI Flash之间是无法进行通信的。

先给大家看一下，我这边第一次抓到的CLK引脚的波形。

大家看到这个波形的时候，是不是觉得有点奇怪。在这个波形中，猛一看CLK的频率信号只有60Hz左右。而实际上，我们的CLK的频率至少要是几Mhz呀。那这个频率是怎么回事呢？

后来分析得到结论，上面图中的高脉冲应该是程序的延时之间的间隔，也就是两个测试程序之间的时间间隔，或者是两次发送数据之间的间隔。真正的CLK波形，需要使用单片机的触发功能，去捕获相应的波形。所谓的触发功能，就是可以设定一个比较值，如果输出信号的波形大于了这个值，示波器就会显示出来这个信号的波形。这里有一个信号比较的过程存在。

通过示波器，捕获出来真正的CLK信号之后，它的波形是如下形状的。

大家看一下，这个波形的频率高达12Mhz。这个12Mhz是怎么来的呢，我们前面提到了这个单片机的时钟晶振是24Mhz，那么这个SPI的通信速率12Mhz应该是时钟信号24Mhz二分频之后得到的。现在，我们就有一个怀疑，SPI通信的失败是不是由于这么高频的通信速率导致的呢？

还有一个问题，大家有没有发现这个CLK的波形，它的最小值并没有到参考地。同时它的最大幅值，我们使用示波器测量之后，只有2.2V。可是SPI这边的工作电压是3.3V呀，而且我们的电平转换芯片输出的电压也是3.3V。那是不是这个CLK信号，本身就是有问题呀？或者说在这个电压幅值区间，Flash芯片能不能识别CLK信号呢？

我们这片文章，就先分析到这里。下一篇，我们继续SPI通信的调试。

RISC-V鸿蒙系统开发板SPI通信模块调试3（项目连载6）

大家好，我们继续SPI通信接口部分的调试分析。

上篇文章我们提到CLK的波形幅值最高处只有2.2V，远远没有达到3.3V这一芯片工作电压。同时CLK波形的底部也不是0V。我们因此怀疑RISC-V单片机发出的CLK波形，存储芯片有可能分辨不出来。应该说这个怀疑是合理的。如果大家想从最基础的原理上去辨别出来这个波形的正确性，需要仔细去研读单片机和Flash存储芯片的datasheet。因为我们这块板子是参考睿思芯科一块老的开发板来进行设计的，在他们原有的开发板上这个Flash存储芯片是可以正常读取的。那么我们可以先测试一下原有板子这个引脚处的CLK波形是什么样子的，对比一下就知道，CLK的这个波形是不是正确的。

下图是我们实际测试到的他们原有开发板上CLK引脚处的波形，大家可以看一下这个波形。这个波形的幅值和频率和我们现有开发板上的波形是一致的，那换句话说我们这个我们板子上的CLK信号也是可以让存储芯片正常工作的。

既然CLK波形是没有问题，那为什么还收不到数据呢？那我们看一下MOSI和MISO的波形，看一看到底是哪里出问题了。如果单片机这一侧能够发送控制信号到W25Q128这一侧，按理说应该是MOSI这条回路是没有问题的。如果MISO这条回路，在单片机侧能够收到波形，那说明MISO这条信号传输回路没有问题；某种意义上它还可以说明，存储芯片W25Q128FVSG收到单片机指令之后，进行了响应。

大家看一下这个波形，这个是MOSI回路在W25Q128这一侧测到的波形。这个至少可以说明了刚才我们提到的结论：单片机成功给W23Q128发送了信号。

大家看一下这个波形，这个是MISO回路在芯片这一侧的波形。如果使用示波器的捕获功能，同时使用两个通道来捕获波形，一个是MISO，一个是CLK，那么截取的波形就是下面这个样子。

同样地，这个图片也说明了一个结论，那就是W25Q128确实收到了单片机发出的指令，并且进行了响应，只是波形不对。那问题出在哪了呢？大家看一下MISO的波形，这个信号也出现了“高”没有“高”上去，有些地方“低”却没有“低”下来的情况。波形看起来比较奇怪，看不出来，这个到底是什么数据。

问题卡在这里了，那到底是哪里出错了呢？

首先引起怀疑的就是时钟信号的频率有点太高了，以至于MISO这根线上相应的器件响应速度根本反应不过来，或者是发生了震荡，所以才导致了这种高不高、低不低的情况发生。

解决这个问题的办法，一般是在发送引脚和接收引脚之间串联一个电阻，用以防止震荡的发生，但是因为我们这个电路已经画好了，已经没有办法再增加电阻。目前能够尝试的办法就是降低信号发送的频率了。降低信号的频率之后，震荡自然也就不会发生了。

调试的方向明确了，我们要从软件上把通信时钟的频率降低下来，这里要做三处更改。因为SPI接口读取Flash的程序是使用Linux kernel里面的框架来写的，改动起来相对来说比较复杂。

主要修改的地方有三处，我们在这里耽误了不少时间，主要的原因是这个kernel框架比较复杂。SPI1_CLK_DIV_DWH是一个宏，我们可以通过更改这个宏的值，来改变系统时钟分频的系数。

不过，比较悲催地是，频率降低以后，MISO的波形依然是不对的，还是这种不高不低的样子。那就奇怪了，这到底是什么原因引起的呢？实在是有点难以理解呀。信号传输的电路都是通的，而且都有波形出来，只是波形不对，难道是存储芯片坏了？不应该呀。实在是不应该出现这样的错误。

那读取W25Q128 ID的波形具体应该是什么样子的呢？根据W25Q128这个芯片的datasheet，读取它的ID时，MISO返回的数据应该是这样的。

调试到这个时候，实在是已经没有可怀疑的了。只能是怀疑睿思芯科提供的参考原理图是错误的（芯片刚刚出来，资料不齐全，这个也是可以理解的），经过仔细的引脚比对，果不其然，他们提供的原理图接口顺序是不对的。我的天！在这里，来来回回调试了一周的时间，最后的结果竟然是原理图错了！！！虽然都是用的这四个引脚，但是接线顺序是不对的，唯一正确的就是CLK！！！

把接线顺序调整后，实测MISO的波形，如下。

高位在前，低位在后，大家是不是可以判断出这个波形表示的数据是（EFh）呀。

读取ID的指令只要能够发送成功，那么其他指令自然也是可以发送成功的。程序模块中对Flash芯片的数据擦除、写入也就成功了。

现在需要总结的一个问题是，为什么刚一开始的时候，我没有怀疑到它的原理图可能是错误的呢？我总结一下，可能有两个原因。第一是，芯片本身的资料是不全的，引脚核对工作不是那么方便；第二是，他们提供了一个参考的板子，这个板子上的SPI Flash芯片是可以正常读取的，这个现象在一定程度上，打消了我对他们接线图的怀疑。这个事情告诉我们，对于不成熟的东西，一定要仔细根据最可靠的文档来核对自己的电路是不是正确。因为不成熟，大家都比较容易犯错，以至于以讹传讹。

希望我分享的相关调试经验，能够给大家带来一些帮助。

RISC-V鸿蒙系统开发板源模块原理简介（项目连载6）

电源是开发板能量的来源，一个稳定可靠的电源系统是开发板能够正常工作的先决条件。我们这个开发板电源系统相对来说比较复杂，主要是因为这个开发板上出现的电压种类比较多，而且个别器件对电压的精确度有非常高的要求。

关于各个模块对电压的要求，我这边做一个简要的说明。

首先开发板电源的输入是12V的DC输入；第二，像红外、FT4222HQ、数码管等器件，需要5V的工作电压；第三，W25Q128FVSG存储、温湿度传感器等器件，需要的工作电压是3V3；第四，单片机IO输出的电平是1.8V；第五，这个芯片引脚内部有不少接口的工作电压是0V8；第六，对于芯片的锁相环，需要输入的电压是0V9。从0V8和0V9这两个电压幅值就可以看出来，这个板子对电源电压幅值的精确度是比较高的。

下图是我们开发板上的电源模块，可以直观地看出这个开发板的电源模块还是相对复杂的。

下面我分别介绍一下各个电源模块的设计要点。

首先是12V的电源输入模块。

这个模块电路的设计要点，是D1这个二极管。这个二极管主要的作用其实是防止电源反接。当然这个二极管上的压降是越小越好。这个蓝色的LED主要是提供了人机交互的功能，当它发光的时候，可以提醒你已经上电了，你下面所有的操作都是带电操作。

上图是一个12V转5V的buck电路，输出是5V的直流电源。这个buck电路使用的是SY8113这款芯片实现的，关于这个片子详细的信息大家可以下载下来看一看。这个电路设计的要点，一个是电感的选择，一个是布局。电感的选择尽量是让电感工作在连续模式，电路布局的时候高频大电流的回路尽可能短，越短越好。这样干扰会越来越小，输出的电源也会更加平稳。这里高频电路有两个，一个是从电感到电容，然后再回到芯片内部地的大电流回路，绿色的那条；另外一个是那条红色的回路，输出电压的反馈回路，这条是信号回路。在电路布局的时候，两个电路按理说都是高频的，都应该最短。但是他们毕竟有冲突，芯片周边的空间就只有那么大，这个时候，我们只能优先考虑大电流的。

上图是5V转3V3的buck电路，主要的关注点和上面提到的差不多。只是这里我们把Buck芯片换成了SY8077。另外一个需要注意的是，电压反馈电阻的选择。SY8077 FB引脚上的电压0.6V，如何选择R29和R30是要注意的，在满足电压配比的前提下，尽量选择常用的电阻。还有一个要注意的是，这里的电阻要选择1%精度的。

3V3转1V8的电源，我们使用的是一个线性电源，使用的芯片是RT9065GE。这个地方不涉及到高频信号，布局上相对来说也相对简单，这里就不多说了。为什么这个地方，会使用线性电源，而不是BUCK电源呢，主要还是3V3到1V8的之间的压差比较小，相对来说功率损耗比较低。

上面两个电路是3V3产生0V8和0V9的电路，两个电路本质上没有太大区别，分压电路的选择上不太一样。其实这里不使用Buck电路也是可以的，毕竟单片机的功耗不是太大。相对难点还是分压电阻的选择这块，如何能够使用常用的电阻进行准确的电压配比。

关于开发板电源的简介，我们就先到这里。