[嵌入式]超低功耗MCU--Apollo 3 Blue 硬件开发之BLE断联故障分析与解决（晶振波形畸变与矫正，谐振电容匹配）

前言

最近开发Apollo 3 Blue MCU（业界超低功耗MCU）硬件设备，用了近3周时间一个解决了BLE断联的故障。
Apollo 3 Blue MCU配置

Features
Ultra-low supply current:

• 6 μA/MHz executing from FLASH or RAM at 3.3 V
• 1 μA deep sleep mode (BLE in shutdown) with RTC at 3.3 V
  High-performance ARM Cortex-M4 Processor:
• 48 MHz nominal clock frequency, with 96 MHz high performance TurboSPOT? Mode
• Floating point unit
• Memory protection unit
• Wake-up interrupt controller with 32 interrupts
  Integrated Bluetooth1 5 low-energy module:
• RF sensitivity: -93 dBm (typical)
• TX: 3 mA @ 0 dBm, RX: 3 mA
• TX peak output power: 4.0 dBm (max)
  Ultra-low power memory:
• Up to 1 MB of flash memory for code/data
• Up to 384 KB of low latency/leakage SRAM for code/data
• 16 KB 2-way Associative/Direct-Mapped Cache
  Ultra-low power interface for on- and off-chip sensors:
• 14 bit ADC at up to 1.2 MS/s, 15 selectable input channels
• Voltage Comparator
• Temperature sensor with +/- 3oC accuracy after calibration
  ISO7816 Secure interface
  Flexible serial peripherals:
• 1x 2/4/8-bit SPI master interface (MSPI)
• 6x I
  2C/SPI masters for peripheral communication
• I
  2C/SPI slave for host communications
• 2x UART modules with 32-location TX and RX FIFOs
• PDM for mono and stereo audio microphone
• 1x I2S slave for PDM audio pass-through
  Rich set of clock sources:
• 32.768 kHz XTAL oscillator
• Low frequency RC oscillator – 1.024 kHz
• High frequency RC oscillator – 48/96 MHz
• RTC based on Ambiq’s AM08X5/18X5 families
  Wide operating range: 1.755-3.63 V, –40 to 85°C
  Compact packages:
• 5 x 5 mm (<0.5mm thick pkg) 81-pin BGA with 50 GPIO
• 3.37 x 3.25 mm (<0.35mm thk pkg) 66-pin WLCSP with 37
  GPIO
• 3.37 x 3.25 mm (<0.30mm thk pkg) 66-pin WLCSP with 37
  GPIO (Apollo3 Blue Thin MCU)

故障描述

设备在开机之后连接上蓝牙后 数据传输5-6s之内就断联了，之后蓝牙ID也搜索不到，设备上的一橙绿双色LED 在固件设置下 橙灯闪烁 最后常亮，指示出现故障。

故障排除

查了Apollo3 EVB的BOM发现有几个是与原元件差别很大的

选了推荐的电感元件之后次日安装调试

效果有改善 但是运行1h30min之后还是出现故障

之后怀疑是晶振问题 （硬件设计上32K晶振附近的电容差别很大）

探索的过程如下：

*去掉32M和32k晶振的15pF电容（EVB上电容为NC）

之后测量32M和32K波形：

32M

32K

设备橙灯常亮时32K波形：

看起来与正常运行时相差不大

对比另一台相同原理图设备的32K晶振波形图片

*显示故障设备32K的波形存在畸变（猜测主要原因是谐振电容不匹配）

查阅相关资料 猜测如果晶振波形畸变之后可能导致内部时基电路分频不准

进而CPU工作异常

后搜索 晶振 波形畸变→晶振电容匹配及晶振电路设计注意事项

附：晶振电路设计注意事项

1. 当晶振输出波形出现削峰或畸变时,可增加负载电阻调整(几十K到几百K)；若要稳定波形，则可尝试并联一个1M左右的反馈电阻。

2. 使晶振、外部电容器（如果有）与 IC之间的信号线尽可能保持最短。当非常低的电流通过IC晶振振荡器时，如果线路太长，会使它对 EMC、ESD 与串扰产生非常敏感的影响，而且长线路还会给振荡器增加寄生电容。

尝试添加1M电阻

*效果不明显（测不出来）

查看周围电路后分析：

图中1路径的线长大于2路径 可能会导致晶振两端的谐振电容不匹配

路径长的一段电容值大，（谐振电容值很小 pF量级）

因此在尝试在较短的路径上增加电容容量

到这里实验时 设备已经可以正常运行12h以上 没有出现BLE Crash现象了

之后为了方便组装换成47pF 波形表现

换成47pF

看起来波形曲线更加接近正弦曲线

问题应该是得到了解决

但是问题是如何导致的？以及以后如何进行预防等才是更加重要的部分

首先回归问题本身

波形畸变→蓝牙出现运行问题（连接之后运行不正常）

添加适当的谐振电容

波形近似拟合正弦→ 设备运行正常 蓝牙正常

那么 问题转换成：

为什么波形畸变可以导致蓝牙断联消失 设备运行故障？

可以从晶振辅助MCU工作的原理上查找

百度百科：晶体振荡器工作原理

晶振具有压电效应。

即在晶片两极外加电压后晶体会产生变形，反过来如外力使晶片变形，则两极上金属片又会产生电压。

如果给晶片加上适当的交变电压，晶片就会产生谐振

（谐振频率与石英斜面倾角等有关系，且频率一定）。

晶振利用一种能把电能和机械能相互转化的晶体，在共振的状态下工作可以提供稳定、精确的单频振荡。

在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。

利用该特性，晶振可以提供较稳定的脉冲，广泛应用于微芯片的时钟电路里。晶片多> 为石英半导体材料，外壳用金属封装。

晶振常与主板、南桥、声卡等电路连接使用。

晶振可比喻为各板卡的“心跳”发生器，如果主卡的“心跳”出现问题，必定会使其他各电路出现故障。

简单来说就是晶振可以给各种处理器一个时基信号

但是回看最早的畸变波形图，即便是有些畸变似乎也是可以提供时基信号的

那么，这个时基信号是如何提供给MCU这种典型的处理器呢？

博客园：单片机：晶振与MCU关系

通常一个单片机系统共用一个晶振，便于各部分保持同步,现在也有部分单片机有两个晶振。

有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，我们可以通过电子调整频率的方法保持同步。

单片机系统中晶振的主要作用就是为系统提供基本的时钟信号，晶振通常与 ++锁相环电路++ 配合使用，来提供系统所需的时钟频率。

如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。

所以说，单片机中没有了晶振，也就没有时钟周期，没有时钟周期，就无法执行程序代码，单片机就无法工作，程序也就无法烧入。

因为单片机工作时，是一条一条地从RoM中取指令，然后逐步执行。我们把单片机访问一次存储器的时间称之为一个机器周期，这是一个时间基准。

从上文的描述中大致知道了MCU与晶振工作的基本原理

中间的联系指向：锁相环电路

CSDN： PLL(锁相环)电路原理

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简单来说就是，数字信号中各种信号的相位可能会不同（主要是方波） 12Mhz 80Mhz

不仅是不同频率的相位不同 相同频率的相位也有可能不同，那么就需要一种电路将相位对准

锁相环就是做这个的（类似交流电并网输电也是用的这个原理，将正弦相位对准）

还是没解释波形畸变为什么会导致运行故障

但是好像数量级有点不对：

Apollo官网

32K的晶振如何可以产生96Mhz的频率呢？

首先是晶振出来的正弦波，转换成方波 方波经过锁相环变为高频方波

CSDN：时钟分频原理 - 时钟分频原理详解

等等，正弦波是如何变为方波的呢？

过零比较器

假如此时波形畸变

此时产生的方波占空比就远小于50%，有可能影响后续倍频电路工作

因此在后续开发时要注意晶振出来的信号是否近似接近正弦曲线

至此问题应该是找到原因和出错机理了。