STM32F4シリーズを使ってみる12 - FatFsとSDカード再考その1 -

このぶろぐを始めてから今に至るまで「FatFsがうごきません><」という漠然としすぎて
すごく返答しづらい内容の質問をコンスタントに頂くのですがその9割が単なる配線ミス
でしたと言うオチだったのですが、残る1割にSTM32に潜んでいた未知のエラッタや
評価ボードの設計不備、および私の不備というクリチカルな問題が潜んでいたのが
分かっています。

STM32F4が世に出て早数年、いろんな情報やノウハウも出そろってきましたので
ここで基本に還ってF4中心にSTM32とSDカードを接続せしめる手法について今一度
考察していきたいと思います。まず予習としてChaN氏のFatFsMMCの解説のページ
は必ず目を通しておいてください。



●STM32F4との接続・ハードウエア編
STM32F4とSDカードを実用的に繋げるためにはSTM32F4の周辺機能であるSPI若しくは
SDIOを用いて接続可能です。SPIはデータ線が1bitのシリアルですがSDIOは4bit(8bitまで
可能だが8bitバスが利用できるカードは限られている)まで可能でSDIOの方が高速に
データをやり取り可能です。
その代りSDIOの場合はその機能を最大限に引き出すため使用するI/Oポートは固定化
されていてSDIOを使うときは重複する他の周辺機能は使用不可能になります。
一方でSPIは柔軟に割り当てが可能なためピン数がすくない品種で速度をそれほど
要しない場面でSDカードを使う際に重宝します。

おさらいですがSPIを使用するときはSD/MMCのSPI互換モード、SDIOを使用する
時はSD/MMCのネイティブモードとして接続します。当ぶろぐではSDIOを使用する
SD/MMCネイティブモードに特に焦点を当てていきます。


私のおきぱのSTM32F4向けのサンプルではSTM32F4Discovery,STM32F429IDiscovery
ではSPIを、その他のボードに関してはSDIOをそれぞれ使用するようにしております。

↑STM32F4Discoveryとの接続(SPI)

↑紅牛/ECH_BOARD改造基板との接続(SDIO 4bitmode)

SDIO,SPIのいずれの場合においてもSDカード/MMCの電源投入後の初期化時はオープン
コレクタで動作することが前提のため、CLKを除く全てのデータ線は必ず外付け抵抗でプルアップ
してください。プルアップ抵抗値についてはNxPさんのアプリケーションノートAN10911
極めて詳しい解説があります。私はそれらを吟味した上で10kohmよりちょっと上の
22kohmを常用しております。メーカ製評価ボードでは入手の容易なSDHCカードを想定
しているのか下限値の10kohmで吊っているのが非常に多かったです。また、今日びの
マイコンは内蔵プルアップを有する物が多いですがそれに絶対に頼ってはいけません。
面倒臭がらず必ず外付け抵抗を用いてプルアップしてください。

以前MCIを動作させるのに難儀していた中華LPC1788基板ですがEA互換のはずなのに
EA向けのFatFsのサンプルがそのままでは動かないもんで回路図をよく見たら…

SDIOの信号線にプルアップが無かったorzちゃんとつけましょう!
このブログ記事を書く際に久しぶりに動かしてようやく気づいたorz

CLKは基本宙ぶらりんです。リセット直後のI/Oの挙動が不安な場合は100kohm程度で
Loレベルに弱く固定すれば良いです。私が見た限りではEAのボードは「宙ぶらりん
(ダンピング抵抗有)」、ST系のボードも「宙ぶらりん」、中華系のは適当で他のI/Oと
一緒にまとめてCLKもプルアップしてたりそもそも基板の設計不良でCLK以外の必須
の信号線すらプルアップしてなかったりしますがCLKに関しては基本「宙ぶらりん」で
良いと思います。と言いたいところですが!!
STM32のSDIO_CLKは非常に高速なクロックが走り、パタンの引き回しによっては
信号の反射によって猛烈なリンギングを発生させるため信号の信頼性が著しく低下して
しまいます。よってSDIO_CLKの出力端のごくごく近くに純抵抗成分を配置して伝送経路の
インピーダンスのマッチングを図り信号の反射を抑える必要があります。
最適な抵抗値は回路構成や回路パタンの引き回しに大きく左右されるため0~47ohmを
目安にオシロとにらめっこしながら切った貼ったをして決めましょう。繰り返しますが
直列終端は信号源のすぐ近くに配置しないと後で述べるフェライトビードの配置と同じく
全く効果がないどころか最悪パワーアップさせてしまいますので基板設計の段階から考慮
しておくべきです。

20160110追:
直列抵抗入れてもダメならフェライトビーズも足してください。



プルアップの他に注意すべき点は3つあります。
1.ブレッドボードの使用は避ける
 ブレッドボードの使用は「SDカードが繋がらない」の諸悪の根源です。結線ミスが
 原因のトラブルでブレッドボードで実験していたという証言が非常に多かったです。
 ブレッドボードは確かに便利ですが、SDカードに限らず接触不良や接点抵抗の増大
 によるさまざまなトラブルのもとに繋がります。面倒でも半田付けを行う癖をつけ
 ましょう。とは言え何でもかんでも半田付けもだめです。丸端を圧着せず半田付け
 とかもってのほかです#

 
 同じ理由でSDカードソケットに接触圧が弱く金メッキの薄い中華製の安物を使うと
 接触不良につながります。注意しましょう。接触不良の問題は状態が変わりやすく
 不具合を特定しずらいので厄介です。

 ぇ?お前ブレッドボードより酷いやっけつな使い方してるじゃんですって!?
 わ…ゎたしは理解した上でやってるからいいんですよぅ!


2.結線はなるべく短く
 これもSDカードに限らず基本中の基本ですね。SDIOの場合はMAX52MHz、通常使い
 でも25MHzもの高速クロックが走ります。クロストークが起こらないような配線を
 考慮しなければなりません。
 
 
 とはいえ利便性も考えないといけません。私の場合はSTM32F4Discoveryで使う
 場合はトレードオフでカードコネクタに対してこんな配置にしております。
 配線長が10cmを超えてしまうとTCK=21MHzだと"あうち"です。なるべく太く短く
 目指しましょう。ちなみにパワーメッシュ基板を使うと配線もしやすくGNDも安定して
 いろいろ楽ができるのでオススメです。

3.電源
 電源は出来合いのボードを使う際の意外な落とし穴になります。SDカードの仕様と
 STM32F4で使用できる全てのSDカードのモードを考慮すると最大200mA必要とします。
 STM32F4Discoveryの3.3V(はショットキDi経由してるので3Vくらいに落ちる)から
 引っ張ってきても"何とか"動きますが高速で信号のやり取りをしていると特に書き
 込み動作の際に不安定になってきます。
 こんな場合は、フェライトビードを無暗に挟むよりもSDカード電源供給専用LDOを
 用意してあげると効果的です。このとき使うLDOはSDカードの高速アクセス時の大電流
 の吸い込み吐き出しに対応するためにセラミックコンデンサ対応の負荷の過渡応答
 性に優れたものを選んでください。
 STM32でSPI限定で使用する場合、仕様上最大で100mAあればよいので秋月さんの
 ラインナップでいうとXC6202P332PR-GTAR5SB33で十分です。勿論LDOの電圧
 供給源(ほとんどの場合はUSBの+5V)は評価ボートと同じ系統にしてください。

 
 ねむさいんは当然のごとく攻守ともに優れたLT1963Aです♥
 ↑秋月さんも私が指摘してた'A'付きにようやく気づいたようでMLCC対応と明記してます。

全然考を察していない内容になっちゃいましたが次回は既存のライブラリを駆使
してMMC/SDIOドライバを組んで実際に動かすソフト編をご紹介します。

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