CN102854916A

CN102854916A - 一种实现usb设备的时钟精确同步的方法

Info

Publication number: CN102854916A
Application number: CN2012103238807A
Authority: CN
Inventors: 陈伟
Original assignee: 朱小安
Current assignee: Dongguan Xincheng Electronic Science and Technology Co., Ltd.
Priority date: 2012-09-05
Filing date: 2012-09-05
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2032-09-05
Also published as: CN102854916B

Abstract

本发明公开了一种实现USB设备的时钟精确同步的方法，根据低速USB传输协议，数据传输的速率为1.5Mhz，主机每次发起一次数据传输前，都会给设备发送一个字节（80H）的时钟同步序列，取前6个bit作为特征序列，其时间为T，则T=6/1.5Mhz=4us，其中应包含6Mhz频率的周期数为4us/(1/6Mhz)=24，然后进行粗调和细调。本发明实现USB设备的时钟精确同步的方法具有电路规模小、功耗低、稳定性高、精确度高、减少电流消耗和空间辐射、实现简单、控制简单的优点。

Description

一种实现USB设备的时钟精确同步的方法

技术领域

本发明涉及USB设备，具体是指一种实现USB设备的时钟精确同步的方法。

背景技术

低速USB设备（传输速率为1.5Mhz）的应用越来越广，各个厂家的竞争越来越激烈；低成本的应用方案越来越得到厂家的青睐，省去晶振的低速USB协议芯片成了主流。

一般设备端采用6Mhz时钟采样USB主机发送过来的信号，USB协议定义了一组特征信号序列（由主机Host发送）用以同步设备（Device）的本地6Mhz时钟。USB协议本身存在一定的灵活性，精准可靠的USB时钟同步方案变得越来越重要，否则USB设备的兼容性会受到影响；高成本的实现方案又会使产品丧失竞争力。

为了实现时钟精确同步，现有的方法主要有：1、直接生成法：如图1所示，该办法通过修调物理电路直接产生6Mhz时钟，不需要其他的控制电路。但该种办法生成的频率容易受到温度和电压的影响，在较大的电压和温度变化范围内很难得到满足USB协议规定的频率稳定性。2、高速时钟采样法：如图2所示，该方法先产生一个本地高频时钟，再用高频时钟对USB总线上的特征信号序列进行采样，计算出特征信号序列所包含的高频时钟的周期数，来恢复6Mhz时钟。但该方法要求高频时钟需要达到数十倍以上的USB传输速率，而且恢复出来的6Mhz时钟的精度和占空比难以保证；另外高频时钟还会带来较大的电流消耗和空间辐射。3、ADC电压转换法：如图3所示，该方法先用USB总线上的特征信号序列对电容进行积分，再通过ADC把电压值量化并保存下来；然后将本地时钟对同一个电容进行积分并量化，并且将量化值和USB的量化值比较，来调整本地震荡达到6Mhz。但该办法本地时钟和USB信号不同时对同一个电容充电，消除了系统误差，可以达到较高的频率精度；但本方法所要求的电路较多，控制时序复杂，芯片面积较大，不利于产品低成本化。

发明内容

本发明需的目的是提供一种电路规模小、功耗低、稳定性高、精确度高、减少电流消耗和空间辐射、实现简单、控制简单的实现USB设备的时钟精确同步的方法。

本发明可以通过以下技术方案来实现：本发明设计了一种实现USB设备的时钟精确同步的方法，该方法包括如下步骤：

（1）根据低速USB传输协议，数据传输的速率为1.5Mhz，主机每次发起一次数据传输前，都会给设备发送一个字节（80H）的时钟同步序列，取前6个bit作为特征序列，其时间为T，则T=6/1.5Mhz=4us，其中应包含6Mhz频率的周期数为4us/(1/6Mhz)=24；

（2）粗调，用CLK给USB特征序列计数，根据计数的结果N来调整SelA的数值，如N>24，则SelA=SelA+1，说明CLK频率高于6Mhz，需要增加延时单元；如N=24，则SelA保持不变，说明CLK频率在6Mhz附近，粗调结束；若N<24，则SelA=SelA-1，说明CLK频率低于6Mhz，需要减少延时单元；

（3）细调，当粗调结束后，频率的误差为：(4us/23-4us/25）/166ns=8.38%，设定2个Ta的延时调整的范围，最大调整范围为2Ta/（4Ta+2Ta+8Ta）=14.28%，大于频率8.38%误差范围，调整精度为1/8Ta/（4Ta+2Ta+8Ta）=0.89%。

上述的方法使用具有相同相位差的时钟信号CLK_Y[0:15]，当USB特征序列信号的上升沿到来时，迫使内部时钟CLK_4的上升沿和USB信号的上升沿同步，然后用CLK_Y[0:15]各个时钟的上升沿和下降沿分别对USB信号和CLK_4信号进行采样，数据分别记录为：Sample_USB_Rise[0:15]、Sample_USB_Fall[0:15] 、Sample_CLK_4_Rise[0:15]、Sample_ CLK_4_Fall[0:15]。

由于CLK_Y[0:15]采样的范围为14.28%，大于频率的误差范围8.38%，所以CLK_Y[0:15]可以采到USB Signal的下降沿；一旦Sample_USB_Rise或Sample_USB_Fall出现0，记录下0的位置为L_USB；一旦Sample_ CLK_4_Rise或Sample_ CLK_4_Fall出现0，记录下0的位置为L_CLK_4，然后做如下调整：

L_USB> L_CLK_4：SelF=SelF+1 说明CLK频率偏高，需要增加Y部分的延时单元；

L_USB=L_CLK_4：SelF保持不变，说明CLK频率非常接近目标频率，不需要调整；

L_USB< L_CLK_4：SelF=SelF-1，说明CLK频率偏低，需要减少Y部分的延时单元。

该方法采用环形振荡电路，所述的环形振荡电路包括有固定延时单元X、CLK频率细调单元Y、CLK频率粗调单元Z。

所述的固定延时单元X包括有或非门I、若干延时单元A和4分频器；CLK频率细调单元Y包括有细调选择模块Fine和若干延时单元F；CLK频率粗调单元Z包括有粗调选择模块Adj和若干延时单元A。

所述的延时单元A包括有场效应管M0-M3和或非门nor2；所述的延时单元F包括有场效应管M4-M7和或非门nor3。

所述的细调选择模块Fine包括有若干二选一选择器MUX21；所述的粗调选择模块Adj包括若干二选一选择器MUX21。

本发明实现USB设备的时钟精确同步的方法可以精确恢复6Mhz的本地时钟，克服了现有技术所存在的缺点。本发明实现USB设备的时钟精确同步的方法可实现精准6Mhz时钟的恢复，电路规模小，功耗低，所有的电路都工作在6M时钟频率上。

附图说明

附图1为现有技术中采用直接生成法实现时钟同步的电路原理示意图。

附图2为现有技术中采用高速时钟采样法实现时钟同步的电路原理示意图。

附图3为现有技术中采用ADC电压转换法实现时钟同步的电路原理示意图。

附图4为本发明实现USB设备的时钟精确同步的方法的环形振荡电路的电路原理示意图。

附图5为本发明实现USB设备的时钟精确同步的方法信号处理示意图。

附图6为本发明实现USB设备的时钟精确同步的方法中延时单元A的电路图。

附图7为本发明实现USB设备的时钟精确同步的方法中延时单元F的电路图。

附图8为本发明实现USB设备的时钟精确同步的方法中细调选择模块Fine的电路图。

附图9为本发明实现USB设备的时钟精确同步的方法中粗调选择模块Adj的电路图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图来对本发明作进一步描述：如图4、图5所示，本发明公开了一种实现USB设备的时钟精确同步的方法，包括如下步骤：

上述的方法使用具有相同相位差的时钟信号CLK_Y[0:15]，当USB特征序列信号的上升沿到来时，迫使内部时钟CLK_4的上升沿和USB信号的上升沿同步，然后用CLK_Y[0:15]各个时钟的上升沿和下降沿分别对USB信号和CLK_4信号进行采样，数据分别记录为： Sample_USB_Rise[0:15]、

Sample_USB_Fall[0:15] 、

Sample_CLK_4_Rise[0:15]、

Sample_ CLK_4_Fall[0:15]。

如图4所示，该方法采用环形振荡电路，所述的环形振荡电路包括有固定延时单元X、CLK频率细调单元Y、CLK频率粗调单元Z。所述的固定延时单元X包括有或非门I、若干延时单元A和4分频器；CLK频率细调单元Y包括有细调选择模块Fine和若干延时单元F；CLK频率粗调单元Z包括有粗调选择模块Adj和若干延时单元A。

如图6所示，所述的延时单元A包括有场效应管M0-M3和或非门nor2。如图7所示，所述的延时单元F包括有场效应管M4-M7和或非门nor3。

如图8所示，所述的细调选择模块Fine包括有若干二选一选择器MUX21。

如图9所示，所述的粗调选择模块Adj包括若干二选一选择器MUX21。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，可利用以上所揭示的技术内容而作出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims

1.一种实现USB设备的时钟精确同步的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的实现USB设备的时钟精确同步的方法，其特征在于：上述的方法使用具有相同相位差的时钟信号CLK_Y[0:15]，当USB特征序列信号的上升沿到来时，迫使内部时钟CLK_4的上升沿和USB信号的上升沿同步，然后用CLK_Y[0:15]各个时钟的上升沿和下降沿分别对USB信号和CLK_4信号进行采样，数据分别记录为： Sample_USB_Rise[0:15]、Sample_USB_Fall[0:15] 、Sample_CLK_4_Rise[0:15]、Sample_ CLK_4_Fall[0:15]；由于CLK_Y[0:15]采样的范围为14.28%，大于频率的误差范围8.38%，所以CLK_Y[0:15]可以采到USB Signal的下降沿；一旦Sample_USB_Rise或Sample_USB_Fall出现0，记录下0的位置为L_USB；一旦Sample_ CLK_4_Rise或Sample_ CLK_4_Fall出现0，记录下0的位置为L_CLK_4，然后做如下调整：

3.根据权利要求1或2所述的实现USB设备的时钟精确同步的方法，其特征在于：该方法采用环形振荡电路实现，所述的环形振荡电路包括有固定延时单元X、CLK频率细调单元Y、CLK频率粗调单元Z。

4.根据权利要求3所述的实现USB设备的时钟精确同步的方法，其特征在于：所述的固定延时单元X包括有或非门I、若干延时单元A和4分频器；CLK频率细调单元Y包括有细调选择模块Fine和若干延时单元F；CLK频率粗调单元Z包括有粗调选择模块Adj和若干延时单元A。

5.根据权利要求4所述的实现USB设备的时钟精确同步的方法，其特征在于：所述的延时单元A包括有场效应管M0-M3和或非门nor2；所述的延时单元F包括有场效应管M4-M7和或非门nor3。

6.根据权利要求5所述的实现USB设备的时钟精确同步的方法，其特征在于：所述的细调选择模块Fine包括有若干二选一选择器MUX21；所述的粗调选择模块Adj包括若干二选一选择器MUX21。