CN110233620A - 一种应用于usb从设备时钟系统的自校正算法 - Google Patents

一种应用于usb从设备时钟系统的自校正算法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于USB从设备时钟系统的自校正算法，旨在为USB从设备快速提供精确的时钟信号。该算法主要利用USB通信中连续SOF（Start Of Frame，起始帧）之间固定1ms包间隔的时间标度和振荡器的线性频率特性进行实现。首先，通过线性调节振荡器频率实现从设备正确识别SOF，同时产生最优的一级粗调控制码（Ctrl_Coarse_First）；其次，在二级粗调阶段，基于每次粗调结果逐步修调目标校正频率（F_aim），获得二级粗调控制码（Ctrl_Coarse_Sec）；最后，基于每次微调结果逐步修调目标校正频率（F_aim），获得满足频率精度要求的微调控制码，最终输出精确的USB时钟。本发明适用于USB接口芯片、MCU控制芯片等时钟校正实现。

Description

一种应用于USB从设备时钟系统的自校正算法
技术领域
本发明主要涉及高精度时钟系统设计领域，特别涉及一种应用于USB从设备时钟系统的自校正算法。
背景技术
USB（Universal Serial BUS）接口是一种广泛应用于数据传输接口技术，需要一个高精度的时钟源为其提供准确的时钟信号，保证USB主从设备数据交互功能正确。例如，低速传输模式要求USB时钟频率范围为12M±1.5%，全速传输模式要求USB时钟频率范围为48M±0.25%，高速传输模式要求USB时钟频率范围为480M±0.05%。因此，在传统USB时钟产生方案的基础上，提出了无晶振的时钟系统方案，该方案降低了整体方案BOM，但是该方案需要在中测或者成测阶段基于外部基准时钟进行时钟频率校正测试，并将校正控制码烧写到NVM（Non-Volatile Memory，非易失性存储器），在后续应用中采用了该方案的时钟系统在上电后直接从NVM中读控制码即可，增加了设计成本和测试成本。
为了解决上述技术问题，本发明在无晶振的USB时钟系统方案基础上提出了一种应用于USB从设备时钟系统的自校正算法，该算法主要包括一级粗调校正，二级粗调校正和微调校正三种模式，在具体方案应用中采用该校正算法的时钟系统在上电后自校正系统自动工作，不需要从NVM中读取控制码进行振荡频率初始化，同时能够对当前工作环境条件引起的USB时钟频率变化进行实时校正，降低了工作电压，温度变化和制造工艺偏差对USB时钟频率的影响，增强了该时钟系统的鲁棒性。
发明内容
本发明要解决的问题在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种应用于USB时钟系统的自校正算法，该算法主要包括一级粗调校正，二级粗调校正和微调校正三种模式，在具体应用中采用该校正算法的时钟系统在上电后自校正系统自动工作，无需人工干预自动完成时钟校正工作，不需要额外NVM进行控制码存储，同时能够对由于当前工作环境条件引起的USB时钟频率变化进行实时校正，降低了工作电压，温度变化和制造工艺偏差对USB时钟频率的影响，实时为USB从设备提供精确时钟信号；相对于传统的采用晶振提供基准时钟源的USB时钟系统，本发明的自校正算法不需要外部晶振提供参考时钟，降低了产品方案的BOM成本；相对于现有的无晶振的自校正USB时钟系统，减少了中测或成测关于时钟校正方面的测试成本，同时降低了额外的NVM设计开销。
为实现上述技术问题，本发明提出的解决方案为：一种应用于USB从设备时钟系统的自校正算法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：设置粗调权重为W_Coare0，W_Coare1，...，W_Coaren-1，微调权重为W_Fine0，W_Fine 1，...，W_ Fine m-1，粗调控制码为b0= b1=... bn-1=0，微调控制码为a0=a1=... am-1=0，振荡器输出最低频率；
步骤二：一级校正开始工作，粗调控制码逐渐增大，振荡器频率逐渐提高，SOF校正模块从无法识别SOF到正确识别SOF，再到无法识别SOF，抛弃第一次识别SOF的粗调控制码和最后一次识别SOF的粗调控制码，通过加权处理获得最优粗调控制码（Ctrl_Code_First）；
步骤三：自校正系统进入二级粗调校正模式，此时粗调权重为W_1（W_1=b0*W_Coare0+b1* W_Coare1+... +bn-1* W_Coaren-1），微调控制码为a0=a1=... am-1=0，粗调计数器CNT1开始工作，获得粗调频率为Fre(i)，判断频率偏差是否进入二级粗调误差范围内，若在二级粗调误差范围内，则二级粗调校正完成，否则重新修正目标校正频率F_aim，然后开始下一次的二级粗调校正，重复上述步骤。若在允许的二次粗调次数内，二级粗调频率进入目标频率范围内，则二级粗调校正结束，校正成功；否则校正失败。
步骤四：自校正系统完成二级粗调校正模式后开始进入微调模式，此时粗调权重为W_1’（W_1’=b0’*W_Coare0+b1’*W_Coare1+... +bn-1’*W_Coaren-1），微调权重为W_2（W_2=a0*W_ Fine 0+ a1* W_ Fine 1+... +am-1* W_ Fine m-1），微调计数器CNT2开始工作，获得微频率为Fre(j)，判断频率偏差是否进入微调误差范围内，若在微调误差范围内，则微调校正完成，否则重新修正目标校正频率F_aim，然后开始下一次的微调校正，重复上述步骤。若在允许的微调次数内，微调频率进入目标频率范围内，则微调校正结束，校正成功；否则校正失败。
所述的自校正算法，其特征在于：在允许的二次粗调次数内，如果当前校正操作产生的振荡器频率未进入目标频率范围内，将本次校正的目标频率F_aim与本次获得的二次粗调频率Fre(i)的频率偏差Delta(i)加上本次校正的目标频率F_aim作为下次二次粗调校正的目标频率。
所述的自校正算法，其特征在于：在允许的微调次数内，如果当前校正操作产生的振荡器频率未进入目标频率范围内，将本次校正的目标频率F_aim与本次获得的微调频率Fre(j)的频率偏差Delta(j)加上本次校正的目标频率F_aim作为下次微调校正的目标频率。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、增大了USB时钟系统的抗PVT（P：Process—制造工艺，V：Voltage—电源电压，T：Temp—环境温度）特性。与传统的USB时钟系统相比，本发明的自校正算法能够实时修正校正目标值，表现出对工艺偏差、电源电压变化或者环境温度引起时钟频率变化、粗调权重或者微调权重变化等非理想因数不敏感，保证USB时钟频率精度满足应用需求。
2、降低了测试成本。与传统的USB时钟系统和图2描述的无晶体USB时钟系统相比，本发明的自校正算法主要基于USB通信过程中连续发送的SOF之间1ms的时间标度进行校正，每次上电后自动完成，避免了在中测或成测阶段实现频率校正的校正成本。
3、应用简单，减少BOM费用。与传统USB时钟系统相比，本发明的自校正算法不需要外部晶振和调谐电容，降低BOM费用，同时减少现有的无晶振自校正时钟系统要求的NVM设计开销。
附图说明
图1是采用本发明算法的一种USB从设备的高精度无晶体自校正时钟系统示意图；
图2是目前已经提出的无晶体USB设备时钟系统框图；
图3是采用本发明算法的一种USB从设备的无晶体自校正时钟系统详细结构框图；
图4是本发明的自校正算法；
图5是本发明的自校正算法的工作流程图。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
参见图1和图3所示，采用本发明算法的一种高精度无晶体自校正时钟系统包括SOF检测模块、校正模块和振荡器。
结合图1和图3所示，图5给出了自校正算法的具体实施方式，具体描述如下：
当USB从设备插入到主设备时，USB主设备识别到从设备，同时通过VBUS端口给从设备供电；USB从设备在上电后，配置校正算法粗调权重分别为W_Coare0，W_Coare1，...，W_Coaren-1，微调权重为W_Fine0，W_ Fine 1，...，W_ Fine m-1，粗调控制码为b0= b1=... bn-1=0，微调控制码为a0=a1=... am-1=0，此时输出最低时钟频率。同时，设置目标频率为F_aim，二级粗调频率范围为F_aim±Delta_Coarse，微调频率范围为F_aim±Delta_Fine，系统进入一级校正模式，自校正系统开始工作；
初始化工作完成后，自校正时钟系统进入一级校正模式，粗调控制码权重进行逐步加1变化，实现振荡器频率的线性调节，SOF检测模块一直检测SOF信号；
当SOF检测模块没有检测到SOF信号，粗调控制码权重加1，实现振荡器输出频率提高；一直重复上述操作，直到SOF检测模块正确识别SOF信号，此时对应的粗调控制码为Coarse_Code_1；继续增大粗调控制码权重，振荡器输出时钟频率继续提高，每次SOF检测模块正确识别SOF对应的粗调控制码均保存为Coarse_Code_J（J=1，2，3....）。随着粗调控制码权重的增大，振荡器输出时钟频率超出USB时钟目标频率范围，SOF模块又出现无法识别SOF信号，同时把此前一次能够识别SOF的相应的粗调控制码保存为Coarse_Code_N，此时校正模块结束一级校正模式，对所有保存的粗调控制码Coarse_Code_J（J=1，2，3....N）进行加权处理，具体处理方式为抛弃粗调控制码的第一个和最后一个样本，对剩下样本进行加权平均处理，获得一级校正目标粗调控制码Coarse_Code_First。
当一级校正结束后，自校正系统进入二级粗调校正模式，此时粗调权重为W_1（W_1
=b0*W_Coare0+ b1* W_Coare1+... +bn-1* W_Coaren-1），微调控制码为a0=a1=... am-1=0，粗调计
数器CNT1开始工作，获得相应的粗调频率Fre(i)(i=1,2,3…,H)，判断频率偏差是否进入二级粗调误差范围内，若在二级粗调误差范围内，即F_aim-Delta_Coarse<Fre(i)<F_aim+Delta_Coarse，则二级粗调校正完成，否则重新修正目标校正频率F_aim，将本次校正的目标频率F_aim与本次获得的二次粗调频率Fre(i)的频率偏差Delta(i)加上本次校正目标频率F_aim作为下次二次粗调校正的目标频率。然后开始下一次的二级粗调校正，重复上述步骤。若在允许的二次粗调次数内，二级粗调频率进入目标频率范围内，则二级粗调校正结束，校正成功；否则校正失败。
当二级校正模式的二次粗调结束后，自校正时钟系统进入微调校正模式，此时粗调权重为W_1’（W_1’=b0’*W_Coare0+b1’*W_Coare1+... +bn-1’*W_Coaren-1），微调权重为W_2（W_2=a0*W_ Fine 0+ a1* W_ Fine 1+... +am-1* W_ Fine m-1），微调计数器CNT2开始工作，获得微频率为Fre(j) (j=1,2,3…,Z)，判断频率偏差是否进入微调误差范围内，若在微调误差范围内，即F_aim-Delta_Fine<Fre(i)<F_aim+Delta_Fine，则微调校正完成，否则重新修正目标校正频率F_aim，将本次校正的目标频率F_aim与本次获得的微调频率Fre(j)的频率偏差Delta(j)加上本次校正目标频率F_aim作为下次微调校正的目标频率。然后开始下一次的微粗调校正，重复上述步骤。若在允许的微调次数内，微调频率进入目标频率范围内，则微调校正结束，校正成功；否则校正失败。
在完成上述校正后，振荡器输出时钟频率满足USB时钟频率精度要求，USB主从设备进行正常数据通信。在USB正在过程中，自校正时钟系统会一直监测振荡器输出时钟频率，当检测到振荡器输出时钟频率偏差超出微调误差范围但又在粗调误差范围内，校正模块会立刻进入微调校正；当振荡器输出时钟频率偏差超出粗调误差范围，校正模块会立刻进入二级粗调校正；因此，本自校正系统对制造工艺偏差，工作环境中的电源电压和温度偏差不敏感。
以上各模块的示意图和实现是指具有该功能的所有实现方案。以上各图所示的电路仅为示例，将器件简单地替换所引起的电路变化亦属于本发明的保护范围，本发明的保护范围应以权力要求书为准。

Claims (3)

1.一种应用于USB从设备时钟系统的自校正算法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：设置粗调权重为W_Coare0，W_Coare1，...，W_Coaren-1，微调权重为W_Fine0，W_Fine 1，...，W_ Fine m-1，粗调控制码为b0= b1=... bn-1=0，微调控制码为a0=a1=... am-1=0，振荡器输出最低频率；
步骤二：一级校正开始工作，粗调控制码逐渐增大，振荡器频率逐渐提高，SOF校正模块从无法识别SOF到正确识别SOF，再到无法识别SOF，抛弃第一次识别SOF的粗调控制码和最后一次识别SOF的粗调控制码，通过加权处理获得最优粗调控制码（Ctrl_Code_First）；
步骤三：自校正系统进入二级粗调校正模式，此时粗调权重为W_1（W_1=b0*W_Coare0+b1* W_Coare1+... +bn-1* W_Coaren-1），微调控制码为a0=a1=... am-1=0，粗调计数器CNT1开始工作，获得粗调频率为Fre(i)，判断频率偏差是否进入二级粗调误差范围内，若在二级粗调误差范围内，则二级粗调校正完成，否则重新修正目标校正频率F_aim，然后开始下一次的二级粗调校正，重复上述步骤；
若在允许的二次粗调次数内，二级粗调频率进入目标频率范围内，则二级粗调校正结束，校正成功；否则校正失败；
步骤四：自校正系统完成二级粗调校正模式后开始进入微调模式，此时粗调权重为W_1’（W_1’=b0’*W_Coare0+b1’*W_Coare1+... +bn-1’*W_Coaren-1），微调权重为W_2（W_2=a0*W_Fine 0+ a1* W_ Fine 1+... +am-1* W_ Fine m-1），微调计数器CNT2开始工作，获得微频率为Fre(j)，判断频率偏差是否进入微调误差范围内，若在微调误差范围内，则微调校正完成，否则重新修正目标校正频率F_aim，然后开始下一次的微调校正，重复上述步骤；
若在允许的微调次数内，微调频率进入目标频率范围内，则微调校正结束，校正成功；否则校正失败。
2.如权利要求1所述的自校正算法，其特征在于：在允许的二次粗调次数内，如果当前校正操作产生的振荡器频率未进入目标频率范围内，将本次校正的目标频率F_aim与本次获得的二次粗调频率Fre(i)的频率偏差Delta(i)加上本次校正的目标频率F_aim作为下次二次粗调校正的目标频率。
3.如权利要求1所述的自校正算法，其特征在于：在允许的微调次数内，如果当前校正操作产生的振荡器频率未进入目标频率范围内，将本次校正的目标频率F_aim与本次获得的微调频率Fre(j)的频率偏差Delta(j)加上本次校正的目标频率F_aim作为下次微调校正的目标频率。
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