一种应用于USB从设备时钟系统的自校正算法技术方案

本发明专利技术公开了一种应用于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。本发明专利技术适用于USB接口芯片、MCU控制芯片等时钟校正实现。

A self-tuning algorithm for clock system of USB slave device

【技术实现步骤摘要】
一种应用于USB从设备时钟系统的自校正算法
本专利技术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。
技术介绍
USB（UniversalSerialBUS）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-VolatileMemory，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，本专利技术在无晶振的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。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题在于：针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种应用于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，本专利技术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，本专利技术提出的解决方案为：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_Fine1，...，W_Finem-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_Fine0+a1*W_Fine1+...+am-1*W_Finem-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，本专利技术的优点在于：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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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是采用本专利技术算法的一种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是采用本专利技术算法的一种USB从设备的无晶体自校正时钟系统详细结构框图；图4是本专利技术的自校正算法；图5是本专利技术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专利技术做进一步详细说明。参见图1和图3所示，采用本专利技术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_Fine1，...，W_Finem-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_C本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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_Fine1，...，W_Finem-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...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭斌，
申请(专利权)人：长沙景美集成电路设计有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43