HICK内部高速时钟校准应用笔记

MCU学习帮

前言                                                                                   

本应用指南主要是介绍一种针对内部高速时钟的校准方法。

支持型号列表：AT32F4系列

备注：本文档仅供有需求的小伙伴参考，如需更详细的补充资料，可访问雅特力官网链接直达https://www.arterytek.com/cn/support/index.jsp?index=1

1                 简介

AT32系列MCU内部都有提供适合运行的内部高速时钟（HICK），其本质就是内置于芯片的RC振荡器。在25℃下，其典型值频率8MHz的精度由工厂校准到±1％，在-40到105℃，该内部高速时钟的精度达到±2.5％，可见精度会受到温度的影响。

为了降低环境温度对精度造成的影响，用户可在运行时间隙调用校准程序来进行校准。

2                  校准及原理2.1           校准

每颗AT32 MCU芯片的内部高速时钟在出厂时都有被进行校准，待芯片复位后该校准值会自动加载到CRM_CTRL寄存器的HICKCAL[7:0]位，与CRM_CTRL寄存器的HICKTRIM[4:0]位一起作用于HICK的校准，HICKTRIM[4:0]的复位值为0x20（不同系列该复位值可能不同），在外部电压和温度变化对内部高速时钟频率产生影响时，可通过软件对HICKTRIM[4:0]这些位进行编程，对HICK进行微调，以达到满足要求的频率。

2.2           原理

校准的原理就是对当前的HICK频率进行较为准确的测量，参考实际的测量值与典型值的比较结果，判断是否达到校准的目的。此处用到的HICK测量方法不是采用外部设备来进行的，而是使用片上定时器来对外部精准的时钟源周期进行计数，因定时器的计数时钟源于HICK，这样就可以通过精确的外部时钟源周期来推算出当前HICK的频率值。

在本应用示例及文档中，精准时钟源采用的是LEXT（通常RTC使用的32kHz晶振），图示显示了如何使用定时器计数个数来测量参考信号周期。

如上所示，为提高计数测量的准确性，实际应用中可连续对多个LEXT周期进行计数，再用求平均值的方式来减小误差。频率计算公式：

Frequencytimer = （count1 + count2 + …+ countN）/ N *Frequencylext

因HICK直接或间接的提供给系统时钟，再通过timer频率和主频的关系，推算出此时HICK的频率，当前HICK的频率值减去HICK典型值就是此时HICK的误差频率：

Error（Hz） = Frequencyhick – 8000000

2.3            硬件实现

由校准原理可知，要想计算出HICK的频率就必须得有一个准确的校准源，该文档示例推荐的是采用LEXT，并且该校准源需要连接到定时器的输入捕获通道。AT32 MCU可通过CLKOUT功能将LEXT校准源输出，再通过内部配置功能或外围连线将CLKOUT与定时器的输入通道连接.

2.4            校准方法

前文提到设置CRM_CTRL寄存器的HICKTRIM位可调整HICK输出，校准流程首先按HICKTRIM的默认值为基点配置，准确的测量出此时HICK实际的频率值，然后按实际频率与典型值计算得到频率误差，判断该误差是否在可接受误差值范围内，如果是，则返回成功，如果不是，则轮询下一个HICKTRIM设置点，再进行测量判断，直到轮询完毕返回失败。

3                  使用说明3.1           函数说明

与本文档对应的示例代码中包含了三个主要的函数

1. /* clkout输出配置 */
   
2. void clkout_config(void);
   

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1. /* timer 输入捕获配置 */
   
2. void tmr_input_config(void);
   

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1. /* hick校准接口函数 */
   
2. error_status hick_trimming(void);
   

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a)      clkout输出配置

主要进行校准源LEXT时钟的开启，并将它配置由clkout来进行输出。由于示例的MCU型号支持clkout与timer10 channel1进行内部连接设置，如果该函数内并未进行clkout对应GPIO Pin脚的初始化，并且采用外部连接，请加入GPIO Pin脚初始化即可。

b)      timer输入配置

主要进行timer10的基础时钟配置、输入捕获配置及中断配置，默认采用校准源时钟的上升沿捕获。由于示例的MCU型号支持clkout与timer10 channel1进行内部连接设置，如果该函数内并未进行timer10 channel1对应GPIO Pin脚的初始化，并且采用外部连接，请加入GPIO Pin脚初始化即可。

c)      HICK校准接口

该函数为程序运行时的校准函数接口，可在一定时间周期或条件下调用该函数进行HICK的校准，校准到满足误差范围的频率时，该函数返回成功，反之返回失败。

需注意：在校准过程中HICK会有一个调整的过程，故此过程中的的主频或外设频率可能非预期值，所以通讯类接口或时序强相关的外设需暂停使用，待校准完成后再开启使用。

3.2            宏定义说明

示例代码中有两个配置宏定义可以由用户按实际使用情况来进行修改。

1. #define ERROR_VALUE_MAX                 10000 /* 10 KHz, accuracy ±10 KHz */
   
2. #define CAPUTURE_NUM                    10    /* must greater than 1 */
   

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ERROR_VALUE_MAX定义了可接受的最大误差范围（单位Hz），如上值（10000）即表示校准成功后的频率精度为±10kHz，用户可自行修改。需注意：由于HICK的校准特性关系，精度要求越高（即ERROR_VALUE_MAX值越小）时校准失败的概率越大。

CAPUTURE_NUM定义了LEXT校准源的捕获次数，再用累计求平均的方式减小误差。需注意：由于捕获计数时间点比较随机的关系，第一个计数值不准确，故读取的timer计数值需丢弃第一个计数，所以该宏定义值需大于1。

3.3            校准流程

可在系统运行时状态下调用校准函数接口hick_trimming进行校准。为防止非预期情况的发生，在调用校准前请确保各外设处于空闲未使用的状态。

首先会将校准前CRM_CTRL寄存器中的HICKTRIM值进行保留，初始校准值从TRIM_VALUE_MAX/2开始，对写入校准值后的HICK频率进行测量，量得误差精度是否满足ERROR_VALUE_MAX设定要求，如果是返回校准成功，如果未满足则继续轮询下一HICKTRIM值，直到轮询完所有，回写校准前的HICKTRIM值并返回校准失败。校准流程图如下：

初始校准值选择从HICK_VALUE_MAX/2开始的原因是HICKTRIM的复位值大致就与HICK_VALUE_MAX/2相当，这样更接近频率漂移的中心点，由中间往外轮询的查找方式，通常情况下采用这种方式进行轮询时可以更快的找出符合要求的校准值，减少了校准时间。

3.4            校准演示说明

示例代码是基于AT-START进行编写，为了更好的查看到校准效果，可采用示波器量测CLKOUT（PA8）的输出频率，频率值为HICK48（是8MHz典型值的6倍时钟），代码中有故意将HICK48调偏，当按下user button后开始校准，校准完毕串口1会输出校准结果（成功或失败），并可通过CLKOUT量测到校准后的HICK48频率值，示例演示的代码如下

1. int main(void)
   
2. {
   
3.   system_clock_config();
   
4. 
   
5.   at32_board_init();
   
6.   uart_print_init(115200);
   
7. 
   
8.   clkout_config();
   
9.   tmr_input_config();
   
10. 
    
11.   /* set a wrong trim value */
    
12.   crm_hick_clock_trimming_set(0x08);
    
13. 
    
14.   /* config clkout hick48 */
    
15.   crm_clock_out_set(CRM_CLKOUT_HICK);
    
16.   /* wait till user button pressed */
    
17.   while(at32_button_press() == NO_BUTTON);
    
18. 
    
19.   /* config clkout lext as calibration clock source */
    
20.   crm_clock_out_set(CRM_CLKOUT_LEXT);
    
21.   /* hick trimming */
    
22.   if(hick_trimming() == SUCCESS)
    
23.   {
    
24.     printf("trimming success\r\n");
    
25.   }
    
26.   else
    
27.   {
    
28.     printf("trimming fail\r\n");
    
29.   }
    
30. 
    
31.   /* config clkout hick48 */
    
32.   crm_clock_out_set(CRM_CLKOUT_HICK);
    
33. 
    
34.   while(1)
    
35.   {
    
36.   }
    
37. }
    

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4                 注意事项

在使用该校准方法时需注意以下几点。

1.    系统时钟应直接或间接的由HICK提供。

2.    timer计数时钟频率越高测量到的HICK频率越精确。

3.    示例demo所采用的方式是系统时钟与timer计数时钟同频，如果因应用场景需求有修改后不同频时，需注意调整频率对应关系部分的代码。

1. /* calculate hick frenquency, based sysclk = tmr_freq */
   
2. mult = (clocks.sclk_freq * 10) / HICK_VALUE;
   
3. hick_freq = (tmr_freq * 10) / mult;
   

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4.    在校准过程中可能导致主频或外设频率的变化，需注意此时如有外设还在运行时可能会出错。

5.    如所使用的系列型号不支持clkout与timer的输入通道内部连接时，需在配置函数中增加相应的GPIO Pin脚初始化。

6.    捕获次数宏定义CAPUTURE_NUM需大于等于2。

7.    最大误差宏定义ERROR_VALUE_MAX越大越容易校准成功，越小越可能校准失败。