AVR單片機(jī)內(nèi)部RC振蕩器校正方法

注意：
1.?????? 這個(gè)器件的預(yù)分頻寄存器叫做 XDIV。
2.?????? ATmega169 修訂 F 使用 5.0 版本的振蕩器。
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版本1.X
這個(gè)版本是 AVR 單片機(jī)最早的可以校正的內(nèi)部 RC 振蕩器，它提供了 1.2MHz 到 1.6MHz 的頻率。校正值存放在簽名中，但是不能自動(dòng)載入，必須在運(yùn)行時(shí)手工加載到 OSCCAL 寄存器。這個(gè)版本的振蕩器的頻率高度依賴于工作電壓和溫度。
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版本2.X
這個(gè)版本的振蕩器提供了 1MHz 頻率。與1.x版本相比，顯著的減少了對(duì)電壓和溫度的依賴性。
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版本3.X
這個(gè)版本和35.5k工藝一起引入。
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擴(kuò)展振蕩器提供多個(gè)頻率，4種不同的 RC 振蕩器，頻率分別是 1, 2, 4 以及 8MHz。這個(gè)版本自動(dòng)載入 1MHz 的校正值。因?yàn)橛?個(gè)不同 RC 振蕩器，所以在簽名中保存了 4 個(gè)校正值。如果使用了不是缺省的 1MHz 頻率，OSCCAL 寄存器需要運(yùn)行時(shí)手工加載校正值。
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版本4.X
版本4.0中只保留了 8MHz 的振蕩器。稍晚一些的 4.x 版本中提供了兩種頻率：4MHz 和 8MHz（ATtiny2313），4.8MHz 和 9.6MHz（ATtiny13）。OSCCAL 寄存器修改為只有 7 位用于調(diào)整選擇的頻率，最高位沒有使用。可以自動(dòng)載入校正值和預(yù)分頻時(shí)鐘。
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版本4.X
版本5.0中只有8MHz時(shí)鐘，OSCCAL中所有的8位都可以用于調(diào)整頻率，可以自動(dòng)載入校正值和預(yù)分頻時(shí)鐘。OSCCAL寄存器分為兩個(gè)部分，OSCCAL的最高位選擇頻率范圍，后7位用于調(diào)整指定的頻率。
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振蕩器特性
內(nèi)部 RC 振蕩器的頻率依賴于溫度和工作電壓。圖1顯示了ATmega169 (版本 A 到 E)的 8MHz RC 振蕩器的頻率。如圖所示，頻率隨著溫度而增加，隨著電壓的增加而稍微降低，這個(gè)特性隨芯片不同而變化。對(duì)于某種具體型號(hào)的芯片參考數(shù)據(jù)手冊(cè)。
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圖1.晶體頻率和變化與溫度和電壓關(guān)系（ATmega169）
（MHz）
Vcc（V）
所有帶有可調(diào)整振蕩器的芯片都有 OSCCAL 寄存器。增加 OSCCAL 將得到一個(gè)稱為“偽單調(diào)”（pseudo-monotone）增加的頻率。把它稱為“偽單調(diào)”的原因是因?yàn)樵谀承┣闆r下改變 OSCCAL 寄存器的參數(shù)將不會(huì)增加或減少頻率，但是再次改變就會(huì)增加頻率了。換句話說，OSCCAL 寄存器加上 1 可能不增加頻率，但是加上 2 一般都會(huì)使頻率增加。這一特點(diǎn)對(duì)于搜索最佳校正值很重要。一個(gè)偽單調(diào)的例子可以從圖2看出，它是 ATmega169 的 8MHz RC 振蕩器的例子。注意到 OSCCAL 寄存器只使用了 7 位(8 位在 ATmega169 修訂版本 F 及以后版本中)，這樣 OSCCAL 的最大值是 128。
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圖2. ATmega169 校正 RC 振蕩器頻率
（MHz）
晶體參數(shù)
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對(duì)于所有可以調(diào)整的振蕩器，不推薦調(diào)整頻率超過指定基本頻率的 10%，因?yàn)閮?nèi)部定時(shí)是依賴于 RC 振蕩器的。
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知道了 RC 振蕩器的基本特性，就可以在 10% 的范圍內(nèi)，在任何工作電壓和環(huán)境溫度下，將給定的頻率校正到 +/-1% 的精度。
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進(jìn)行校正
這一節(jié)分為協(xié)議和固件程序兩部分。協(xié)議是為了適應(yīng)任何支持校正的編程工具，如 AVR 的開發(fā)工具STK500, AVRISP, JTAGICE 和 JTAGICE mkII，這些工具校正的用法在后面說明。
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STK500, AVRISP, JTAGICE 和 JTAGICE mkII 目前只支持命令行版本的校正，由 AVR Studio 4.11 SP1 (及以后版本)支持。最新版本的 AVR Studio 可以在 http://www.atmel.com/avr/ 下載。
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校正協(xié)議
校正協(xié)議是簡(jiǎn)單快速的，以保證可以用于產(chǎn)品中。編程使用的管腳是 ISP 接口或 JTAG 接口（如果有），使其可以用于最終產(chǎn)品中（或PCB）。
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兩個(gè)管腳用于進(jìn)行校正: ISP 中的 MOSI 和 MISO，或 JTAG 中的 TDI 和 TDO。這里為了簡(jiǎn)單只說明 MOSI 和 MISO，TDI 和 TDO 的用法是一樣的。
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基本概念就是編程器產(chǎn)生校正時(shí)鐘（C-clock），單片機(jī)使用它作為參考來校正自己的內(nèi)部 RC 振蕩器。當(dāng)單片機(jī)完成校正后通過 MISO 發(fā)送 “OK”信號(hào)給編程器。編程器允許 MISO 信號(hào)線上拉，而單片機(jī)允許 MOSI 信號(hào)線上拉，這是為了保證噪聲不影響校正。
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編程器使用 1024 C-cycles (C-clock 周期)作為溢出時(shí)間，校正程序在這個(gè)時(shí)間內(nèi)完成
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校正程序按一下步驟運(yùn)行：
1.?????? 編程器寫入校正固件程序到單片機(jī)中，允許 MISO 上拉，并釋放 reset 信號(hào)線。校正時(shí)鐘發(fā)送到 MOSI 信號(hào)線。手表晶體（32.768kHz）的頻率是合適的。
2.?????? 單片機(jī)允許 MOSI 內(nèi)部上拉，并開始監(jiān)聽 MOSI 上的校正時(shí)鐘信號(hào)。
3.?????? 當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到用于二進(jìn)制搜索的校正時(shí)鐘達(dá)到 1% 精度，如果不是需要的參數(shù)值，那么就把鄰近值作為結(jié)果，并進(jìn)行驗(yàn)證
4.?????? 校正值存放到 EEPROM 中(在校正失敗時(shí)，忽略這個(gè)步驟)。
5.?????? 當(dāng)成功完成校正后，翻轉(zhuǎn) MISO 信號(hào) 4 次。在 MOSI 時(shí)鐘下降沿時(shí)執(zhí)行 MISO 翻轉(zhuǎn) 5 到 10 個(gè) CPU 周期(C-clock)。在校正失敗時(shí)，不進(jìn)行這一步。
6.?????? 如果單片機(jī)沒有 EESAVE 熔絲，編程器必須取回 EEPROM 中的校正值以便恢復(fù)，因?yàn)樯院蠊碳绦驅(qū)⒈粡?Flash 中擦除。如果有 EESAVE 熔絲，就設(shè)置這一位，這樣在擦除 Flash 時(shí)就不會(huì)擦除 EEPROM 了。
必須在運(yùn)行時(shí)從 EEPROM 復(fù)制校正參數(shù)到 OSCCAL 寄存器，為此需要在最終的固件程序中執(zhí)行它。
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校正固件程序
校正代碼是用匯編寫的，對(duì)于 AVR Studio 4.11 已經(jīng)安裝了帶有校正包的匯編。
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校正固件程序是按照方便修改為任何型號(hào)的單片機(jī)（表1中）來組織的。同樣，校正的接口也可以被修改。如果使用 AVR 的開發(fā)工具，所有需要進(jìn)行的修改都在文件 “RC_Calibration.asm”中。
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文件包括下面內(nèi)容：
1.?? 指定芯片文件（選擇和你的系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的），如 “m16.asm”是 Atmega16 的。芯片指定文件包括下面內(nèi)容：
a.?????? AVR Studio 的寄存器和位定義。
b.?????? 定義的內(nèi)存映射文件，指定代碼的位置和存放在 EEPROM 的校正數(shù)據(jù)的位置。
c.???????? OSCCAL 訪問的宏，控制怎樣對(duì) OSCCAL 寄存器進(jìn)行訪問。訪問 OSCCAL 寄存器的方法與 IO 文件和 OSCCAL 寄存器的位置有關(guān)。
d.?????? 振蕩器版本文件。這個(gè)文件定義了二進(jìn)制搜索的初始化步驟，因?yàn)橐恍?OSCCAL 寄存器是 7 位，另外的是 8 位的。
e.?????? 返回堆棧初始化宏文件。一些芯片有硬件堆棧，另外的使用軟件堆棧，需要進(jìn)行初始化。
f.?????? 端口訪問宏文件，定義了怎樣訪問與校正相關(guān)的端口的相關(guān)寄存器。需要這個(gè)文件是因?yàn)橐恍┘拇嫫髟?IO 文件的高端部分，而其它的在低端部分。
g.?????? 重定義位和寄存器名。
請(qǐng)注意使用 ATmega169 修訂版F 的芯片時(shí)需要修改芯片的特殊文件，在“m169.asm”文件中振蕩器版本要設(shè)置成 5。
2.?? 校正接口文件。這個(gè)文件指定使用 ISP 或 JTAG 端口，以及使用的管腳名。校正時(shí)鐘頻率也在這里指定。
3.?? 包含使用宏定義的文件 - “macros.inc”。
4.?? 公共的校正代碼文件 “main.asm”。
校正代碼的結(jié)構(gòu)是按照易于修改而設(shè)計(jì)的，可以更簡(jiǎn)單的適應(yīng)目標(biāo)系統(tǒng)的單片機(jī)和接口。此外，廣泛使用了宏定義保證了代碼可以只要最小的改動(dòng)。最后，芯片和校正接口的設(shè)計(jì)使得只需很小的改動(dòng)就可以支持新的器件。
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二進(jìn)制搜索算法
這個(gè)搜索是基于二進(jìn)制搜索的， a divide-and-conquer method：
1.??? OSCCAL 寄存器載入初始值，就是 OSCCAL 最大值的一半。OSCCAL 的初始值在初始化步驟中定義了。
2.??? 系統(tǒng)時(shí)鐘頻率和外部參考進(jìn)行比較，校正時(shí)鐘：
a.?????? 如果頻率精度在 1% 之內(nèi)，跳到第5步。
b.?????? 如果系統(tǒng)時(shí)鐘太快，就減少 OSCCAL 的值；如果時(shí)鐘太慢，就增加。跳到第3步。
3.??? 步進(jìn)值修改為以前的一半
a.?????? 如果步進(jìn)值達(dá)到0，二進(jìn)制搜索失敗，跳到第4步。
b.?????? 如果步進(jìn)值大于0，在當(dāng)前的 OSCCAL 上加或減去步進(jìn)值，重復(fù)第2步。
4.??? 測(cè)試與 OSCCAL 最鄰近的 4 個(gè)點(diǎn)，這是為了補(bǔ)償振蕩器頻率的偽單調(diào)性。
a.?????? 如果測(cè)試后 OSCCAL 的參數(shù)滿足精度要求，跳轉(zhuǎn)到第5步。
b.?????? 如果沒有一個(gè)點(diǎn)滿足要求，MISO 保持低電平表示校正失敗。
5.??? 存儲(chǔ)校正值到 EEPROM。
6.??? MISO 翻轉(zhuǎn)4次表示校正頻率成功。
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決定振蕩器頻率的方法
在校正時(shí)鐘 (C-clock) 和內(nèi)部 RC 振蕩器之間的比較使用了 8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0 (TC0)，使用8位定時(shí)器是因?yàn)樗谒械膸в锌烧{(diào) RC 振蕩器的單片機(jī)中都有。計(jì)時(shí)40個(gè) C-clock 周期cycles 然后比較定時(shí)器計(jì)數(shù)， C-frequency 在接口文件中指定。決定頻率的方法在流程圖中說明了。
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圖3. 決定振蕩器頻率方法的流程圖
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為了覆蓋到振蕩器頻率的整個(gè)范圍，從 1MHz 到 9.6MHz，通過檢查 TC0 溢出標(biāo)志(OVF) 來擴(kuò)展定時(shí)器，得到了一個(gè)16位定時(shí)器。OVF 標(biāo)志每半個(gè)周期(Cclock)檢查一次，可以充分保證檢查到所有的 TC0 OVF 標(biāo)志。因?yàn)槭褂?16位定時(shí)器的關(guān)系，最差的情況是在 9.6MHz 時(shí)，OSCCAL 寄存器載入 0xFF。在這個(gè)情況下，振蕩器能 100%? 高于指定頻率，定時(shí)器計(jì)數(shù)到 23,541，在16位計(jì)數(shù)范圍中。
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從另外一個(gè)方面看，最低的振蕩器頻率也必須被考慮。最低可以得到的頻率是寫入 0x00 到 OSCCAL 寄存器時(shí)，此時(shí)頻率可能低于指定頻率的 50%。因?yàn)?TC0 OVF 標(biāo)志位每半個(gè)周期檢查一次，只有不超過7個(gè)CPU周期來處理 OVF 標(biāo)志位以及檢測(cè) C-clock 沿 –在指定的 1MHz 頻率下。當(dāng) OVF 標(biāo)志位沒有設(shè)置時(shí)會(huì)遇到這個(gè)時(shí)間約束，而設(shè)置標(biāo)志位需要 8 個(gè)周期，這樣當(dāng)檢測(cè)時(shí)間時(shí)將引起一個(gè)小錯(cuò)誤，不過不影響最后的結(jié)果：振蕩器被判斷為太慢。
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這些極端一般不會(huì)遇到，但是需要考慮到它們。
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修正時(shí)間錯(cuò)誤
因?yàn)椴荒苁褂弥袛鄟頇z測(cè) C-clock 的沿，只能使用輪詢法。這樣的結(jié)果是檢測(cè)可能會(huì)有 2 個(gè)CPU 周期的延時(shí)，使校正可能失敗。為了補(bǔ)償這個(gè)時(shí)間誤差，收縮門限 2 個(gè) ticks (2 個(gè)CPU周期)。
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所有參數(shù)和門限的計(jì)算由單片機(jī)完成，使用了 32 位精度（在AVRASM中）或 64 位精度（在 AVRASM2中）。
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校正固件程序不能用于校正時(shí)鐘源，參考這篇文檔 “校正時(shí)鐘精度”的小節(jié)。
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使用STK500,AVRISP,JTAGICE或JTAGICE mkII進(jìn)行校正
校正固件的源碼和批處理文件是作為怎樣使用 STK500, AVRISP, JTAGICE 或 JTAGICE mkII 進(jìn)行校正的例子來提供的。固件幾乎不需要就可以用于其它校正系統(tǒng)上。
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編譯校正固件
校正固件的主程序是 RC_Calibration.asm。這個(gè)文件需要在AVR Studio中添加到一個(gè)匯編工程里。在這個(gè)文件中指定了單片機(jī)型號(hào)和使用的校正接口：STK500, AVRISP, JTAGICE 或 JTAGICE mkII。甚至還可以指定校正的精度。
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一旦修改這些選項(xiàng)，編譯工程產(chǎn)生一個(gè)二進(jìn)制文件 “rc_calib.hex”，就是使用這個(gè)文件進(jìn)行校正。
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注意正確設(shè)置熔絲很重要：如果選擇了 1MHz RC 振蕩器，就不能校正為單片機(jī) 8MHz。
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使用命令行工具
STK500, AVRISP, JTAGICE 和 JTAGICE mkII 目前只支持以命令行方式調(diào)用的工具 (AVR Studio 4.11 SP1 及以后版本)。提供這種支持的軟件包可以在http://www.atmel.com/avr/中查找到。
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軟件包中包括了校正需要的新固件程序。當(dāng)?shù)谝淮芜B接到AVR Studio時(shí)固件自動(dòng)進(jìn)行更新，或者按照AVR Studio幫助文件中的說明進(jìn)行手工更新。
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單獨(dú)提供了3個(gè)批處理文件，這些文件展示了怎樣使用命令行工具編程校正代碼到用戶系統(tǒng)，執(zhí)行校正和用最終的固件再編程。批處理文對(duì) ATmega16 通過 STK500 或 ISP, JTAGICE 和 JTAGICE mkII 分別進(jìn)行校正。請(qǐng)研究這些批處理文件和 AVR Studio 幫助來了解 STK500/ISP, JTAGICE 和 JTAGICE mkII 命令行工具的用法。表2 包括了新命令列表。
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表2. stk500.exe 和 jtagice.exe 新選項(xiàng)
命令 說明
-Z[addr] 從EEPROM讀取校正字節(jié)，addr是讀取的地址。讀取操作在芯片擦除命令前執(zhí)行，使用 “-S#”將在芯片擦除后重新寫入?yún)?shù)到flash或EEPROM中。
-Y 按次序執(zhí)行校正，這個(gè)命令不考慮其它所有操作。如果沒有獲得響應(yīng)信號(hào)，返回錯(cuò)誤級(jí)別1。