AVR单片机内部RC振荡器校正方法

注意：
1. 这个器件的预分频寄存器叫做 XDIV。
2. ATmega169 修订 F 使用 5.0 版本的振荡器。


版本1.X
这个版本是 AVR 单片机最早的可以校正的内部 RC 振荡器，它提供了 1.2MHz 到 1.6MHz 的频率。校正值存放在签名中，但是不能自动载入，必须在运行时手工加载到 OSCCAL 寄存器。这个版本的振荡器的频率高度依赖于工作电压和温度。

版本2.X
这个版本的振荡器提供了 1MHz 频率。与1.x版本相比，显著的减少了对电压和温度的依赖性。

版本3.X
这个版本和35.5k工艺一起引入。

扩展振荡器提供多个频率，4种不同的 RC 振荡器，频率分别是 1, 2, 4 以及 8MHz。这个版本自动载入 1MHz 的校正值。因为有4个不同 RC 振荡器，所以在签名中保存了 4 个校正值。如果使用了不是缺省的 1MHz 频率，OSCCAL 寄存器需要运行时手工加载校正值。

版本4.X
版本4.0中只保留了 8MHz 的振荡器。稍晚一些的 4.x 版本中提供了两种频率：4MHz 和 8MHz（ATtiny2313），4.8MHz 和 9.6MHz（ATtiny13）。OSCCAL 寄存器修改为只有 7 位用于调整选择的频率，最高位没有使用。可以自动载入校正值和预分频时钟。

版本4.X
版本5.0中只有8MHz时钟，OSCCAL中所有的8位都可以用于调整频率，可以自动载入校正值和预分频时钟。OSCCAL寄存器分为两个部分，OSCCAL的最高位选择频率范围，后7位用于调整指定的频率。

振荡器特性
内部 RC 振荡器的频率依赖于温度和工作电压。图1显示了ATmega169 (版本 A 到 E)的 8MHz RC 振荡器的频率。如图所示，频率随着温度而增加，随着电压的增加而稍微降低，这个特性随芯片不同而变化。对于某种具体型号的芯片参考数据手册。

图1.晶体频率和变化与温度和电压关系（ATmega169）
（MHz）
Vcc（V）
所有带有可调整振荡器的芯片都有 OSCCAL 寄存器。增加 OSCCAL 将得到一个称为“伪单调”（pseudo-monotone）增加的频率。把它称为“伪单调”的原因是因为在某些情况下改变 OSCCAL 寄存器的参数将不会增加或减少频率，但是再次改变就会增加频率了。换句话说，OSCCAL 寄存器加上 1 可能不增加频率，但是加上 2 一般都会使频率增加。这一特点对于搜索最佳校正值很重要。一个伪单调的例子可以从图2看出，它是 ATmega169 的 8MHz RC 振荡器的例子。注意到 OSCCAL 寄存器只使用了 7 位(8 位在 ATmega169 修订版本 F 及以后版本中)，这样 OSCCAL 的最大值是 128。

图2. ATmega169 校正 RC 振荡器频率
（MHz）
晶体参数

对于所有可以调整的振荡器，不推荐调整频率超过指定基本频率的 10%，因为内部定时是依赖于 RC 振荡器的。

知道了 RC 振荡器的基本特性，就可以在 10% 的范围内，在任何工作电压和环境温度下，将给定的频率校正到 +/-1% 的精度。

进行校正
这一节分为协议和固件程序两部分。协议是为了适应任何支持校正的编程工具，如 AVR 的开发工具STK500, AVRISP, JTAGICE 和 JTAGICE mkII，这些工具校正的用法在后面说明。

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/ 下载。

校正协议
校正协议是简单快速的，以保证可以用于产品中。编程使用的管脚是 ISP接口或 JTAG 接口（如果有），使其可以用于最终产品中（或PCB）。

两个管脚用于进行校正: ISP 中的 MOSI 和 MISO，或 JTAG 中的 TDI 和 TDO。这里为了简单只说明 MOSI 和 MISO，TDI 和 TDO 的用法是一样的。

基本概念就是编程器产生校正时钟（C-clock），单片机使用它作为参考来校正自己的内部 RC 振荡器。当单片机完成校正后通过 MISO 发送 “OK”信号给编程器。编程器允许 MISO 信号线上拉，而单片机允许 MOSI 信号线上拉，这是为了保证噪声不影响校正。

编程器使用 1024 C-cycles (C-clock 周期)作为溢出时间，校正程序在这个时间内完成

校正程序按一下步骤运行：
1. 编程器写入校正固件程序到单片机中，允许 MISO 上拉，并释放 reset 信号线。校正时钟发送到 MOSI 信号线。手表晶体（32.768kHz）的频率是合适的。
2. 单片机允许 MOSI 内部上拉，并开始监听 MOSI 上的校正时钟信号。
3. 当单片机检测到用于二进制搜索的校正时钟达到 1% 精度，如果不是需要的参数值，那么就把邻近值作为结果，并进行验证
4. 校正值存放到 EEPROM 中(在校正失败时，忽略这个步骤)。
5. 当成功完成校正后，翻转 MISO 信号 4 次。在 MOSI 时钟下降沿时执行 MISO 翻转 5 到 10 个CPU周期(C-clock)。在校正失败时，不进行这一步。
6. 如果单片机没有 EESAVE 熔丝，编程器必须取回 EEPROM 中的校正值以便恢复，因为稍后固件程序将被从 Flash 中擦除。如果有 EESAVE 熔丝，就设置这一位，这样在擦除 Flash 时就不会擦除 EEPROM 了。
必须在运行时从 EEPROM 复制校正参数到 OSCCAL 寄存器，为此需要在最终的固件程序中执行它。

校正固件程序
校正代码是用汇编写的，对于 AVR Studio 4.11 已经安装了带有校正包的汇编。

校正固件程序是按照方便修改为任何型号的单片机（表1中）来组织的。同样，校正的接口也可以被修改。如果使用 AVR 的开发工具，所有需要进行的修改都在文件 “RC_Calibration.asm”中。

文件包括下面内容：
1. 指定芯片文件（选择和你的系统对应的），如 “m16.asm”是 Atmega16 的。芯片指定文件包括下面内容：
a. AVR Studio 的寄存器和位定义。
b. 定义的内存映射文件，指定代码的位置和存放在 EEPROM 的校正数据的位置。
c. OSCCAL 访问的宏，控制怎样对 OSCCAL 寄存器进行访问。访问 OSCCAL 寄存器的方法与 IO 文件和 OSCCAL 寄存器的位置有关。
d. 振荡器版本文件。这个文件定义了二进制搜索的初始化步骤，因为一些 OSCCAL 寄存器是 7 位，另外的是 8 位的。
e. 返回堆栈初始化宏文件。一些芯片有硬件堆栈，另外的使用软件堆栈，需要进行初始化。
f.端口访问宏文件，定义了怎样访问与校正相关的端口的相关寄存器。需要这个文件是因为一些寄存器在 IO 文件的高端部分，而其它的在低端部分。
g. 重定义位和寄存器名。
请注意使用 ATmega169 修订版F 的芯片时需要修改芯片的特殊文件，在“m169.asm”文件中振荡器版本要设置成 5。
2. 校正接口文件。这个文件指定使用 ISP 或 JTAG 端口，以及使用的管脚名。校正时钟频率也在这里指定。
3. 包含使用宏定义的文件 - “macros.inc”。
4. 公共的校正代码文件 “main.asm”。
校正代码的结构是按照易于修改而设计的，可以更简单的适应目标系统的单片机和接口。此外，广泛使用了宏定义保证了代码可以只要最小的改动。最后，芯片和校正接口的设计使得只需很小的改动就可以支持新的器件。

二进制搜索算法
这个搜索是基于二进制搜索的， a divide-and-conquer method：
1. OSCCAL 寄存器载入初始值，就是 OSCCAL 最大值的一半。OSCCAL 的初始值在初始化步骤中定义了。
2. 系统时钟频率和外部参考进行比较，校正时钟：
a. 如果频率精度在 1% 之内，跳到第5步。
b. 如果系统时钟太快，就减少 OSCCAL 的值；如果时钟太慢，就增加。跳到第3步。
3. 步进值修改为以前的一半
a. 如果步进值达到0，二进制搜索失败，跳到第4步。
b. 如果步进值大于0，在当前的 OSCCAL 上加或减去步进值，重复第2步。
4. 测试与 OSCCAL 最邻近的 4 个点，这是为了补偿振荡器频率的伪单调性。
a. 如果测试后 OSCCAL 的参数满足精度要求，跳转到第5步。
b. 如果没有一个点满足要求，MISO 保持低电平表示校正失败。
5. 存储校正值到 EEPROM。
6. MISO 翻转4次表示校正频率成功。

决定振荡器频率的方法
在校正时钟 (C-clock) 和内部 RC 振荡器之间的比较使用了 8位定时器/计数器0 (TC0)，使用8位定时器是因为它在所有的带有可调 RC 振荡器的单片机中都有。计时40个 C-clock 周期cycles 然后比较定时器计数， C-frequency 在接口文件中指定。决定频率的方法在流程图中说明了。

图3. 决定振荡器频率方法的流程图

为了覆盖到振荡器频率的整个范围，从 1MHz 到 9.6MHz，通过检查 TC0 溢出标志(OVF) 来扩展定时器，得到了一个16位定时器。OVF 标志每半个周期(Cclock)检查一次，可以充分保证检查到所有的 TC0 OVF 标志。因为使用 16位定时器的关系，最差的情况是在 9.6MHz 时，OSCCAL 寄存器载入 0xFF。在这个情况下，振荡器能 100% 高于指定频率，定时器计数到 23,541，在16位计数范围中。

从另外一个方面看，最低的振荡器频率也必须被考虑。最低可以得到的频率是写入 0x00 到 OSCCAL 寄存器时，此时频率可能低于指定频率的 50%。因为 TC0 OVF 标志位每半个周期检查一次，只有不超过7个CPU周期来处理 OVF 标志位以及检测C-clock 沿 –在指定的 1MHz 频率下。当 OVF 标志位没有设置时会遇到这个时间约束，而设置标志位需要 8 个周期，这样当检测时间时将引起一个小错误，不过不影响最后的结果：振荡器被判断为太慢。

这些极端一般不会遇到，但是需要考虑到它们。


修正时间错误
因为不能使用中断来检测 C-clock 的沿，只能使用轮询法。这样的结果是检测可能会有 2 个CPU 周期的延时，使校正可能失败。为了补偿这个时间误差，收缩门限 2 个 ticks (2 个CPU周期)。

所有参数和门限的计算由单片机完成，使用了 32 位精度（在AVRASM中）或 64 位精度（在 AVRASM2中）。

校正固件程序不能用于校正时钟源，参考这篇文档 “校正时钟精度”的小节。

使用STK500,AVRISP,JTAGICE或JTAGICE mkII进行校正
校正固件的源码和批处理文件是作为怎样使用 STK500, AVRISP, JTAGICE 或 JTAGICE mkII 进行校正的例子来提供的。固件几乎不需要就可以用于其它校正系统上。

编译校正固件
校正固件的主程序是 RC_Calibration.asm。这个文件需要在AVR Studio中添加到一个汇编工程里。在这个文件中指定了单片机型号和使用的校正接口：STK500, AVRISP, JTAGICE 或 JTAGICE mkII。甚至还可以指定校正的精度。

一旦修改这些选项，编译工程产生一个二进制文件 “rc_calib.hex”，就是使用这个文件进行校正。

注意正确设置熔丝很重要：如果选择了 1MHz RC 振荡器，就不能校正为单片机 8MHz。

使用命令行工具
STK500, AVRISP, JTAGICE 和 JTAGICE mkII 目前只支持以命令行方式调用的工具 (AVR Studio 4.11 SP1 及以后版本)。提供这种支持的软件包可以在http://www.atmel.com/avr/中查找到。

软件包中包括了校正需要的新固件程序。当第一次连接到AVR Studio时固件自动进行更新，或者按照AVR Studio帮助文件中的说明进行手工更新。

单独提供了3个批处理文件，这些文件展示了怎样使用命令行工具编程校正代码到用户系统，执行校正和用最终的固件再编程。批处理文对 ATmega16 通过 STK500 或 ISP, JTAGICE 和 JTAGICE mkII 分别进行校正。请研究这些批处理文件和 AVR Studio 帮助来了解 STK500/ISP, JTAGICE 和 JTAGICE mkII 命令行工具的用法。表2 包括了新命令列表。

表2. stk500.exe 和 jtagice.exe 新选项
命令 说明
-Z[addr] 从EEPROM读取校正字节，addr是读取的地址。读取操作在芯片擦除命令前执行，使用 “-S#”将在芯片擦除后重新写入参数到flash或EEPROM中。
-Y 按次序执行校正，这个命令不考虑其它所有操作。如果没有获得响应信号，返回错误级别1。