[发明专利]一种无晶振USB设备时钟校准方法及校准电路

说明书

本发明涉及一种无晶振USB设备时钟校准方法及校准电路，用于实现：对USB总线上的SOF包进行识别及采样，以及，对采样得到SOF包数据进行校验并输出校验信号；对校验信号进行计数，并根据计数结果与预设的计数值进行对比，根据对比结果配置PLL参数；根据PLL参数对USB内部时钟的RC振荡器及PLL锁相环进行时钟校准。本发明的有益效果为：保留了余数部分的信息，采用小数分频思想对USB串行差分信号进行多相位采样，可以准确判断出USB串行差分信号的电平特征；并对SOF包的全部信息进行校验，保证了SOF检测的可靠性；检测结果将更加准确；特别是本发明的SOF包检测的准确度不受到待校准内部时钟偏差的影响。

技术领域

本发明涉及一种无晶振USB设备时钟校准方法及校准电路，属于电学领域。

背景技术

USB接口因其通用性高、可扩展性强、接口简单、应用方便等优点，已经成为电子设备的必备标准接口之一，在信息通讯和数据传输等方面得到了广泛的应用。USB协议对接口信号的速率有着严格的规定。在低速状态下，USB接口的数据速率为1.5MHz±1.5％，应用在键盘、鼠标等；在全速状态下，USB接口的数据速率为12MHz±0.25％，应用在音频电子设备等，在高速状态下，USB接口的数据速率为480MHz±0.05％，应用在视频相关的电子设备上。因此，为了保证USB接口数据传输的稳定性，已知的USB设备多采用外置晶振加上内部锁相环倍频后的输出时钟作为设备的时钟源。由于晶振的原因，USB设备的主体结构的芯片就至少需要空余两个管脚给晶振，这对于一些管脚资源比较紧张的电路在实现上会带来很大的困难。另外随着带USB接口电子设备产品竞争的日益激烈，对于一些低成本的USB设备，使用外部晶振会增加产品的成本。因此，无晶振的USB设备方案应用而生，采用内部振荡电路作为时钟源为USB接口提供精确时钟的需求变得日益迫切。

由于USB接口角色有主从设备之分，无晶振USB技术又分为无晶振USB主机和无晶振USB设备两种类型。无晶振USB主机电路实现相对于无晶振USB设备电路实现要复杂很多。主要原因是由于USB接口所有的数据传输都是由主机发起的，并且USB主机还要负责USB总线的设备管理，带宽分配等工作。无晶振USB主机电路不能从USB接口上获得时间基准用于时钟的校准。相较于USB主机，USB设备的无晶振实现方案则要简单和成熟很多。由于USB协议规定了USB总线上，主机每隔1ms±500ns的时间就会向设备广播SOF(帧起始包)，用于USB设备的时间同步。基于此，现有的无晶振USB设备的实现方案都是采用接收USB主机发送的SOF包信息，得到一个1KHz的时钟基准，并以此时钟基准对本地的内部时钟进行校准，得到准确的USB工作时钟。

应用于USB主机的无晶振时钟校准方案相对较小，数量不是很多，仅为对比文件公开的“USB主机接口的免晶振实现电路和方法”(专利号为201210250053.X)的专利为主机无晶振方案。应用于USB设备的无晶振时钟校准方案较多。这些方案又主要分为两种形式，一是先在芯片出厂前，在芯片测试阶段，利用外部基准时钟对内部振荡器的进行工艺偏差的校准，然后再利用USB总线的SOF包作为时间基准，对内部振荡器的时钟进行动态校准。二是利用内部高频时钟(内部高频振荡器/低频振荡器加上锁相环电路组合)对USB信号进行高频采样，识别出USB总线的SOF包，采用SOF包作为时间基准，对内部振荡器的时钟进行动态校准。采用形式二的无晶振校准方法相比于形式一所设计的无晶振校准电路省去了测试过程中额外增加的时钟校准步骤，节省了测试成本。

对比文件“校正USB装置频率的方法及电路”专利中，识别SOF包的方法，只对USB传输包的PID域进行识别是否是SOF的PID域，简化了识别电路的设计难度。这虽然在理论上可以成立，即一个USB格式包的PID域即代表了识别了该USB格式包的类型。但是在电路工作的复杂环境中，USB总线上的信号存在着各种干扰，USB上的信号会存在瞬态时刻被破坏，导致误识别或者丢失SOF包的概率存在。另外，由于内部振荡器时钟频率在未校准前的不稳定因素，采样时钟频率会存在较大偏差，这进一步会增大识别SOF包错误的概率。