STC8A,STC8G,STC8H系列的IRC内部振荡源频率调节

孔皓

2023-12-01

从STC10/STC11系列开始出现内置RC震荡源(内置时脉, 宏晶称之为IRC). 最初的三代STC10/STC11/STC12, 在手册上的介绍都是"由于使用内部时钟源误差较大, … 有串行通信的情况下不建议使用内部R/C时钟源". 到STC15这一代之后, 精度提升明显, 开始出现了默认不使用外置晶振的MCU型号. 从STC8开始对IRC进行了更多的改进, 从STC8A/8F的一个频段, 到STC8G/STC8H的两个频段, 到STC8A8K64D4的4个频段, 从CODE预置, 到XDATA只读预置, 可用性也在不断提升.

这里说一下STC8系列的IRC设置.

STC8A/STC8F的内部时钟机制

只有一个IRC频段, 频率范围在16-27MHz, 通过两个寄存器调节内部时脉RTRIM, LIRTIM, 通过 CLKDIV 分频后作为系统时钟SYSCLK

细节

STC-ISP写入时对时钟校准, 除了会改IRTRIM的预设值, 还可能会修改CLKDIV(时钟分频系数)的预设值
STC-ISP中预设的频率, 18MHz-27MHz是不进行分频的(CLKDIV为0), 再往下更小的频率就会开始改CLKDIV了
代码中使用预设值对IRTRIM赋值, 加上设置CLKDIV=0, 可以将时钟切换到这两个频率
- 因为环境和老化等因素, 出厂时标定的值产生的频率会产生漂移, 如果重新标定可能会在这个值的±2附近, 预设值用作于UART之类的通信是足够了
芯片上内置出厂时标定的22.1184MHz和24MHz频率对应的IRTRIM值, 可以从FLASH和RAM中读取, 但是这仅限于使用STC-ISP烧录并且勾选了对应选项的情况
FLASH部分的预设值: 22.1184MHz和24MHz地址分别是0xFDF4和0xFDF3, 这些地址位于code, 通过*(char code *)0xfdf3这样的形式访问
- 在STC-ISP每次写入时(注意, 是每次), 必须勾选"在程序区结束处添加重要测试参数"才会往这部分地址写入, 否则这部分地址的值全为0xFF
RAM部分的预设值: 22.1184MHz和24MHz地址分别是0xFA和0xFB, 这些地址位于idata, 通过*(unsigned char idata *)0xFB这样的形式访问
- 这两个值与其它因素无关, 上电即可读取, 相对于FLASH这个预设值更加可靠, 但是仅限于通过STC-ISP刷写的程序, 通过stcgal写入的程序, 这两个地址的数值为0

Linux环境下对IRTRIM, LIRTIM的标定

如果在Linux下开发, 不能使用STC-ISP, 则上述的方式都无效, 要通过辅助手段标定

方式一: 通过程序给ITRIM和L遍历整个[0,255]区间确定中心点得到粗略的IRTRIM值
方式二: 上设备, 示波器或者逻辑分析仪都行

实现思路

预设系统时钟为22.1184MHz, UART波特率为115200
代码中根据上面的条件, 初始化串口和定时器
按IRTRIM从[0, 255], LIRTIM从[0,3]循环, UART输出一个固定的字符串
当系统实际时钟接近 22.1184MHz时, 接收端才能看到正确的字符, 其它时候看到的都是乱码
- 取接收正常的部分的中心点, 用作22.1184MHz的IRTRIM和LIRTRIM值
如果用示波器或者逻辑分析仪, 可以做时钟10分频或20分频的输出, 在过程中观察波形宽度, 记下输出最接近的宽度时的IRTRIM和LIRTRIM.

STC8G 时钟

STC8G的内置振荡源频段有两个: 20MHz和33MHz, 可以从20MHz覆盖到36.864MHz,

因为存在多个频段, 多了两个寄存器用于频段的切换

IRCBAND: 用于选择频段
VRTRIM: 用于设置对应频段的电压

在设置频率时, 会涉及到这4个寄存器 IRCBAND, VRTRIM, IRTRIM, LIRTRIM, 都会对频率有影响, 调节程度从左到右递减

一个例子

ADDR: 0x1FE9
       VER1     VER2
VRTRIM 35M      40M:      20
VRTRIM 20M      24M:      1F
ITRIM  ---      48M:      FF
ITRIM  ---      44.2368M: D0
ITRIM 36.864M   40M:      A3
ITRIM 35M       36.864M:  88
ITRIM 33.1776M  35M:      6F
ITRIM 30M       33.1776M: 43
ITRIM 27M       30M:      1A
ITRIM 20M       27M:      63
ITRIM 24M       24M:      BA
ITRIM 22.1184M  22.1184M: 90
32kHz PD FreQ:            8DCC
1.19Vref:                 04A9

MCUID: F7 A4 C4 0D 11 E0 EE 
Current VRTRIM:20, IRTRIM:A3, LIRTRIM:03

STC8H 时钟

STC8H要区分两个不同的系列

STC8H1K

内置振荡源频段有两个, 20MHz和35MHz, STC-ISP预设的数值, 右边一列是芯片实测数据

ADDR: 0x1FE9
       VER1     VER2
VRTRIM 35M      40M:      1F
VRTRIM 20M      24M:      1E
ITRIM  ---      48M:      FF
ITRIM  ---      44.2368M: E4
ITRIM 36.864M   40M:      B5
ITRIM 35M       36.864M:  9A
ITRIM 33.1776M  35M:      7E
ITRIM 30M       33.1776M: 51
ITRIM 27M       30M:      26
ITRIM 20M       27M:      73
ITRIM 24M       24M:      D0
ITRIM 22.1184M  22.1184M: A4
32kHz PD FreQ:            8A48
1.19Vref:                 04AA

MCUID: F7 34 C5 68 00 11 22 
Current VRTRIM:1F, IRTRIM:B7, LIRTRIM:03

STC8H3K

这里是和手册不一致的地方, 对于STC8H3K32S2, F/W version: 7.4.1U, 实际上有4个频段, 也就是IRCBAND取值从 0x00 - 0x03, 24MHz和40MHz这两个属于0x02和0x03, 预设的寄存器要提前两个字节, 从0x7FE7开始读, 这样才是正确的, 研究这个问题耽误了半天时间. 手册不一致, 真是坑爹.

ADDR: 0x7FE7
       VER1     VER2
VRTRIM          40M:      19
VRTRIM          24M:      1C
VRTRIM 35M      ??M:      20
VRTRIM 20M      ??M:      1E
ITRIM  ---      45M:      7C
ITRIM  ---      40M:      47
ITRIM 36.864M:            2D
ITRIM 35M:                12
ITRIM 33.1776M:           FF
ITRIM 30M:                D2
ITRIM 27M:                98
ITRIM 20M:                1A
ITRIM 24M:                64
ITRIM 22.1184M:           41
32kHz PD FreQ:            8D04
1.19Vref:                 04A3

MCUID: F7 4A C5 26 03 11 22 
Current IRCBAND:03, VRTRIM:19, IRTRIM:2D, LIRTRIM:00

在设置时, 如果选择了高频段(35MHz或40MHz), ITRIM不能设置得太高, 如果设置得太高(超过0xE0), 会导致芯片无法启动

STC8A8K64D4 时钟

内置RC振荡的频段增加到了4个: 6M, 10M, 27M, 44M,

STC8A8K64D4是个比较特殊的型号, 你可以看成和STC8H8K功能一样, 只是引脚布局做成了和STC8A8K兼容的布局. 可以看成是为了让之前使用STC8A8K的客户能不改PCB升级的一个STC8H版本.

使用方式和4个IRC频段的STC8H一致, 也是通过IRCBAND, VRTRIM, IRTRIM, LIRTRIM这4个寄存器调节频率.

总结

记录一下避免其他人踩坑

同系列之间可能是跨系列产品

STC8H1K和STC8H3K
STC8A8K64S4和STC8A8K64D4

获取各频段预设值

对于在Linux下开发的, 建议还是要在Windows下通过STC-ISP烧录一次, 这样是最方便快捷的方式得到芯片的预设标定值.

调节CLKDIV需要一个较长的稳定期

如果在程序开始时调节了 CLKDIV, 至少需要等待 0x2FFFF 个时钟周期后再进行其它操作, 否则极容易导致后续的UART和Timer设置出现莫名其妙的错误, 这是今天排查了一整天才填的坑.

设置的代码

/**
 * STC8H Clock: 
 *  MCKSEL                     ||===> MCLKODIV ==> MCLKO_S => P1.6/P5.4
 *  00 Internal IRC    |       ||
 *  01 External OSC    |==> CLKDIV ==> SYSCLK
 *  10 External 32KHz  |
 *  11 Internal 32KHz  |
*/

#define SYS_SetFOSC(__IRCBAND__, __VRTRIM__, __IRTRIM__, __LIRTRIM__)  do {      \
                                     IRCBAND = ((__IRCBAND__) & 0x03);           \
                                     VRTRIM = (__VRTRIM__);                      \
                                     IRTRIM = (__IRTRIM__);                      \
                                     LIRTRIM = ((__LIRTRIM__) & 0x03);           \
                                 } while(0)

/**
 * Change system clock
 * - invoke this in the beginning of code
 * - don't invoke this if the target frequency is already set by STC-ISP
*/
void SYS_SetClock(void)
{
    uint16_t i = 0; uint8_t j = 5;
    P_SW2 = 0x80;
    if (CLKDIV != (__CONF_CLKDIV))
    {
        CLKDIV = (__CONF_CLKDIV);
        do { // Wait a while after clock changed, or it may block the main process
            while (--i);
        } while (--j);
    }
    P_SW2 = 0x00;
    clkdiv = (__CONF_CLKDIV == 0)? 1 : __CONF_CLKDIV;
    SYS_SetFOSC(__CONF_IRCBAND, __CONF_VRTRIM, __CONF_IRTRIM, __CONF_LIRTRIM);
    while (--i); // Wait
}

读取各预设值的代码

INTERRUPT(tm0isr, 1)
{
    uint8_t i, j;
    counter++;
    if (counter == 1000)
    {
        i = 0;
        counter = 0;
        UTIL_PrintString("ADDR: 0x");
        UTIL_PrintHex(__CID_ADDR >> 8);
        UTIL_PrintHex(__CID_ADDR & 0xFF);
        UTIL_PrintString("\r\n");
        UTIL_PrintString("       VER1     VER2\r\n");
        UTIL_PrintString("VRTRIM          40M:      ");
        UTIL_PrintHex(readCode(i++));
        UTIL_PrintString("\r\n");
        UTIL_PrintString("VRTRIM          24M:      ");
        UTIL_PrintHex(readCode(i++));
        UTIL_PrintString("\r\n");
        UTIL_PrintString("VRTRIM 35M      ??M:      ");
        UTIL_PrintHex(readCode(i++));
        UTIL_PrintString("\r\n");
        UTIL_PrintString("VRTRIM 20M      ??M:      ");
        UTIL_PrintHex(readCode(i++));
        UTIL_PrintString("\r\n");
        UTIL_PrintString("ITRIM  ---      45M:      ");
        UTIL_PrintHex(readCode(i++));
        UTIL_PrintString("\r\n");
        UTIL_PrintString("ITRIM  ---      40M:      ");
        UTIL_PrintHex(readCode(i++));
        UTIL_PrintString("\r\n");
        UTIL_PrintString("ITRIM 36.864M:            ");
        UTIL_PrintHex(readCode(i++));
        UTIL_PrintString("\r\n");
        UTIL_PrintString("ITRIM 35M:                ");
        UTIL_PrintHex(readCode(i++));
        UTIL_PrintString("\r\n");
        UTIL_PrintString("ITRIM 33.1776M:           ");
        UTIL_PrintHex(readCode(i++));
        UTIL_PrintString("\r\n");
        UTIL_PrintString("ITRIM 30M:                ");
        UTIL_PrintHex(readCode(i++));
        UTIL_PrintString("\r\n");
        UTIL_PrintString("ITRIM 27M:                ");
        UTIL_PrintHex(readCode(i++));
        UTIL_PrintString("\r\n");
        UTIL_PrintString("ITRIM 20M:                ");
        UTIL_PrintHex(readCode(i++));
        UTIL_PrintString("\r\n");
        UTIL_PrintString("ITRIM 24M:                ");
        UTIL_PrintHex(readCode(i++));
        UTIL_PrintString("\r\n");
        UTIL_PrintString("ITRIM 22.1184M:           ");
        UTIL_PrintHex(readCode(i++));
        UTIL_PrintString("\r\n");
        UTIL_PrintString("32kHz PD FreQ:            ");
        UTIL_PrintHex(readCode(i++));
        UTIL_PrintHex(readCode(i++));
        UTIL_PrintString("\r\n");
        UTIL_PrintString("1.19Vref:                 ");
        UTIL_PrintHex(readCode(i++));
        UTIL_PrintHex(readCode(i++));
        UTIL_PrintString("\r\n");
        UTIL_PrintString("\r\n");
        UTIL_PrintString("MCUID: ");
        for (j = 0; j < 7; j++)
        {
            UTIL_PrintHex(readCode(i+j));
            UTIL_PrintChar(' ');
        }
        UTIL_PrintString("\r\n");
        UTIL_PrintString("Current IRCBAND:");
        UTIL_PrintHex(IRCBAND);
        UTIL_PrintString(", VRTRIM:");
        UTIL_PrintHex(VRTRIM);
        UTIL_PrintString(", IRTRIM:");
        UTIL_PrintHex(IRTRIM);
        UTIL_PrintString(", LIRTRIM:");
        UTIL_PrintHex(LIRTRIM);
        UTIL_PrintString("\r\n\r\n");
    }
}