阅读说明：本技术 超低功耗微控制处理器时钟自校正单元 (Clock self-correcting unit of ultra-low power consumption micro-control processor ) 是由 庞伟 于 2020-04-08 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种超低功耗微控制处理器时钟自校正单元,所述超低功耗微控制处理器时钟自校正单元包括触发模块、待校正时钟源模块及校准模块,触发模块、待校正时钟源模块及校准模块接收时间基准；触发模块提供一触发信号至所述校准模块与所述待校正时钟源模块,所述待校正时钟源模块收到所述触发信号后,由休眠状态转换至校准工作状态；所述校准模块收到所述触发信号后,所述校准模块对所述待校正时钟源模块的时间进行多次校准,以调节待校正时钟源模块的时间值及时间频率,直至所述待校正时钟源模块获取基准时间；所述待校正时钟源模块为所述超低功耗微控制处理器提供基准时间,以使所述超低功耗微控制处理器根据所述基准时间与外部设备通信。(The invention provides a clock self-correcting unit of an ultra-low power consumption micro control processor, which comprises a trigger module, a clock source module to be corrected and a calibration module, wherein the trigger module, the clock source module to be corrected and the calibration module receive a time reference; the trigger module provides a trigger signal to the calibration module and the clock source module to be calibrated, and the clock source module to be calibrated is converted into a calibration working state from a dormant state after receiving the trigger signal; after the calibration module receives the trigger signal, the calibration module performs multiple times of calibration on the time of the clock source module to be calibrated so as to adjust the time value and the time frequency of the clock source module to be calibrated until the clock source module to be calibrated acquires the reference time; the clock source module to be corrected provides reference time for the ultra-low power consumption micro control processor, so that the ultra-low power consumption micro control processor communicates with external equipment according to the reference time.)

超低功耗微控制处理器时钟自校正单元

技术领域

本发明涉及微处理器技术领域，特别涉及一种超低功耗微控制处理器时钟自校正单元。

背景技术

目前随着物联网大力发展下，大量节点设备使用电池供电，因此由于具有低功耗的需求，节点设备中使用超低功耗微控制处理器(MCU)作为主控单元，节点设备一般还包括无线通信模块，将主控单元采集的数据通过无线通信模块(如WIFI、GPS、GPRS、NB)发送给采集器或者网关设备。

低功耗微控制处理器通过串口UART和无线通信模块通信。由于一些节点设备所处的环境恶劣(如室外安装)，此时MCU在高低温(-40℃～85℃)环境影响下，内部时钟通常偏差在±2％～±3％以内。无线通信模块的串口也会受高低温(-40℃～85℃)环境影响，偏差也在±2％～±3％左右。两个串口通信过程中，如果两边偏差叠加超过4％，就有可能导致串口通信不正常。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超低功耗微控制处理器时钟自校正单元，以解决现有的低功耗微控制处理器与外部设备串口通信受到温度影响的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种超低功耗微控制处理器时钟自校正单元，所述超低功耗微控制处理器时钟自校正单元包括触发模块、待校正时钟源模块及校准模块，其中：

所述触发模块、所述待校正时钟源模块及所述校准模块接收时间基准；

所述触发模块提供一触发信号至所述校准模块与所述待校正时钟源模块，所述待校正时钟源模块收到所述触发信号后，由休眠状态转换至校准工作状态；

所述校准模块收到所述触发信号后，所述校准模块对所述待校正时钟源模块的时间进行多次校准，以调节待校正时钟源模块的时间值及时间频率，直至所述待校正时钟源模块获取基准时间；

所述待校正时钟源模块为所述超低功耗微控制处理器提供基准时间，以使所述超低功耗微控制处理器根据所述基准时间与外部设备通信。

可选的，在所述的超低功耗微控制处理器时钟自校正单元中，还包括输入时钟模块，所述输入时钟模块提供时钟源，所述触发模块、所述待校正时钟源模块及所述校准模块以所述时钟源为时间基准。

可选的，在所述的超低功耗微控制处理器时钟自校正单元中，所述输入时钟模块为外接低速晶振或外部低速时钟。

可选的，在所述的超低功耗微控制处理器时钟自校正单元中，所述触发模块包括软件开启子模块、外部触发子模块、自动触发子模块、定时触发子模块中的一个或多个，其中：

所述软件开启子模块用于当超低功耗微控制处理器工作于正常功耗模式时，直接向所述校准模块与所述待校正时钟源模块持续发送所述触发信号；

所述外部触发子模块用于当超低功耗微控制处理器工作于休眠模式或低功耗模式时，收到外部中断信号后向所述校准模块与所述待校正时钟源模块持续发送所述触发信号；

所述自动触发子模块用于当超低功耗微控制处理器工作于休眠模式时，收到唤醒中断信号后向所述校准模块与所述待校正时钟源模块持续发送所述触发信号；

所述定时触发子模块用于当超低功耗微控制处理器工作于低功耗模式时，收到计时器的定时中断信号后向所述校准模块与所述待校正时钟源模块持续发送所述触发信号。

可选的，在所述的超低功耗微控制处理器时钟自校正单元中，所述待校正时钟源模块为所述超低功耗微控制处理器的内部高速时钟或所述超低功耗微控制处理器的内部低速时钟。

可选的，在所述的超低功耗微控制处理器时钟自校正单元中，当所述软件开启子模块工作时，向所述内部高速时钟或所述内部低速时钟发送所述触发信号；

当所述外部触发子模块工作时，向所述内部高速时钟或所述内部低速时钟发送所述触发信号；

当所述自动触发子模块工作时，向所述内部高速时钟或所述内部低速时钟发送所述触发信号；

当所述定时触发子模块工作时，向所述内部低速时钟发送所述触发信号。

可选的，在所述的超低功耗微控制处理器时钟自校正单元中，每次校准包括：

实时获取时钟源时间值和待校正时钟源模块时间值；

所述校准模块根据所述时钟源时间值与所述待校正时钟源模块时间值，计算所述待校正时钟源模块校正值，并发送至所述待校正时钟源模块；

所述待校正时钟源模块根据所述待校正时钟源模块校正值调节所述待校正时钟源模块时间值，并实时发送至所述校准模块。

可选的，在所述的超低功耗微控制处理器时钟自校正单元中，所述校准模块还为所述待校正时钟源模块提供时钟源时钟频率，以使待校正时钟源模块时间频率逐步逼近所述时钟源时钟频率，或所述待校正时钟源模块直接将所述时钟源时钟频率作为自身的时间频率。

可选的，在所述的超低功耗微控制处理器时钟自校正单元中，所述校准模块设置最大校正次数、最大校正总时间、单次校正时间、时间值校正误差阈值和时间频率校正误差阈值中的一个或多个，其中：

当所述校准模块对所述待校正时钟源模块的时间进行多次校准的时间超过最大校正总时间时，所述校准模块触发中断；和/或

当所述校准模块对所述待校正时钟源模块的时间进行多次校准的次数超过最大校正次数时，所述校准模块触发中断；和/或

当所述校准模块对所述待校正时钟源模块的时间值进行多次校准，直至所述待校正时钟源模块时间值与所述时钟源时间值之差小于时间值校正误差阈值时，所述校准模块触发中断；和/或

当所述校准模块对所述待校正时钟源模块的时间值进行多次校准，直至所述待校正时钟源模块时间频率与所述时钟源时钟频率之差小于时间频率校正误差阈值时，所述校准模块触发中断；

所述超低功耗微控制处理器收到中断信号后，由校准工作状态切换至校正完成状态。

可选的，在所述的超低功耗微控制处理器时钟自校正单元中，所述超低功耗微控制处理器进入所述校正完成状态后，所述超低功耗微控制处理器为所述外部设备提供所述基准时间作为所述外部设备的时钟源。

在本发明提供的超低功耗微控制处理器时钟自校正单元中，通过触发模块、待校正时钟源模块及校准模块接收时间基准，触发模块提供一触发信号至校准模块与待校正时钟源模块，待校正时钟源模块收到触发信号后，由休眠状态转换至校准工作状态，校准模块收到触发信号后，对待校正时钟源模块的时间进行多次校准，以调节待校正时钟源模块的校正值，待校正时钟源模块获取新的时钟频率，并逐步逼近时钟源的时钟频率直至获取基准时间后，待校正时钟源模块为超低功耗微控制处理器提供基准时间，以使超低功耗微控制处理器根据基准时间与外部设备通信，使得低功耗微控制处理器与外部设备的通信以基准时间为准，解决了高低温下低功耗微控制处理器内部时钟精度不准确带来的应用问题。

附图说明

图1是现有的超低功耗微控制处理器时钟自校正单元示意图；

图2是本发明一实施例超低功耗微控制处理器时钟自校正单元示意图；

图中所示：11-外接低速晶振；12-外部低速时钟；20-触发模块；30-待校正时钟源模块；40-校准模块；50-低功耗微控制处理器内核。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的超低功耗微控制处理器时钟自校正单元作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于提供一种超低功耗微控制处理器时钟自校正单元，以解决现有的低功耗微控制处理器与外部设备串口通信受到温度影响的问题。

如图1所示，针对高低温影响，外部高速晶振在温度环境影响下偏差在50ppm。微控制处理器采用外部高速时钟晶振产生时钟作为串口UART时钟，可以解决串口通信不正常现象。由于受限体积和成本的考虑，一些节点设备无法给MCU提供外部高速晶振时钟。低功耗节点设备大部分需要外部低速时钟，例如：32.768KHz时钟晶体振荡器作为RTC(Real_TimeClock，一种时钟芯片)时钟的时钟源。

针对该现象，一般有以下两种解决方案：

方案一：与无线通信模块300通信的低功耗微控制处理器200可以借助外部低速时钟100和内部自校正单元201来校正内部高速时钟202，减少内部时钟202偏差。由于节点设备具有超低功耗特点，MCU大部分时间处于低功耗模式，无法时刻进行内部时钟校正。目前，针对该现象，大部分MCU内部集成了时钟校正机制。在MCU唤醒后，在正常工作模式下，通过软件方法来校正内部高速时钟。由于校正机制需要多次校正才能达到高精度需求，需要至少125ms到500ms时间。同时，校正机制需要在正常工作模式下工作，需要一定时间，增加相应功耗。

方案二：低功耗微控制处理器200通过外部低速时钟100(时钟频率32.768KHz)PLL倍频后，作为串口外设时钟，也可以减少时钟偏差。该方案在唤醒后不需要校正串口时钟。但是低功耗模式下，该串口无法使用。

本发明针对现如今的高低温下串口通信异常的问题，提出了超低功耗微控制处理器内置时钟自校正单元机制，减少软件干预，硬件自动完成内部时钟校正工作，并且该模块可以在低功耗模式下工作。

为实现上述思想，本发明提供了一种超低功耗微控制处理器时钟自校正单元，所述超低功耗微控制处理器时钟自校正单元包括触发模块、待校正时钟源模块及校准模块，其中：所述触发模块、所述待校正时钟源模块及所述校准模块接收时间基准；所述触发模块提供一触发信号至所述校准模块与所述待校正时钟源模块，所述待校正时钟源模块收到所述触发信号后，由休眠状态转换至校准工作状态；所述校准模块收到所述触发信号后，所述校准模块对所述待校正时钟源模块的时间进行多次校准，以调节待校正时钟源模块的时间值及时间频率，直至所述待校正时钟源模块获取基准时间；所述待校正时钟源模块为所述超低功耗微控制处理器提供基准时间，以使所述超低功耗微控制处理器根据所述基准时间与外部设备通信。

<实施例一>

本实施例提供一种超低功耗微控制处理器时钟自校正单元，如图2所示，所述超低功耗微控制处理器时钟自校正单元包括触发模块20、待校正时钟源模块30及校准模块40，其中：所述触发模块20、所述待校正时钟源模块30及所述校准模块40接收时间基准；所述触发模块20提供一触发信号至所述校准模块40与所述待校正时钟源模块30，所述待校正时钟源模块30收到所述触发信号后，由休眠状态转换至校准工作状态，其中，校准工作状态包括只校准状态、边校准边提供时间状态、校准后再提供时间状态等；所述校准模块40收到所述触发信号后，所述校准模块40对所述待校正时钟源模块30的时间进行多次校准，以调节待校正时钟源模块30的时间值及时间频率，直至所述待校正时钟源模块30获取基准时间；所述待校正时钟源模块30为所述超低功耗微控制处理器提供基准时间，以使所述超低功耗微控制处理器根据所述基准时间与外部设备通信。

在本发明的一个实施例中，所述超低功耗微控制处理器时钟自校正单元还包括输入时钟模块10，所述输入时钟模块10提供一时钟源，所述触发模块20、所述待校正时钟源模块30及所述校准模块40以所述时钟源为时间基准。

具体的，在所述的超低功耗微控制处理器时钟自校正单元中，每次校准包括：实时获取时钟源时间值和待校正时钟源模块时间值；所述校准模块40根据所述时钟源时间值与所述待校正时钟源模块时间值，计算所述待校正时钟源模块校正值，并发送至所述待校正时钟源模块30；所述待校正时钟源模块30根据所述待校正时钟源模块校正值调节所述待校正时钟源模块时间值，并实时发送至所述校准模块40；单次校准结束。在所述的超低功耗微控制处理器时钟自校正单元中，所述校准模块40还为所述待校正时钟源模块30提供时钟源时钟频率，以使待校正时钟源模块时间频率逐步逼近所述时钟源时钟频率，或所述待校正时钟源模块30直接将所述时钟源时钟频率作为自身的时间频率。

进一步的，在所述的超低功耗微控制处理器时钟自校正单元中，所述校准模块40设置最大校正次数、最大校正总时间、单次校正时间、时间值校正误差阈值和时间频率校正误差阈值中的一个或多个，其中：当所述校准模块40对所述待校正时钟源模块30的时间进行多次校准的时间超过最大校正总时间时，所述校准模块40触发中断；和/或当所述校准模块40对所述待校正时钟源模块30的时间进行多次校准的次数超过最大校正次数时，所述校准模块40触发中断；和/或当所述校准模块40对所述待校正时钟源模块30的时间值进行多次校准，直至所述待校正时钟源模块30时间值与所述时钟源时间值之差小于时间值校正误差阈值时，所述校准模块40触发中断；和/或当所述校准模块40对所述待校正时钟源模块30的时间值进行多次校准，直至所述待校正时钟源模块30时间频率与所述时钟源时钟频率之差小于时间频率校正误差阈值时，所述校准模块40触发中断；所述超低功耗微控制处理器收到中断信号后，由校准工作状态切换至校正完成状态。本实施例通过规定了最大校正时间，最大校正次数，误差阈值，可以灵活的根据校正的实际需求来进行校正，一旦实现了校正的需求，即可以最快速度的结束校正。

另外，在所述的超低功耗微控制处理器时钟自校正单元中，所述超低功耗微控制处理器进入所述校正完成状态后，所述超低功耗微控制处理器(内核50)为所述外部设备提供所述基准时间作为所述外部设备的时钟源。在所述的超低功耗微控制处理器时钟自校正单元中，所述外部设备包括无线通信模块、网关设备、数据采集器及上位机。在所述的超低功耗微控制处理器时钟自校正单元中，所述输入时钟模块10为外接低速晶振11或外部低速时钟12，所述外接低速晶振11(例如X32K时钟晶振)的晶振频率或所述外部低速时钟12的时钟频率为32.768kHz，所述输入时钟模块10的精度范围为50ppm。输入时钟模块为外部提供的高精度时钟源：外接低速32.768KHz晶振，外部输入低速时钟二者选其一。由于外部晶振在高低温下时钟精度范围在50ppm以内，可以认为精度随高低温没有变化。在所述的超低功耗微控制处理器时钟自校正单元中，所述待校正时钟源模块30为所述超低功耗微控制处理器(内核50)的内部高速时钟或所述超低功耗微控制处理器的内部低速时钟，所述内部高速时钟的时钟频率为4MHz～16MHz之间。所述内部低速时钟的时钟频率为40kHz～128kHz之间。

具体的，在所述的超低功耗微控制处理器时钟自校正单元中，所述触发模块20包括以下模块中的一个或多个：软件开启子模块、外部触发子模块、自动触发子模块、定时触发子模块，其中：所述软件开启子模块用于当超低功耗微控制处理器工作于正常功耗模式时，直接向所述校准模块40与所述待校正时钟源模块30持续发送所述触发信号；所述外部触发子模块用于当超低功耗微控制处理器工作于休眠模式或低功耗模式时，收到外部中断信号后向所述校准模块40与所述待校正时钟源模块30持续发送所述触发信号；所述自动触发子模块用于当超低功耗微控制处理器工作于休眠模式时，收到唤醒中断信号后向所述校准模块40与所述待校正时钟源模块30持续发送所述触发信号；所述定时触发子模块用于当超低功耗微控制处理器工作于低功耗模式时，收到计时器的定时中断信号后向所述校准模块40与所述待校正时钟源模块30持续发送所述触发信号。

本发明的一个实施例中，当所述定时触发子模块向所述待校正时钟源模块30持续发送所述触发信号时，待校正时钟源模块30可以处于只校准状态时，待校正时钟源模块30可以在低功耗模式下进行定时定期的校准，但暂时不发送至超低功耗微控制处理器使用，超低功耗微控制处理器可以维持休眠状态，一旦超低功耗微控制处理器唤醒后需要精准的基准时间时，可以及时的从待校正时钟源模块30中获取，无需现场校准。

本发明的一个实施例中，所述外部触发子模块收到外部中断信号后向所述待校正时钟源模块30持续发送所述触发信号时，待校正时钟源模块30可以处于校准后再提供时间状态，此时待校正时钟源模块30可以收到外部的校准需求后，先进入校准程序，校准完成后将较精准的基准时间提供给超低功耗微控制处理器，即满足了校准的实时性，减小时间损耗，又可以得到较为精准的时间。

本发明的另一个实施例中，所述软件开启子模块直接向所述待校正时钟源模块30持续发送所述触发信号，或所述自动触发子模块收到唤醒中断信号后向所述待校正时钟源模块30持续发送所述触发信号时，待校正时钟源模块30可以处于边校准边提供时间状态，此时超低功耗微控制处理器急需使用基准时间，若等待校准后再获取基准时间，可能会造成超低功耗微控制处理器的程序紊乱，或任务处理出错，因此这两个模块可以有效的保障待校正时钟源模块30第一时间将基准时间提供给超低功耗微控制处理器。

综上所述，通过以上各个子模块的相互配合协作，既可以实现时间的低功耗校正，又可以实现时间的及时校正，减少时间损耗(由于软件干预造成的时间损耗)。多种触发子模块，可以工作在不同的模式下，以不同的条件开启进行工作，例如正常工作直接开启、外部中断、唤醒中断、计时器中断。各个子模块对不同的时钟进行校正也可以实现不同的工作模式，例如有些子模块对内部高速时钟和内部低速时钟都可以校正，有些子模块只对低速时钟校正，这就可以实现“针对一些运行场景可以灵活配置，减少软件干预，硬件机制自动启动校正”这一最终目的。

进一步的，在所述的超低功耗微控制处理器时钟自校正单元中，当所述软件开启子模块工作时，向所述内部高速时钟或所述内部低速时钟发送所述触发信号；当所述外部触发子模块工作时，向所述内部高速时钟或所述内部低速时钟发送所述触发信号；当所述自动触发子模块工作时，向所述内部高速时钟或所述内部低速时钟发送所述触发信号；当所述定时触发子模块工作时，向所述内部低速时钟发送所述触发信号。

在本发明提供的超低功耗微控制处理器时钟自校正单元中，通过输入时钟模块10提供一时钟源，触发模块20、待校正时钟源模块30及校准模块40以时钟源为时间基准，触发模块20提供一触发信号至校准模块40与待校正时钟源模块30，待校正时钟源模块30收到触发信号后，由休眠状态转换至校准工作状态，校准模块40收到触发信号后，对待校正时钟源模块30的时间进行多次校准，以调节待校正时钟源模块30的校正值，待校正时钟源模块30获取新的时钟频率，并逐步逼近时钟源的时钟频率直至获取基准时间后，待校正时钟源模块30为超低功耗微控制处理器提供基准时间，以使超低功耗微控制处理器根据基准时间与外部设备通信，使得低功耗微控制处理器与外部设备的通信以基准时间为准，解决了高低温下低功耗微控制处理器内部时钟精度不准确带来的应用问题。

在本发明的一个实施例中，超低功耗微控制处理器时钟自校正单元连接一外部低速时钟(例如，其他MCU提供的外部输入时钟)或外接低速晶振(例如：MCU常用的32.768Hz时钟晶体振荡器)作为输入时钟模块，该输入时钟模块具有外接、稳定、精确高的特点，而超低功耗微控制处理器在通常应用场合中，都需要连接外部低速时钟或外接低速晶振，外部低速时钟或外接低速晶振是保证MCU正常工作的必要条件，可见，超低功耗微控制处理器时钟自校正单元与MCU可以采用同一时钟，并根据该时钟进行校正，不需要增加额外的体积，且满足低功耗需求。

在本发明的一个实施例中，采用自动校正机制来校正内部时钟。时钟自校正原理：选择精准的时钟源来校准不精准的时钟源，反复校准，调节不精准时钟源的参数，直到被校准时钟源的频率达到精度要求。

本发明的校准模块可以通过外部提供频率为32.768KHz的外部低速时钟或外接低速晶振，在触发模块唤醒MCU后自动校正内部高速时钟，例如当所述软件开启子模块工作时，向所述内部高速时钟或所述内部低速时钟发送所述触发信号，也可以在低功耗模式下一直校正内部低速时钟，例如当所述定时触发子模块工作时，向所述内部低速时钟发送所述触发信号。针对低于9600bps及其以下速率的通信，MCU可以使用内部低速时钟，而无需开启内部高速时钟，可以有效降低功耗。针对一些运行场景可以灵活配置，减少软件干预，硬件机制自动启动校正。

本发明是在高低温环境中，使用超低功耗微控制处理器内置时钟校正模块，能够自动校正内部时钟精度，并且该模块能够在低功耗模式下运行；针对现如今的高低温下串口通信异常的问题，提出了超低功耗微控制处理器内置时钟自校正单元机制，减少软件干预，硬件自动完成内部时钟校正工作，并且该模块可以在低功耗模式下工作；改变了传统超低功耗微控制处理器内部校正模式只能单次校正，只能软件触发模式；通过和应用联动触发机制，实现了校正无需软件干预，同时减少了设备正常工作模式的时间，降低了设备功耗。

综上，上述实施例对超低功耗微控制处理器时钟自校正单元的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。