Calibrando el DCO

En este artículo explicaré por encima el funcionamiento del oscilador controlado digitalmente DCO de la familia MSP430 y explicaré un procedimiento, software incluido, para calibrar este oscilador para un conjunto de frecuencias elegido.

Para empezar, hablaremos del DCO...

Descripción del DCO

Los microcontroladores MSP430 de Texas Instruments, por ejemplo los compatibles con la placa Launchpad, disponen de un oscilador RC interno controlado digitalmente (DCO). El DCO se controla con 3 valores digitales:

• RSELx  (0..15) Selecciona un rango de frecuencia de funcionamiento
• DCOx   (0..7)   Selección fina de frecuencia dentro del rango elegido
• MODx  (0..31) Modulación de frecuencia entre DCO elegido y el siguiente DCO+1

Los valores RSELx y DCOx, por tanto seleccionan la frecuencia del oscilador interno tal y como se muestra en la siguiente figura de la familia MSP430x2xx (slau144i).

Frecuencia vs RSEL,DCO

Se ha de tener en cuenta que los rangos que cubren los distintos valores de RSEL se pueden solapar entre si, por tanto, es posible que RSEL=7 DCO=7 de una frecuencia mayor que RSEL=8 DCO=0.

El valor de MODx permite un ajuste más fino de la frecuencia media del oscilador. Básicamente, cada 32 ciclos, (32-MOD) ciclos se harán con la frecuencia DCO y MOD ciclos se harán con la frecuencia DCO+1. Para que esto funcione el valor de DCO elegido ha de ser inferior a 7 ya que no existe DCO+1 cuando DCO=7. Ls siguiente figura muestra el patrón de modulación para distintos valores de MOD.

Modulación del oscilador DCO

Es importante notar que el uso de la modulación introduce Jitter en la señal de reloj. Eso puede ser o no importante para una aplicación concreta pero es importante tenerlo en cuenta si necesitamos instantes de captura completamente periódicos.

  

Calibración del DCO en producción

El problema general es que las relaciones entre RSEL y DCO y la frecuencia generada tienen una tolerancia muy elevada por lo que para tener frecuencias de operación mínimamente exactas es necesario calibrar el oscilador. A modo de ejemplo, para la familia MSP430G2x21 (slas694i) con RSELx = 7, DCOx = 3 y MODx = 0 que es el valor con el que arranca el microcontrolador, pueden dar valores de frecuencia entre 0,8 y 1,5 MHz. Esto es, el error puede ser de 0,35MHz (un 23%) respecto de un valor central de 1,15MHz.

Calibrar el oscilador es determinar que valores de RSEL, DCO y MOD se han de programar para generar una determinada frecuencia. Aún usando valores calibrados el oscilador tiene una cierta tolerancia que puede ser de hasta +/- 6% para todo el rango de temperaturas y tensiones de alimentación, pero, aun así, es mucha menos tolerancia que un DCO no calibrado. Sin embargo, si calibramos el oscilador cuando el circuito opera a la tensión y temperatura de operación, la deriva será mucho menor.

Todos los microcontroladores de la familia MSP430 se calibran en el momento de producirlos, al menos a la frecuencia de 1MHz. Los valores de RSEL, DCO, y MOD que han de programarse en los registros  DCOCTL (DCO y MOD) y BCSCTL1 (RSEL) se guardan en la memoria flash del microcontrolador.

Usar los valores calibrados en factoría está bien, pero tiene algunos inconvenientes:

• Sólo podemos usar las frecuencias elegidas por Texas Instruments para nuestro microcontrolador. El MSPG2211 sólo tiene la de 1MHz, el MSPG2553 tiene lass de 1, 8, 12 y 16MHz. Si nos interesa una calibración a 4MHz, mala suerte.

• Texas Instruments realiza sus calibraciones a 30ºC y 3V. Si nuestro sistema ha de operar lejos de estos valores la calibración no será buena.

Para solventar estos problemas podemos hacer la calibración nosotros mismos.

Calibración de usuario del DCO

Para realizar la calibración debemos de contrastar la frecuencia que genera el DCO con una referencia más exacta. Podemos entonces variar los valores de RSEL, DCO y MOD para lograr la frecuencia deseada.
Un buen patrón para realizar la calibración es el oscilador de cristal externo de 32768 Hz. Hay varios motivos para ello:

• Un cristal de este tipo puede tener una precisión de 10 a 20ppm
• Todos los microcontroladores de la serie MSP430 pueden usar un oscilador externo de 32768Hz
• El Launchpad viene con un un cristal de este tipo, aunque sin soldar. En otro artículo hablo de como instalar un cristal de 32768Hz de manera temporal o permanente en el launchpad.

Buscando en internet se ve que hay varias personas que ya han llegado a esta conclusión como se demuestra aqui y aqui. Incluso existe una libreria de Texas Instruments al respecto.

En general, la mayor parte de soluciones reescriben la Sección A de Information Area de la flash del micrcontrolador que es donde Texas Instruments guarda la información de calibración del oscilador y otros elementos durante la producción. Es por eso que este área está especialmente protegida por un flag de seguridad (LOCKA).

Reescribir este área es potencialmente peligroso porque podemos perder información de calibración importante de otros elementos como el ADC y porque este área está protegida por un checksum que algunas aplicación podrían revisar. Es cierto que se puede recalcular el checksum, pero, igualmente corremos riesgos de borrar información importante.

 Los microcontroladores MSP430 tienen 3 áreas más de información (B,C,D) en la flash, todas ellas de 64 bytes igual que el área A, pero, a diferencia del área A, están vacían en los microcontoladores que salen de la factoría de Texas Instruments. En mi caso he pensado que sería mejor guardar la nueva información de calibración en la Sección B y no tocar la sección A para nada.

Dentro de esta área guardaré 9 valores de calibración para las frecuencias de 500Hz, 1MHz, 2MHz, 4MHz, 6MHz, 8MHz, 10MHz, 12MHz y 16MHz. La posición donde guardaré los valores de calibración las he incluido en un fichero NewDCOCal.h para tener una mejor referencia de sus posiciones. Si hace falta, se pueden cambiar o añadir nuevos valores de calibración si hace falta.


Programa de Calibración

Para realizar la calibración he realizado un programa DCO Calibration. Este program depende, a parte de NewDCOCal.h, del fichero io430masks.h. El programa se ha compilado con el compilador MSPGCC bajo Eclipse y, optimizado en tamaño, cabe en cualquier microcontrolador con al menos 2kB de flash.

El programa está pensado para hacerse correr en la placa Launchpad, por ello se emplean los siguientes pines:

         Xin/Xout : Cristal de 32768Hz

         P1.0 : Led Verde

         P1.3 : Pulsador a tierra

         P1.6 : Led Rojo

Adicionalmente se emplean dos pines para verificar los osciladores:

         P1.4 : Salida de cuadrada a la frecuencia del DCO

         P1.5 : Salida de 256Hz generada por el oscilador de 32768Hz

  

 Cuando el programa arranca, verifica si hay información en la sección de información B. Si hay información, pasa al modo de generación de frecuencia descrito más delante. Si no hay datos, se realiza la calibración, se guarda en la sección de información B de la flash y se pasa al modo de generación de frecuencia.

Durante la calibración el pin P1.4 muestra la frecuencia actualmente generada. Cada vez que se pasa a calibrar una nueva frecuencia, el led verde parpadea una vez. Si la calibración de una frecuencia se ha de repetir por no cumplir con la tolerancia deseada, parpadean los dos leds rojo y verde. 

En modo de generación de frecuencia el sistema programa la primera frecuencia de la lista de frecuencias calibradas (500kHz). Cada vez que se pulsa el pulsador que se halla en P1.3 se salta a la siguiente frecuencia de la lista para pasarse otra vez a la primera (500kHz) después de la última (16MHz). En este modo P1.4 tiene la frecuencia generada y el led verde parpadea a la frecuencia generada dividida por 20*65536 (20 desbordamientos del Timer A0).

En caso de error, el programa se bloquea mostrando un código de error mediante un número de parpadeos:

       (1)  Fallo del oscilador de 32768 Hz

       (2)  Problemas al calibrar una frecuencia

       (4)  No existe calibración de fábrica para 1MHz (necesaria para programar la flash)

       (5)  No puede lograrse la cota de error deseada (por defecto menos del 5%) 

       (Led Continuo) Problemas al arrancar el oscilador de 32768 Hz

Funcionamiento del programa

Para calibrar el oscilador el Watchdog se programa en modo temporizador con un período de unos 1,9ms (64/32768Hz) usando el oscilador de cuarzo. El timer A0 se configura en modo contínuo con el DCO como entrada. Se genera una captura del timer A0 cada vez que se da la interrupción del Watchdog. Calculando el número de ciclos del DCO entre dos capturas podemos inferir la frecuencia del DCO.

                    Frecuencia DCO = 512 * Ciclos entre capturas

Para aumentar la precisión, se promedia el intervalo de 50 capturas.

El programa comienza eligiendo el valor de RSEL, a continuación se elige el valor de DCO que se halla justo por debajo de la frecuencia deseada. Finalmente se ajusta la modulación MOD entre esta frecuencia de DCO y la siguiente.

Compilación condicional

El programa contiene 3 defines que permiten compilación condicional.

Si se activa el define DEBUG, el programa guarda los valores de RSEL, DCO y MOD junto con el error de calibración en cada frecuencia. De esta manera se puede verificar con el debugger.

Si se activa el define FLASH_OVERRIDE el programa reescribirá la información de la Sección B aunque no se halle vacía.

Si se activa el define TEST_MODE, toda la calibración se realizará en RAM para verificar el funcionamientod e la calibración sin tocar la memoria flash.

Video del funcionamiento

A continuación se muestra un video del funcionamiento del sistema de calibración en un Launchpad version 1.5 con el procesador MSP430G2553 que lleva por defecto. Junto al Launchpad tenemos un osciloscopio que muestra la frecuencia generada y un multimetro que trabaja como frecuencímetro.

Codigo en Github (11/02/2018)

El código está ahora disponible en Github:

https://github.com/R6500/MSP430-DCO-Calibration