システムクロックとして外部クロック(水晶発振器)を使うには

用語ですが「システムオシレータ」と「システムクロック」に区別があって、システムオシレータは外部水晶発振子を使うことを想定した内蔵発振回路、システムクロックはシステムオシレータまたはBYPASSされた外部クロックを指しています。

まず OCXO は発振器なので、内蔵システムオシレータは使わないようにします。

ドキュメントを見るわけですが、システムオシレータコントロールレジスタ (SYSOSCCTRL) の BYPASS が日本語版だと間違っているので原文を見る必要があります。

となっていて、XTALIN から直接クロックを入力する場合には、内蔵のシステムオシレータをバイパスするという意味になります。

まぁとにかく XTALIN には外部クロックを直接入れれば良いのですが (XTALOUT はフロート)、ここで罠があります。XTALIN は他のピンと違って 1.8V 以上入力してはならないことになっています。

5V クロックなら 5.6k / 2.4k、3.3V クロックなら 1.2k / 1k あたりの分圧が必要です。

ただ、どうも OCXO の出力そのままだとうまく分圧できなかったので、一旦バッファ (74HCU04しかなかったのでこれで…) で受けてからクロック入力に使いました。

外部クロック設定コード

ぶっちゃけかなりハマりました。デバッグするためには CLKOUT を有効にして、どの段階までちゃんと出力が出ているかを確認する必要があります。

レジスタ自体はデータシート通りに記述すれば良いのですが、関連レジスタがかなり多いのでたいへんです……

ちょっとハマったのは SYSPLLCTRL の MSEL が実際の分周数-1を設定する必要がありました。(データシートにももちろん書いてありますが…)

やってることは

1. (mbed の初期化では IRC=12MHz を PLL で 48MHz にされています)
2. PLL を設定しなおすので、メインクロックソースを IRC にしておく (12MHz動作に)
3. 一旦 PLL 回路の電源を切る (ついでのシステムオシレータ回路も確実に切っておく)
4. システムオシレータをバイパスする設定をする
5. PLL 関連レジスタを適当に設定して 5 逓倍できるようにする
6. PLL のクロックソースをシステムクロックに
7. PLL 回路の電源を入れ、PLL のロックを待つ
8. メインクロックを PLL 出力に変える (この時点で 50MHz 動作に)
9. IRC の電源を切る (切らなくてもいいんですが)
10. SystemCoreClock を50MHzに更新しておく

という感じです。

void set_system_clock_to_external_10mhz() {
#ifdef DEBUG_CLOCK
	// XXX: set CLKOUT to debug (dp24)
	LPC_IOCON->PIO0_1 = (0b001<<0/*FUNC=CLKOUT*/);
	LPC_SYSCON->CLKOUTCLKSEL = 0b11; /*0b00=IRC, 0b01=SysOsc, 0b10=WDT, 0b11=Main*/
	LPC_SYSCON->CLKOUTDIV = 1;
	LPC_SYSCON->CLKOUTUEN = 0;
	LPC_SYSCON->CLKOUTUEN = 1;
#endif

	// Power down config (irc=on, sysosc=on)
	LPC_SYSCON->PDRUNCFG     &= ~(
		(1<<0/*IRCOUT_PD*/) |
		(1<<1/*IRC_PD*/)
	);

	// Ensure clock source to internal in temporary
	LPC_SYSCON->MAINCLKSEL = 0b00;
	LPC_SYSCON->MAINCLKUEN = 0x00;
	LPC_SYSCON->MAINCLKUEN = 0x01;
	while ( (LPC_SYSCON->MAINCLKUEN & 0b1) == 0);

	// Power down config (syspll=off, sysosc=off)
	LPC_SYSCON->PDRUNCFG     |= (
		(1<<5/*SYSOSC_PD*/) |
		(1<<7/*SYSPLL_PD*/)
	);

	// Set System OSC = BYPASS (clock fed to XTALIN directly 1.8V / XTALOUT must be floating)
	LPC_SYSCON->SYSOSCCTRL = (1<<0/*BYPASS*/);

	// PLL Clock Source = System OSC
	LPC_SYSCON->SYSPLLCLKSEL = (0b01<<0/*SEL*/);

	// Update PLL Source
	LPC_SYSCON->SYSPLLCLKUEN = 0;
	LPC_SYSCON->SYSPLLCLKUEN = 1;
	while ( (LPC_SYSCON->SYSPLLCLKUEN & 0b1) == 0 ); 

	// Set PLL
	// M = F_clkout / F_clkin
	// FCCO = 2 * P * F_clkout (P = {1, 2, 4, 8}) (FCCO=156-320MHz)
	// F_clkout = 50MHz / M = 5 / P = 2 / FCCO = 200MHz
	LPC_SYSCON->SYSPLLCTRL = ( (5 - 1)<<0/*MSEL*/) | (0b01<<5/*PSEL*/);

	// Power down config (syspll=on)
	LPC_SYSCON->PDRUNCFG     &= ~(
		(1<<7/*SYSPLL_PD*/)
	);
	// Wait for PLL Lock
	while ( (LPC_SYSCON->SYSPLLSTAT & 0b1) == 0 );

	// Update Main Clock to PLL Output
	LPC_SYSCON->MAINCLKSEL = 0b11;
	LPC_SYSCON->MAINCLKUEN = 0x00;
	LPC_SYSCON->MAINCLKUEN = 0x01;
	while ( (LPC_SYSCON->MAINCLKUEN & 0b1) == 0); 

	// Power down config (irc=off)
	LPC_SYSCON->PDRUNCFG     |= (
		(1<<0/*IRCOUT_PD*/) |
		(1<<1/*IRC_PD*/)
	);

	SystemCoreClock = 50000000;
}

周波数カウント部分の変更

タイマーをタイマーとして使い、システムクロックをそのままカウントします。キャプチャピンはGPS1PPSをキャプチャするようにし、キャプチャのタイミングでキャプチャレジスタにタイマカウンタをコピー(ハードウェア動作)させて割込みを生成します。GPIO のピンチェンジ割込みは使いません。

レジスタの設定は問題ないのですが、割込み周りでだいぶハマりました。

• mbed の InterruptManager で TIMER_32_0_IRQn の割込みを設定しようとしたがうまくいかなかった
• NVIC_EnableIRQ しないとダメだった
• extern "C" を忘れてて割込みが呼ばれずしばらくはまった

また、前回よりも精度を高めるため、10秒、100秒、1000秒のゲートでの誤差を表示するようにしました。dHz (デシヘルツ) cHz (センチヘルツ) mHz (ミリヘルツ) 単位で表示しているのが誤差の項目です。

±1カウントエラーがあるので、多少 +1/-1 がでることがあります。

1000秒単位での調整は面倒なので、10秒単位の調整しかしてませんが、このように手で雑に調整してもこのぐらいの精度が出ていました。

constexpr uint32_t CLOCK = 10000000;
constexpr uint16_t HISTORY = 1000;

int8_t errors[HISTORY];
uint16_t error_index = 0;
uint16_t error_count = 0;

volatile bool updated = 0;
Serial serial(USBTX, USBRX);

extern "C" void TIMER32_0_IRQHandler (void) {
	static uint32_t prev = 0;
	uint32_t count = LPC_TMR32B0->CR0;
	uint32_t pps_counter;

	if (prev < count) {
		pps_counter = count - prev;
	} else {
		// overflowed
		pps_counter = (0xffffff - prev) + count + 1;
	}
	prev = count;

	int16_t error = static_cast<int32_t>(CLOCK) - static_cast<int32_t>(pps_counter);
	if (abs(error) < 15) {
		error_index = (error_index + 1) % HISTORY;
		errors[error_index] = error;
		if (error_count < HISTORY) {
			error_count++;
		}
		updated = 1;
	}

	LPC_TMR32B0->IR = (1<<4/*CR0 Interrupt*/);
}

int main() {
	set_system_clock_to_external_10mhz();
	NVIC_EnableIRQ(TIMER_32_0_IRQn);

	// enable 32bit counter
	LPC_SYSCON->SYSAHBCLKCTRL |= (1<<9/*CT32B0 32bit counter clock*/);

	// Capture pin dp14 (for gps 1pps)
	LPC_IOCON->PIO1_5         |= (0b010<<0/*FUNC=CT32B0_CAP0*/);

	// Match output (not used)
	//	LPC_IOCON->PIO1_6         |= (0b010<<0/*FUNC=CT32B0_MAT0*/);
	//	LPC_IOCON->PIO1_7         |= (0b010<<0/*FUNC=CT32B0_MAT1*/);
	//	LPC_IOCON->PIO0_1         |= (0b010<<0/*FUNC=CT32B0_MAT2*/);
	//	LPC_IOCON->R_PIO0_11      |= (0b011<<0/*FUNC=CT32B0_MAT3*/);

	// Prescaler
	LPC_TMR32B0->PR  = 4;
	// Capture on CAP0 Rising Edge (to CR0) and Enable Interrupt
	LPC_TMR32B0->CCR =
		(1<<0/*CAP0RE*/) |
		(1<<2/*CAP0I*/);
	LPC_TMR32B0->MCR = 0;
	LPC_TMR32B0->CTCR = (0b00<<0/*Counter/Timer Mode=Timer*/);
	LPC_TMR32B0->TCR = (1<<0/*Counter Enable*/);

	serial.baud(115200);
	for (;;) {
		if (updated) {
			updated = 0;
			serial.printf("[%d] last: %+d\n", error_count, errors[error_index]);

			if (error_count >= 10) {
				int32_t sum = 0;
				for (int i = 0; i < 10; i++) {
					sum += errors[ (error_index + HISTORY - i) % HISTORY ];
				}
				serial.printf("[%d] %+ddHz\n", error_count, sum);
			}
			if (error_count >= 100) {
				int32_t sum = 0;
				for (int i = 0; i < 100; i++) {
					sum += errors[ (error_index + HISTORY - i) % HISTORY ];
				}
				serial.printf("[%d] %+dcHz\n", error_count, sum);
			}
			if (error_count >= 1000) {
				int32_t sum = 0;
				for (int i = 0; i < 1000; i++) {
					sum += errors[ (error_index + HISTORY - i) % HISTORY ];
				}
				// 1000_0000000
				serial.printf("[%d] %+dmHz\n", error_count, sum);
			}
		}
	}
}

制御

PID制御などではなく、まずは適当にインクリメント・デクリメントし続けるような実装にしました。

当然 PID 制御したほうがいいのですが、とりあえず頭を使いたくなかったので…

結果

シリアルに出している直近1000秒ごとの誤差合計を、雑なワンライナーで整形して Google Spreadsheet でグラフ化してみました。主にソフトウェア的要因と思われる過補正を繰替えしている雰囲気を感じられますが、概ね±10mHz(±1ppb)におさまっています。

GPSDO

調整を自動化したので、これはもはやGPSDOと呼べそうです。PID制御にするなど、ソフトウェア的な制御改良の余地はありますが、GPSDOの大枠が実装できました。

どちらかといえばあとはアナログ回路の要素が多くなります。といっても以下らへんを実装すれば実用的になりそうです。

• 出力が矩形波なので高次のローパスフィルタないしバンドパスフィルタを設計実装する
• 波形整形するバッファを使っていないのでバッファのしかたを変える
• GPSのアンテナ入力を外部入力に変える
• GPS FIx されず、1PPS 信号がきてないときのタイムアウト処理を追加
• ケースに入れる

アナログまわりが勉強中なので現状の技術力だと難しい面もありますが、製作例もあるのでなんとかはなりそうです。とはいえ、作っても現状だと応用先がスペアナぐらいしかないので、あんまりやる気がありません。

かなり簡単な構成でppbオーダーの高精度なクロックが得られるのは面白いです。もうちょっとアナログ回路の技術力があればさくっと作りあげられそうです。

コード

#include "mbed.h"
#include <stdint.h>
#include <inttypes.h>

void set_system_clock_to_external_10mhz() {
#ifdef DEBUG_CLOCK
	// XXX: set CLKOUT to debug (dp24)
	LPC_IOCON->PIO0_1 = (0b001<<0/*FUNC=CLKOUT*/);
	LPC_SYSCON->CLKOUTCLKSEL = 0b11; /*0b00=IRC, 0b01=SysOsc, 0b10=WDT, 0b11=Main*/
	LPC_SYSCON->CLKOUTDIV = 1;
	LPC_SYSCON->CLKOUTUEN = 0;
	LPC_SYSCON->CLKOUTUEN = 1;
#endif

	// Power down config (irc=on, sysosc=on)
	LPC_SYSCON->PDRUNCFG     &= ~(
		(1<<0/*IRCOUT_PD*/) |
		(1<<1/*IRC_PD*/)
	);

	// Ensure clock source to internal in temporary
	LPC_SYSCON->MAINCLKSEL = 0b00;
	LPC_SYSCON->MAINCLKUEN = 0x00;
	LPC_SYSCON->MAINCLKUEN = 0x01;
	while ( (LPC_SYSCON->MAINCLKUEN & 0b1) == 0);

	// Power down config (syspll=off, sysosc=off)
	LPC_SYSCON->PDRUNCFG     |= (
		(1<<5/*SYSOSC_PD*/) |
		(1<<7/*SYSPLL_PD*/)
	);

	// Set System OSC = BYPASS (clock fed to XTALIN directly 1.8V / XTALOUT must be floating)
	LPC_SYSCON->SYSOSCCTRL = (1<<0/*BYPASS*/);

	// PLL Clock Source = System OSC
	LPC_SYSCON->SYSPLLCLKSEL = (0b01<<0/*SEL*/);

	// Update PLL Source
	LPC_SYSCON->SYSPLLCLKUEN = 0;
	LPC_SYSCON->SYSPLLCLKUEN = 1;
	while ( (LPC_SYSCON->SYSPLLCLKUEN & 0b1) == 0 ); 

	// Set PLL
	// M = F_clkout / F_clkin
	// FCCO = 2 * P * F_clkout (P = {1, 2, 4, 8}) (FCCO=156-320MHz)
	// F_clkout = 50MHz / M = 5 / P = 2 / FCCO = 200MHz
	LPC_SYSCON->SYSPLLCTRL = ( (5 - 1)<<0/*MSEL*/) | (0b01<<5/*PSEL*/);

	// Power down config (syspll=on)
	LPC_SYSCON->PDRUNCFG     &= ~(
		(1<<7/*SYSPLL_PD*/)
	);
	// Wait for PLL Lock
	while ( (LPC_SYSCON->SYSPLLSTAT & 0b1) == 0 );

	// Update Main Clock to PLL Output
	LPC_SYSCON->MAINCLKSEL = 0b11;
	LPC_SYSCON->MAINCLKUEN = 0x00;
	LPC_SYSCON->MAINCLKUEN = 0x01;
	while ( (LPC_SYSCON->MAINCLKUEN & 0b1) == 0); 

	// Power down config (irc=off)
	LPC_SYSCON->PDRUNCFG     |= (
		(1<<0/*IRCOUT_PD*/) |
		(1<<1/*IRC_PD*/)
	);

	SystemCoreClock = 50000000;
}

constexpr uint32_t CLOCK = 10000000;
constexpr uint16_t HISTORY = 1000;

int8_t errors[HISTORY];
uint16_t error_index = 0;
uint16_t error_count = 0;

volatile bool updated = 0;
volatile uint8_t skip_second = 0;
Serial serial(USBTX, USBRX);
PwmOut osc_control(dp1);

extern "C" void TIMER32_0_IRQHandler (void) {
	static uint32_t prev = 0;
	LPC_TMR32B0->IR = (1<<4/*CR0 Interrupt*/);

	uint32_t count = LPC_TMR32B0->CR0;
	uint32_t pps_counter;

	if (prev < count) {
		pps_counter = count - prev;
	} else {
		// overflowed
		pps_counter = (0xffffff - prev) + count + 1;
	}
	prev = count;

	if (skip_second > 0) {
		skip_second--;
		return;
	}

	int16_t error = static_cast<int32_t>(pps_counter) - static_cast<int32_t>(CLOCK);
	if (abs(error) < 15) {
		error_index = (error_index + 1) % HISTORY;
		errors[error_index] = error;
		if (error_count < HISTORY) {
			error_count++;
		}
		updated = 1;
	}
}

int16_t pulsewidth = 16500;

void vcf_plus(uint8_t count) {
	pulsewidth -= count;
	osc_control.pulsewidth_us(pulsewidth);
	skip_second = 2;
	serial.printf("osc_control = %d\n", pulsewidth);
}

void vcf_minus(uint8_t count) {
	pulsewidth += count;
	osc_control.pulsewidth_us(pulsewidth);
	skip_second = 2;
	serial.printf("osc_control = %d\n", pulsewidth);
}

int main() {
	set_system_clock_to_external_10mhz();
	NVIC_EnableIRQ(TIMER_32_0_IRQn);

	osc_control.period_us(1<<15);
	osc_control.pulsewidth_us(pulsewidth);

	// enable 32bit counter
	LPC_SYSCON->SYSAHBCLKCTRL |= (1<<9/*CT32B0 32bit counter clock*/);

	// Capture pin dp14 (for gps 1pps)
	LPC_IOCON->PIO1_5         |= (0b010<<0/*FUNC=CT32B0_CAP0*/);

	// Match output (not used)
	//	LPC_IOCON->PIO1_6         |= (0b010<<0/*FUNC=CT32B0_MAT0*/);
	//	LPC_IOCON->PIO1_7         |= (0b010<<0/*FUNC=CT32B0_MAT1*/);
	//	LPC_IOCON->PIO0_1         |= (0b010<<0/*FUNC=CT32B0_MAT2*/);
	//	LPC_IOCON->R_PIO0_11      |= (0b011<<0/*FUNC=CT32B0_MAT3*/);

	// Prescaler
	LPC_TMR32B0->PR  = 4;
	// Capture on CAP0 Rising Edge (to CR0) and Enable Interrupt
	LPC_TMR32B0->CCR =
		(1<<0/*CAP0RE*/) |
		(1<<2/*CAP0I*/);
	LPC_TMR32B0->MCR = 0;
	LPC_TMR32B0->CTCR = (0b00<<0/*Counter/Timer Mode=Timer*/);
	LPC_TMR32B0->TCR = (1<<0/*Counter Enable*/);

	serial.baud(115200);
	for (;;) {
		if (serial.readable()) {
			char c = serial.getc();
			serial.putc(c);
			serial.printf(" %d\n", c);
			if (c == '+' || c == 'p') {
				vcf_plus(100);
			} else
			if (c == '-' || c == 'm') {
				vcf_minus(100);
			}
		}

		if (updated) {
			updated = 0;
			int8_t last = errors[error_index];
			serial.printf("[%d] last: %+d\n", error_count, last);
			if (last >= 2) {
				vcf_minus(1);
			} else
			if (last <= -2) {
				vcf_plus(1);
			}

			if (error_count >= 10) {
				int32_t sum = 0;
				for (int i = 0; i < 10; i++) {
					sum += errors[ (error_index + HISTORY - i) % HISTORY ];
				}
				serial.printf("[%d] %+ddHz\n", error_count, sum);

				if (sum >= 2) {
					vcf_minus(1);
				} else
				if (sum <= -2) {
					vcf_plus(1);
				}

			}
			if (error_count >= 100) {
				int32_t sum = 0;
				for (int i = 0; i < 100; i++) {
					sum += errors[ (error_index + HISTORY - i) % HISTORY ];
				}
				serial.printf("[%d] %+dcHz\n", error_count, sum);

				if (sum >= 2) {
					vcf_minus(1);
				} else
				if (sum <= -2) {
					vcf_plus(1);
				}
			}
			if (error_count >= 1000) {
				int32_t sum = 0;
				for (int i = 0; i < 1000; i++) {
					sum += errors[ (error_index + HISTORY - i) % HISTORY ];
				}
				// 1000_0000000
				serial.printf("[%d] %+dmHz\n", error_count, sum);

				if (sum >= 2) {
					vcf_minus(1);
				} else
				if (sum <= -2) {
					vcf_plus(1);
				}
			}
		}
	}
}

GPS の 1PPS で周波数カウントしてみる

GPSモジュールはこの前試した NEO-6Mです。3pin から線を別途引き出して使っています。窓際でやっているので、あまり安定した受信とはいえませんが、3D Fix したタイミングで計ってみました。

MPU として LPC1114FN28 を使って、以下のようなコードを書きました。ハードウェアカウンタは mbed の API からは使えるようになっていないので、データシートを読む必要があります。

本当は、ハードウェアでカウントしつつ、1PPS シグナルのキャプチャ信号でカウンタをキャプチャレジスタに自動的に入れて、同時に割込みを発生させてその値を読み出すみたいにしたかったのですが、少なくとも LPC1114 においてはそういうことはできないようでした (2つ以上のキャプチャピンを持っていない・外部入力カウンタとして使う場合、キャプチャレジスタを使用することはできない)

なので、実際のコードでは 32bit のカウンタを外部入力(10MHz)でフリーランカウントさせ、GPS の1PPSのタイミングでカウンタの値を読みこんで、前回との差分をとって周波数を求めています。

1PPS ごとの表示なので、簡単なコードですが、GPS同期の正確なゲート時間1秒周波数カウンタとして動いています。

#include "mbed.h"
#include <stdint.h>

constexpr uint32_t CLOCK = 10000000;
constexpr uint16_t HISTORY = 1000;

int16_t errors[HISTORY];
uint16_t error_index = 0;
uint16_t error_count = 0;

volatile bool updated = 0;
Serial serial(USBTX, USBRX);

InterruptIn gps1pps(dp25);

int main() {
	// enable 32bit counter
	LPC_SYSCON->SYSAHBCLKCTRL |= (1<<9/*CT32B0 32bit counter clock*/);

	// Capture pin dp14
	LPC_IOCON->PIO1_5         |= (0b010<<0/*FUNC=CT32B0_CAP0*/);

	// Match output (not used)
	//	LPC_IOCON->PIO1_6         |= (0b010<<0/*FUNC=CT32B0_MAT0*/);
	//	LPC_IOCON->PIO1_7         |= (0b010<<0/*FUNC=CT32B0_MAT1*/);
	//	LPC_IOCON->PIO0_1         |= (0b010<<0/*FUNC=CT32B0_MAT2*/);
	//	LPC_IOCON->R_PIO0_11      |= (0b011<<0/*FUNC=CT32B0_MAT3*/);

	LPC_TMR32B0->PR  = 0;
	LPC_TMR32B0->CCR = 0;
	LPC_TMR32B0->CTCR =
		(0b01<<0/*Counter/Timer Mode=Counter, Rising Edge*/) |
		(0b00<<2/*Count Input Select*/);
	LPC_TMR32B0->TCR = (1<<0/*Counter Enable*/);

	gps1pps.rise([]{
		static uint32_t prev = 0;

		uint32_t count = LPC_TMR32B0->TC;
		uint32_t pps_counter;
		if (prev < count) {
			pps_counter = count - prev;
		} else {
			// overflowed
			pps_counter = (0xffffff - prev) + count + 1;
		}
		prev = count;
		serial.printf("pps_counter: %lu\n", pps_counter);

		int16_t error = static_cast<int32_t>(CLOCK) - static_cast<int32_t>(pps_counter);
		error_index = (error_index + 1) % HISTORY;
		errors[error_index] = error;
		if (error_count < HISTORY) {
			error_count++;
		}
		updated = 1;
	});

	// NVIC_SetPriority();

	serial.baud(115200);
	for (;;) {
		if (updated) {
			updated = 0;
//			serial.printf("last: %d\n", errors[error_index]);
//
//			uint32_t sum = 0;
//			for (int i = 0; i < error_count; i++) {
//				sum += errors[ (error_index + HISTORY - i) % HISTORY ];
//			}
//			uint32_t error = sum * 1000 / error_count;
//			serial.printf("sum(%ds): %d\n", error_count, error);
		}
	}
}

結果

VFC 端子を 0V〜5V まで可変させて周波数を読んでみました。仕様上は の調整範囲 (±4Hz) があると書いてありました。実際やってみると以下のように ±5Hz ぐらいの可変ができるようです。

0〜5V の範囲で10Hz可変なので、2 Hz/V、2mHz/mV です。DAC で 1mHz 単位ぐらいで電圧を設定するなら、最低でも14bit程度の精度が必要そうです。