单片机外部晶振故障后自动切换内部晶振——以STM32为例

单片机外部晶振故障后自动切换内部晶振——以STM32为例

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Dog Tao2023.08.02V1.0发布初始版本

文章目录

  • 单片机外部晶振故障后自动切换内部晶振——以STM32为例
    • 背景
      • 外部晶振与内部振荡器
      • STM32F103时钟系统
      • STM32F407时钟系统
    • 代码实现
      • 系统时钟设置流程
      • 时钟源检测与切换
      • 使用内部振荡器
    • 总结

背景

时钟信号是单片机的心跳，对嵌入式系统的长期稳定运行有着至关重要的作用。现代单片机的时钟信号一般都支持外部时钟、外部晶体振荡器、内部RC振荡器等形式的输入。外部晶体振荡器（晶振）由于其高精度、高稳定性、低温飘、低成本的特性，广泛应用于各类对通讯、时间、性能要求严格的场合。

外部晶振与内部振荡器

  • 外部晶振：这种时钟源来自于微控制器外部的晶振或者振荡器。晶振是一种机械振动器件，利用压电效应或反压电效应产生精确的频率。外部晶振的主要优点是精度高，稳定性好。但是，他们可能需要额外的电路空间，并且可能更容易受到环境因素如温度和震动的影响。

  • 内部振荡器：这是一种集成在微控制器内部的时钟源。它通常是基于RC（电阻-电容）网络的振荡器。内部振荡器的优点是它们不需要额外的硬件，更便宜，更节省空间。但是，他们的频率精度和稳定性通常较低。

在实际应用中，选择哪种时钟源取决于具体的设计需求。对于需要高精度和稳定性的应用，通常会选择外部晶振。对于成本和空间更为重要的应用，内部振荡器可能是一个更好的选择。

STM32F103时钟系统

STM32F103的时钟系统相当复杂，主要有四种时钟源：高速内部（HSI）时钟，高速外部（HSE）时钟，低速内部（LSI）时钟，以及低速外部（LSE）时钟。

  • 高速内部（HSI）时钟：一个自校准的内部RC振荡器，提供8MHz的时钟。
  • 高速外部（HSE）时钟：可以连接到一个外部4-16 MHz的晶振或者用户提供的时钟源。
  • 低速内部（LSI）时钟：一个内部RC振荡器，提供40kHz的时钟，主要供独立看门狗和自动唤醒单元使用。
  • 低速外部（LSE）时钟：可以连接到一个外部32.768 kHz的晶振，主要用于RTC（实时时钟）和LCD。

如果使用外部晶振（HSE），STM32F103的最大系统时钟频率可以达到72 MHz。如果使用内部振荡器（HSI），STM32F103的最大系统时钟频率可以达到64 MHz。

STM32F407时钟系统

STM32F407的时钟系统与STM32F103的类似，也包括HSI，HSE，LSI和LSE四种时钟。但是其高速内部时钟频率达到了16MHz。

在STM32F407中，无论是16 MHz的HSI还是最高可以到24 MHz的HSE，都可以通过PLL倍频到168 MHz作为系统时钟频率。

STM32F103的时钟系统
在这里插入图片描述

代码实现

系统时钟设置流程

在STM32F103的标准库函数中，“system_stm32f10x.c”文件提供了多个不同频率的系统时钟设置方法，可以通过宏定义的方式条件编译指定时钟频率的设置函数，如下图所示：
在这里插入图片描述基于标准库函数的系统时钟设置调用路径依次为：

  1. 启动文件“startup_stm32f103x8.s”调用位于“system_stm32f10x.c”文件中的 SystemInit()函数。
  2. SystemInit()函数调用SetSysClock()函数。
  3. SetSysClock()函数根据上述宏定义调用不同的时钟设置函数，将系统时钟设置为指定频率。
  4. 使用全局变量SystemCoreClock可获取当前系统的时钟频率。
startup_stm32f103x8.s
SystemInit
SetSysClock
SetSysClockToHSE
SetSysClockTo36
SetSysClockTo72
Global variable: SystemCoreClock

时钟源检测与切换

在上述位于“system_stm32f10x.c”文件中系统时钟设置函数中已经内置了相关功能的模板，以SetSysClockTo72()函数为例：

/*** @brief  Sets System clock frequency to 72MHz and configure HCLK, PCLK2 *         and PCLK1 prescalers. * @note   This function should be used only after reset.* @param  None* @retval None*/
static void SetSysClockTo72(void)
{__IO uint32_t StartUpCounter = 0, HSEStatus = 0;/* SYSCLK, HCLK, PCLK2 and PCLK1 configuration ---------------------------*/    /* Enable HSE */    RCC->CR |= ((uint32_t)RCC_CR_HSEON);/* Wait till HSE is ready and if Time out is reached exit */do{HSEStatus = RCC->CR & RCC_CR_HSERDY;StartUpCounter++;  } while((HSEStatus == 0) && (StartUpCounter != HSE_STARTUP_TIMEOUT));if ((RCC->CR & RCC_CR_HSERDY) != RESET){HSEStatus = (uint32_t)0x01;}else{HSEStatus = (uint32_t)0x00;}  if (HSEStatus == (uint32_t)0x01){/* Enable Prefetch Buffer */FLASH->ACR |= FLASH_ACR_PRFTBE;/* Flash 2 wait state */FLASH->ACR &= (uint32_t)((uint32_t)~FLASH_ACR_LATENCY);FLASH->ACR |= (uint32_t)FLASH_ACR_LATENCY_2;    /* HCLK = SYSCLK */RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_HPRE_DIV1;/* PCLK2 = HCLK */RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE2_DIV1;/* PCLK1 = HCLK */RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE1_DIV2;#ifdef STM32F10X_CL/* Configure PLLs ------------------------------------------------------*//* PLL2 configuration: PLL2CLK = (HSE / 5) * 8 = 40 MHz *//* PREDIV1 configuration: PREDIV1CLK = PLL2 / 5 = 8 MHz */RCC->CFGR2 &= (uint32_t)~(RCC_CFGR2_PREDIV2 | RCC_CFGR2_PLL2MUL |RCC_CFGR2_PREDIV1 | RCC_CFGR2_PREDIV1SRC);RCC->CFGR2 |= (uint32_t)(RCC_CFGR2_PREDIV2_DIV5 | RCC_CFGR2_PLL2MUL8 |RCC_CFGR2_PREDIV1SRC_PLL2 | RCC_CFGR2_PREDIV1_DIV5);/* Enable PLL2 */RCC->CR |= RCC_CR_PLL2ON;/* Wait till PLL2 is ready */while((RCC->CR & RCC_CR_PLL2RDY) == 0){}/* PLL configuration: PLLCLK = PREDIV1 * 9 = 72 MHz */ RCC->CFGR &= (uint32_t)~(RCC_CFGR_PLLXTPRE | RCC_CFGR_PLLSRC | RCC_CFGR_PLLMULL);RCC->CFGR |= (uint32_t)(RCC_CFGR_PLLXTPRE_PREDIV1 | RCC_CFGR_PLLSRC_PREDIV1 | RCC_CFGR_PLLMULL9); 
#else    /*  PLL configuration: PLLCLK = HSE * 9 = 72 MHz */RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_PLLSRC | RCC_CFGR_PLLXTPRE |RCC_CFGR_PLLMULL));RCC->CFGR |= (uint32_t)(RCC_CFGR_PLLSRC_HSE | RCC_CFGR_PLLMULL9);
#endif /* STM32F10X_CL *//* Enable PLL */RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;/* Wait till PLL is ready */while((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0){}/* Select PLL as system clock source */RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_SW));RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_SW_PLL;    /* Wait till PLL is used as system clock source */while ((RCC->CFGR & (uint32_t)RCC_CFGR_SWS) != (uint32_t)0x08){}}else{ /* If HSE fails to start-up, the application will have wrong clock configuration. User can add here some code to deal with this error */}
}

因此，只需要设计实现当外部晶振启动失败后的情况即可，函数框架如下：

static void SetSysClockTo72(void)
{__IO uint32_t StartUpCounter = 0, HSEStatus = 0;/* 省略无关内容 */    if (HSEStatus == (uint32_t)0x01){/* HSE启动成功 */}else{ /* 自定内容：HSE启动失败，尝试启动内部振荡器，并更新系统时钟 */SetSysClockTo48_HSI();SystemCoreClockUpdate();}
}

使用内部振荡器

HSE启动失败，尝试启动内部振荡器，并更新系统时钟的自定义代码示例如下：

static void SetSysClockTo48_HSI()
{/* 开启HSI 即内部晶振时钟 */RCC->CR |= (uint32_t)0x00000001; /*选择HSI为PLL的时钟源HSI必须2分频给PLL*/RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PLLSRC_HSI_Div2; /*PLLCLK=8/2*12=48MHz   设置倍频得到时钟源PLL的频率*/RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PLLMULL12;/* PLL不分频输出  */RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_HPRE_DIV1;/* 使能 PLL时钟 */RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;/* 等待PLL时钟就绪*/while((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0){}/* 选择PLL为系统时钟的时钟源 */RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_SW));RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_SW_PLL;    /* 等到PLL成为系统时钟的时钟源*/while ((RCC->CFGR & (uint32_t)RCC_CFGR_SWS) != (uint32_t)0x08){}
}

使用内部振荡器设置系统时钟之后，需要调用预设的SystemCoreClockUpdate()完成时钟频率的更新（更新全局变量SystemCoreClock的值）。

/*** @brief  Update SystemCoreClock variable according to Clock Register Values.*         The SystemCoreClock variable contains the core clock (HCLK), it can*         be used by the user application to setup the SysTick timer or configure*         other parameters.*           * @note   Each time the core clock (HCLK) changes, this function must be called*         to update SystemCoreClock variable value. Otherwise, any configuration*         based on this variable will be incorrect.         *     * @note   - The system frequency computed by this function is not the real *           frequency in the chip. It is calculated based on the predefined *           constant and the selected clock source:*             *           - If SYSCLK source is HSI, SystemCoreClock will contain the HSI_VALUE(*)*                                              *           - If SYSCLK source is HSE, SystemCoreClock will contain the HSE_VALUE(**)*                          *           - If SYSCLK source is PLL, SystemCoreClock will contain the HSE_VALUE(**) *             or HSI_VALUE(*) multiplied by the PLL factors.*         *         (*) HSI_VALUE is a constant defined in stm32f1xx.h file (default value*             8 MHz) but the real value may vary depending on the variations*             in voltage and temperature.   *    *         (**) HSE_VALUE is a constant defined in stm32f1xx.h file (default value*              8 MHz or 25 MHz, depedning on the product used), user has to ensure*              that HSE_VALUE is same as the real frequency of the crystal used.*              Otherwise, this function may have wrong result.*                *         - The result of this function could be not correct when using fractional*           value for HSE crystal.* @param  None* @retval None*/
void SystemCoreClockUpdate (void)
{uint32_t tmp = 0, pllmull = 0, pllsource = 0;#ifdef  STM32F10X_CLuint32_t prediv1source = 0, prediv1factor = 0, prediv2factor = 0, pll2mull = 0;
#endif /* STM32F10X_CL */#if defined (STM32F10X_LD_VL) || defined (STM32F10X_MD_VL) || (defined STM32F10X_HD_VL)uint32_t prediv1factor = 0;
#endif /* STM32F10X_LD_VL or STM32F10X_MD_VL or STM32F10X_HD_VL *//* Get SYSCLK source -------------------------------------------------------*/tmp = RCC->CFGR & RCC_CFGR_SWS;switch (tmp){case 0x00:  /* HSI used as system clock */SystemCoreClock = HSI_VALUE;break;case 0x04:  /* HSE used as system clock */SystemCoreClock = HSE_VALUE;break;case 0x08:  /* PLL used as system clock *//* Get PLL clock source and multiplication factor ----------------------*/pllmull = RCC->CFGR & RCC_CFGR_PLLMULL;pllsource = RCC->CFGR & RCC_CFGR_PLLSRC;#ifndef STM32F10X_CL      pllmull = ( pllmull >> 18) + 2;if (pllsource == 0x00){/* HSI oscillator clock divided by 2 selected as PLL clock entry */SystemCoreClock = (HSI_VALUE >> 1) * pllmull;}else{#if defined (STM32F10X_LD_VL) || defined (STM32F10X_MD_VL) || (defined STM32F10X_HD_VL)prediv1factor = (RCC->CFGR2 & RCC_CFGR2_PREDIV1) + 1;/* HSE oscillator clock selected as PREDIV1 clock entry */SystemCoreClock = (HSE_VALUE / prediv1factor) * pllmull; #else/* HSE selected as PLL clock entry */if ((RCC->CFGR & RCC_CFGR_PLLXTPRE) != (uint32_t)RESET){/* HSE oscillator clock divided by 2 */SystemCoreClock = (HSE_VALUE >> 1) * pllmull;}else{SystemCoreClock = HSE_VALUE * pllmull;}#endif}
#elsepllmull = pllmull >> 18;if (pllmull != 0x0D){pllmull += 2;}else{ /* PLL multiplication factor = PLL input clock * 6.5 */pllmull = 13 / 2; }if (pllsource == 0x00){/* HSI oscillator clock divided by 2 selected as PLL clock entry */SystemCoreClock = (HSI_VALUE >> 1) * pllmull;}else{/* PREDIV1 selected as PLL clock entry *//* Get PREDIV1 clock source and division factor */prediv1source = RCC->CFGR2 & RCC_CFGR2_PREDIV1SRC;prediv1factor = (RCC->CFGR2 & RCC_CFGR2_PREDIV1) + 1;if (prediv1source == 0){ /* HSE oscillator clock selected as PREDIV1 clock entry */SystemCoreClock = (HSE_VALUE / prediv1factor) * pllmull;          }else{/* PLL2 clock selected as PREDIV1 clock entry *//* Get PREDIV2 division factor and PLL2 multiplication factor */prediv2factor = ((RCC->CFGR2 & RCC_CFGR2_PREDIV2) >> 4) + 1;pll2mull = ((RCC->CFGR2 & RCC_CFGR2_PLL2MUL) >> 8 ) + 2; SystemCoreClock = (((HSE_VALUE / prediv2factor) * pll2mull) / prediv1factor) * pllmull;                         }}
#endif /* STM32F10X_CL */ break;default:SystemCoreClock = HSI_VALUE;break;}/* Compute HCLK clock frequency ----------------*//* Get HCLK prescaler */tmp = AHBPrescTable[((RCC->CFGR & RCC_CFGR_HPRE) >> 4)];/* HCLK clock frequency */SystemCoreClock >>= tmp;  
}

总结

本文所述的设计方法，能够在外部晶振故障后自动切换到内部晶振，提高系统的可靠性与稳定性。注意，上述示例只在单片机启动时进行时钟源检测，因此，如果是处理运行时的突发时钟故障，需要设计配套的看门狗，在系统陷入异常状态后自动重启系统。

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