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使用信号频率分析仪 (SFA) 模块对 KW45/KW47/MCXW71/MCXW72 进行时钟测量

使用信号频率分析仪（SFA）测量FRO 6M频率

概述

信号频率分析仪（Signal Frequency Analyzer，SFA）是恩智浦（NXP）KW45、MCXW71、KW47 和 MCXW72 微控制器中提供的一种专用硬件外设。它旨在为数字信号特性（包括频率、周期和定时间隔）提供精确的实时测量和分析。这使得它成为需要精确定时诊断、信号验证和系统调试的应用程序的宝贵工具。

通过利用内部 32 位计数器和可配置的触发机制，SFA 能够高分辨率地捕获信号跳变，支持强大的系统监控和故障检测。

SFA 的功能特性

此SFA模块支持下列测量：

• 被测时钟 (CUT) 的时钟信号频率
• 时钟信号周期

它使用两个 32 位计数器运行：

• 一个用于参考时钟 (REF)
• 一个用于受测时钟 (CUT)

测量是通过比较两个时钟的计数进行的，直到达到预定的目标值。

FRO 6M 频率故障场景

在某些情况下，6 MHz 自由运行振荡器 (FRO6M)可能会偶尔输出不正确的频率：

• 当设备退出复位状态时
• 当设备从低功耗电源模式唤醒时

为减轻因不正确的 FRO6M 输出而导致的潜在问题，应用程序开发人员有责任验证振荡器的频率，并在需要时采取纠正措施。

使用 SFA 监控 FRO 6M

要监控 FRO6M 信号，建议采用以下配置：

SFA 配置参数

• 参考时钟（REF）：CPU 时钟（例如，96 MHz）
• 被测时钟 (CUT)：FRO6M 通过 CLKOUT 路由
• 中断模式：启用异步测量完成中断

代码实现

所展示的函数旨在在用户应用程序中实现，内部函数是恩智浦 SDK 中 SFA 驱动程序实现的一部分。

它可在 MCXW71、MCXW72、KW45、KW47 上使用，只需确保

1. SFA 外设初始化 

void init_SFA_peripheral(void)
{

	/* Enable SFA interrupt. */
    EnableIRQ(SFA_IRQn);

    /* Set SFA interrupt priority. */
    NVIC_SetPriority(SFA_IRQn, 1);

    SFA_Init(DEMO_SFA_BASEADDR);
    SFA_InstallCallback(DEMO_SFA_BASEADDR, EXAMPLE_SFA_CALLBACK);
}

2. SFA 回调函数

void EXAMPLE_SFA_CALLBACK(status_t status)
{
    if (status == kStatus_SFA_MeasurementCompleted)
    {
        SfaMeasureFinished = true;
    }

    sfa_callback_status = status;
}

3. 频率测量功能

此函数使用 CPU 时钟作为参考来设置 FRO6M 信号的测量。

uint8_t SFA_freq_measurement_6M_FRO(void)
{
	uint8_t ratio = 0;
    uint32_t freq = 0UL;
    sfa_config_t config;
    CLOCK_SetClkOutSel(kClockClkoutSelSirc);    //set clokout to SIRC
    SFA_GetDefaultConfig(&config);              //Get SFA default config
    config.mode         = kSFA_FrequencyMeasurement0;
    config.refSelect =  kSFA_REFSelect1;        //Set CPU clk as ref clk
    config.cutSelect = kSFA_CUTSelect1;         //Set clkout as CUT
	config.refTarget    = 0xFFFFFFUL;
	config.cutTarget    = 0xFFFFUL;
	config.enableCUTPin = true;
	freq = get_ref_freq_value(CPU_CLK);
    SFA_SetMeasureConfig(DEMO_SFA_BASEADDR, &config);
    SFA_MeasureNonBlocking(DEMO_SFA_BASEADDR);
    while (1)
    {
        if (SfaMeasureFinished)
        {
            SfaMeasureFinished = false;
        	if(kStatus_SFA_MeasurementCompleted == sfa_callback_status)
        	{
				freq               = SFA_CalculateFrequencyOrPeriod(DEMO_SFA_BASEADDR, freq);//Calculate the FRO freq
				if(FREQ_6MHZ + TOLERANCE <= freq )
				{
					ratio = 1;
				}
				else
				{
					if(FREQ_3MHZ + TOLERANCE <= freq)
					{
						ratio = 2;
					}
					else
					{
						if(FREQ_2MHZ + TOLERANCE <= freq)
						{
							ratio = 3;
						}
						else
						{
							ratio = 4;
						}
					}
				}
				break;
        	}

        }
        else
        {
            __WFI();
        }
    }
    return ratio;
}

结果解释与使用

在添加上述函数后测试 FRO 6M，可在执行以下操作后测试 FRO：

• init_SFA_peripheral ();
• SFA_freq_measurement_6M_FRO();

函数 SFA_freq_measurement_6M_FRO() 返回测量的 FRO6M 频率比，通过该比率可以了解 6M FRO 的当前频率输出，比率 1 表示 FRO 正在输出 6M，比率 2 表示 FRO 的频率输出减半，即 FRO 正在输出 3 MHz，比率 3 表示 FRO 的输出频率被削减了三分之一，结果为 2 MHz 频率输出。
有了这些信息，您可以：

• 如果 FRO6M 频率不正确，调整外设时钟（如果使用了分频器，这可以通过修改外设分频器来实现）。
• 触发纠正措施，例如切换到备用时钟源

FRO6M 输出频率较低时重新配置外设时钟的步骤

1. 检测故障的 FRO6M 输出

按照前面所述使用 SFA 测量来确定 FRO6M 是否在其预期频率（6 MHz）以下运行。如果结果明显较低，则继续重新配置。

2. 选择备用时钟源

大多数恩智浦微控制器提供多个内部和外部时钟源。常见的替代选项包括：

• FRO 192M
• OSC RF 32M
• SysOsc
• RTC OSC

选择一个符合以下条件的时钟源：

• 稳定
• 在当前电源模式下可用
• 与外设的时序要求兼容
• 如果需要，您可以增加时钟分频器，使频率较高的时钟达到某个较低的频率。

3. 重新配置外设时钟源

使用 SDK 的 CLOCK_Set... API 来更改时钟源。

您可能还需要：

• 调整分频器以匹配所需的波特率或时序
• 使用新的时钟设置重新初始化外设

示例场景：测量 FRO 并根据频率比调整 UART

假设您的应用程序依赖于 6 MHz 自由运行振荡器（Free Running Oscillator，FRO），且其精度直接影响 UART 通信。为确保可靠运行，您可以使用系统频率调整（System Frequency Adjustment，SFA）功能来监控 FRO 输出，并动态调整 UART 配置。

使用推荐方法测量 6 MHz FRO 后，系统会返回一个频率比值。该值的范围为 1 到 4，其中：

• 1 表示频率在预期范围内（无问题），
• 2 到 4 表示与预期频率存在不同程度的偏差。

使用该比率，您可以初始化和配置 UART 外设及其驱动程序，以补偿任何频率变化，确保稳定且准确的通信。

 */
int main(void)
{
    BOARD_InitHardware();
    uint8_t ch = 0;
    uint8_t FRO_ratio = 0;
    init_SFA_peripheral();
    /*Measure FRO6M output frequency*/
    FRO_ratio = SFA_freq_measurment_6M_FRO();
    /*Init debug console and compensate in case a different frequency is output */
    if(0 == FRO_ratio)
    {
    	assert(0);//this user defined return value means something went wrong while measuring 6Mz FRO
    }
    uint32_t uartClkSrcFreq = BOARD_DEBUG_UART_CLK_FREQ/FRO_ratio;//Compensate the src frequency set for uart module
    CLOCK_EnableClock(kCLOCK_Lpuart1);	
    CLOCK_SetIpSrc(kCLOCK_Lpuart1, kCLOCK_IpSrcFro6M);
    DbgConsole_Init(BOARD_DEBUG_UART_INSTANCE, BOARD_DEBUG_UART_BAUDRATE, BOARD_DEBUG_UART_TYPE, uartClkSrcFreq);

......

}

SDK 25.0.00FRO6M 校准功能增强

为了解决6 MHz自由运行振荡器（FRO6M）已知的可靠性问题，尤其是在从低功耗电源模式过渡时，SDK 25.06.00 版本引入了一系列软件增强，旨在提升振荡器的验证和校准能力。

引入的关键特性

1. FRO6M 校准 API

为方便对 FRO6M 频率进行运行验证，新增了两个功能：

• PLATFORM_StartFro6MCalibration()
  通过启用周期计数器、捕获时间戳并准备使用 CPU 和基于 FRO6M 的时间戳计数器测量经过时间，来初始化校准过程。
• PLATFORM_EndFro6MCalibration()
  通过比较CPU周期测量的时间与FRO6M时间戳计数器完成校准。此比较确定振荡器是否在预期的 6 MHz 频率下运行，或者错误地锁定到较低的频率（例如 2 MHz）。结果被存储在全局比率变量（fwk_platform_FRO6MHz_ratio）中，供系统使用。

这些函数提供了一种轻量级且高效的机制，用于检测和响应振荡器异常行为，确保系统稳定性和时序精度。

2. 配置宏

• gPlatformEnableFro6MCalLowpower_d
  该宏用于在退出低功耗电源模式时自动启用 FRO6M 频率验证。定义后，系统将在恢复正常运行前调用校准函数来验证振荡器。

3. 默认集成

• 在 SDK 配置文件 fwk_config.h 中，该校准机制默认启用，确保所有应用程序无需手动设置即可受益于这一保护措施。

使用案例及优势

这些增强功能在以下应用中特别有价值：

• 精确的时序至关重要（例如无线通信、传感器采样）。
• 系统经常进入和退出低功耗状态。
• 必须保证时钟源完整性，以避免外设异常行为或时序故障。

通过集成这些校准例程，开发人员可以主动检测和纠正 FRO6M 频率异常，提高整体系统鲁棒性，并降低因时钟不稳定导致的运行时错误风险。