LPC1110/11/12/13/14/15 32 位 ARM Cortex - M0 微控制器：設(shè)計(jì)與應(yīng)用指南

一、引言

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，微控制器是眾多項(xiàng)目的核心。NXP 推出的 LPC1110/11/12/13/14/15 32 位 ARM Cortex - M0 微控制器憑借其高性能、低功耗等特性，在諸多應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。本文將詳細(xì)介紹這款微控制器的特點(diǎn)、功能以及實(shí)際應(yīng)用中的注意事項(xiàng)，為電子工程師們提供全面的設(shè)計(jì)參考。

文件下載：LPC1112FHN33103,5.pdf

二、產(chǎn)品概述

2.1 總體描述

LPC1110/11/12/13/14/15 是基于 ARM Cortex - M0 的低成本 32 位 MCU 系列，專為 8/16 位微控制器應(yīng)用而設(shè)計(jì)。相比現(xiàn)有的 8/16 位架構(gòu)，它在性能、功耗、指令集和代碼大小等方面都有顯著優(yōu)勢(shì)。該系列微控制器的 CPU 頻率最高可達(dá) 50 MHz，具備豐富的外設(shè)資源，包括多達(dá) 64 kB 的閃存、8 kB 的數(shù)據(jù)內(nèi)存、I2C 總線接口、UART、SPI 接口、通用計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、10 位 ADC 以及多達(dá) 42 個(gè)通用 I/O 引腳。

2.2 產(chǎn)品系列

LPC111x 系列包含 LPC1100 系列、LPC1100L 系列和 LPC1100XL 系列。其中，LPC1100L 和 LPC1100XL 系列具有電源配置文件、窗口看門(mén)狗定時(shí)器和可配置的開(kāi)漏模式等特點(diǎn)。

三、產(chǎn)品特性與優(yōu)勢(shì)

3.1 系統(tǒng)特性

• ARM Cortex - M0 處理器：運(yùn)行頻率最高可達(dá) 50 MHz，內(nèi)置嵌套向量中斷控制器（NVIC），支持 32 個(gè)向量中斷，包括多達(dá) 13 個(gè)來(lái)自單個(gè) GPIO 引腳的輸入到啟動(dòng)邏輯。此外，LPC1100XL 系列還支持從多個(gè)輸入源選擇不可屏蔽中斷（NMI）輸入。
• 串行線調(diào)試：方便開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行調(diào)試工作。
• 系統(tǒng)滴答定時(shí)器：可用于生成固定時(shí)間間隔的中斷。

3.2 內(nèi)存特性

• 閃存：不同型號(hào)的閃存容量有所不同，包括 64 kB（LPC1115）、56 kB（LPC1114/333）、48 kB（LPC1114/323）等多種選擇。部分型號(hào)還支持 256 字節(jié)的頁(yè)面擦除功能。
• SRAM：總?cè)萘坑?8 kB、4 kB、2 kB 或 1 kB 可選。
• 編程方式：支持通過(guò)片上引導(dǎo)加載程序軟件進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)編程（ISP）和應(yīng)用內(nèi)編程（IAP）。

3.3 數(shù)字外設(shè)特性

• 通用 I/O 引腳：多達(dá) 42 個(gè)通用 I/O 引腳，可配置上拉/下拉電阻。LPC1100L 和 LPC1100XL 系列還支持可配置的開(kāi)漏模式。這些引腳可作為邊沿和電平敏感的中斷源，其中一個(gè)引腳具有 20 mA 的高電流輸出驅(qū)動(dòng)能力，兩個(gè) I2C 總線引腳在快速模式下具有 20 mA 的高電流灌電流驅(qū)動(dòng)能力。
• 通用計(jì)數(shù)器/定時(shí)器：四個(gè)通用計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，具有多達(dá)八個(gè)捕獲輸入和多達(dá) 13 個(gè)匹配輸出。
• 看門(mén)狗定時(shí)器：LPC1100 系列具有可編程看門(mén)狗定時(shí)器（WDT），LPC1100L 和 LPC1100XL 系列則具有可編程窗口看門(mén)狗定時(shí)器。

3.4 模擬外設(shè)特性

• 10 位 ADC：具有輸入多路復(fù)用功能，根據(jù)封裝大小可在 5、6 或 8 個(gè)引腳之間進(jìn)行選擇。

3.5 串行接口特性

• UART：支持分?jǐn)?shù)波特率生成、內(nèi)部 FIFO 和 RS - 485 通信。
• SPI 控制器：LPC1100 和 LPC1100L 系列的 LQFP48 封裝包含兩個(gè) SPI 控制器，其他封裝包含一個(gè) SPI 控制器；LPC1100XL 系列包含兩個(gè) SPI 控制器。這些控制器支持 SSP 功能，具有 FIFO 和多協(xié)議能力。
• I2C 總線接口：支持完整的 I2C 總線規(guī)范和快速模式 Plus，數(shù)據(jù)速率可達(dá) 1 Mbit/s，具有多地址識(shí)別和監(jiān)控模式。

3.6 時(shí)鐘生成與電源控制特性

• 時(shí)鐘生成：包含 12 MHz 內(nèi)部 RC 振蕩器（精度為 1%）、工作范圍為 1 MHz 至 25 MHz 的晶體振蕩器和頻率范圍為 9.4 kHz 至 2.3 MHz 的可編程看門(mén)狗振蕩器。PLL 允許 CPU 在無(wú)需高頻晶體的情況下以最大 CPU 速率運(yùn)行，時(shí)鐘輸出功能可反映系統(tǒng)振蕩器時(shí)鐘、IRC 時(shí)鐘、CPU 時(shí)鐘和看門(mén)狗時(shí)鐘。
• 電源控制：集成電源管理單元（PMU），支持睡眠、深度睡眠和深度掉電三種低功耗模式。LPC1100L 和 LPC1100XL 系列還具有電源配置文件，可通過(guò)簡(jiǎn)單的函數(shù)調(diào)用優(yōu)化性能和降低功耗。

四、應(yīng)用領(lǐng)域

LPC1110/11/12/13/14/15 微控制器適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，如電表、報(bào)警系統(tǒng)、照明和白色家電等。其高性能和低功耗的特點(diǎn)使其在這些領(lǐng)域中具有很大的優(yōu)勢(shì)。

五、訂購(gòu)信息

5.1 訂購(gòu)類型與封裝

該系列微控制器提供多種封裝形式，包括 SO20、TSSOP20、TSSOP28、DIP28、HVQFN24/33、LQFP48 和 TFBGA48 等。不同的封裝適用于不同的應(yīng)用需求，工程師可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

5.2 訂購(gòu)選項(xiàng)

訂購(gòu)選項(xiàng)表詳細(xì)列出了不同型號(hào)的系列、閃存容量、總 SRAM 大小、SPI 接口、ADC 通道、GPIO 數(shù)量、封裝形式、溫度范圍和電源配置文件等信息，方便工程師根據(jù)項(xiàng)目需求進(jìn)行選型。

六、功能描述

6.1 ARM Cortex - M0 處理器

ARM Cortex - M0 是一款通用的 32 位微處理器，具有高性能和極低的功耗。它為 LPC1110/11/12/13/14/15 微控制器提供了強(qiáng)大的計(jì)算能力。

6.2 片上閃存程序存儲(chǔ)器和 SRAM

不同型號(hào)的微控制器具有不同容量的片上閃存和 SRAM，滿足了不同應(yīng)用對(duì)存儲(chǔ)容量的需求。

6.3 內(nèi)存映射

該系列微控制器的內(nèi)存映射包含多個(gè)不同的區(qū)域，包括 AHB 外設(shè)區(qū)域、APB 外設(shè)區(qū)域、閃存、SRAM 和引導(dǎo) ROM 等。這種內(nèi)存映射結(jié)構(gòu)有助于簡(jiǎn)化外設(shè)的地址解碼。

6.4 嵌套向量中斷控制器（NVIC）

NVIC 是 Cortex - M0 的一個(gè)重要組成部分，它與 CPU 緊密耦合，可實(shí)現(xiàn)低中斷延遲和高效處理晚到的中斷。NVIC 支持 32 個(gè)向量中斷，每個(gè)外設(shè)設(shè)備都有一個(gè)中斷線連接到 NVIC，并且任何 GPIO 引腳都可以被編程為產(chǎn)生電平、上升沿或下降沿中斷。

6.5 IOCONFIG 塊

IOCONFIG 塊允許微控制器的選定引腳具有多種功能。通過(guò)配置寄存器控制多路復(fù)用器，可實(shí)現(xiàn)引腳與片上外設(shè)的連接。在激活外設(shè)和啟用相關(guān)中斷之前，應(yīng)將外設(shè)連接到適當(dāng)?shù)囊_。

6.6 快速通用并行 I/O

未連接到特定外設(shè)功能的設(shè)備引腳由 GPIO 寄存器控制。這些引腳可以動(dòng)態(tài)配置為輸入或輸出，多個(gè)輸出可以在一次寫(xiě)操作中設(shè)置或清除。此外，任何提供數(shù)字功能的 GPIO 引腳都可以被編程為產(chǎn)生電平、上升沿或下降沿中斷。

6.7 UART

LPC1110/11/12/13/14/15 包含一個(gè) UART，支持 RS - 485/9 位模式，具有分?jǐn)?shù)波特率生成器、16 字節(jié)的接收和發(fā)送 FIFO 以及寄存器位置符合 16C550 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等特點(diǎn)。

6.8 SPI 串行 I/O 控制器

不同系列的微控制器包含不同數(shù)量的 SPI 控制器，這些控制器支持 SSP 功能，可在 SSP、4 線 SSI 或 Microwire 總線上運(yùn)行，支持全雙工傳輸，幀長(zhǎng)為 4 位至 16 位。

6.9 I2C 總線串行 I/O 控制器

該系列微控制器包含一個(gè) I2C 總線控制器（LPC1112FDH20/102 除外），支持標(biāo)準(zhǔn) I2C 總線規(guī)范和快速模式 Plus，具有多主機(jī)總線、仲裁和串行時(shí)鐘同步等功能。

6.10 10 位 ADC

ADC 是一個(gè)單通道 10 位逐次逼近型 ADC，具有八個(gè)通道，支持輸入多路復(fù)用、掉電模式、測(cè)量范圍為 0 V 至 VDD、10 位轉(zhuǎn)換時(shí)間≥2.44 μs（最高 400 kSamples/s）等特點(diǎn)。

6.11 通用外部事件計(jì)數(shù)器/定時(shí)器

包含兩個(gè) 32 位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器和兩個(gè) 16 位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，可對(duì)系統(tǒng)派生時(shí)鐘的周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，并可根據(jù)四個(gè)匹配寄存器在指定的定時(shí)器值處生成中斷或執(zhí)行其他操作。

6.12 系統(tǒng)滴答定時(shí)器

ARM Cortex - M0 包含一個(gè)系統(tǒng)滴答定時(shí)器（SYSTICK），用于在固定時(shí)間間隔（通常為 10 ms）生成專用的 SYSTICK 異常。

6.13 看門(mén)狗定時(shí)器

LPC1100 系列具有普通看門(mén)狗定時(shí)器，LPC1100L 和 LPC1100XL 系列具有窗口看門(mén)狗定時(shí)器?？撮T(mén)狗定時(shí)器的作用是在可選擇的時(shí)間周期內(nèi)復(fù)位微控制器，以確保系統(tǒng)的可靠性。

6.14 時(shí)鐘和電源控制

• 晶體振蕩器：包含系統(tǒng)振蕩器、內(nèi)部 RC 振蕩器和看門(mén)狗振蕩器，每個(gè)振蕩器可用于多種目的。復(fù)位后，微控制器將使用內(nèi)部 RC 振蕩器運(yùn)行，直到通過(guò)軟件切換到其他時(shí)鐘源。
• 系統(tǒng) PLL：PLL 接受 10 MHz 至 25 MHz 的輸入時(shí)鐘頻率，可將輸入頻率倍增至高頻，輸出頻率必須低于 100 MHz。
• 時(shí)鐘輸出：微控制器具有時(shí)鐘輸出功能，可將 IRC 振蕩器、系統(tǒng)振蕩器、看門(mén)狗振蕩器或主時(shí)鐘路由到輸出引腳。
• 喚醒過(guò)程：上電或從深度掉電模式喚醒時(shí)，微控制器使用 12 MHz IRC 振蕩器作為時(shí)鐘源，以便快速恢復(fù)芯片操作。
• 電源控制：支持睡眠、深度睡眠和深度掉電三種低功耗模式，可通過(guò)改變時(shí)鐘源、重新配置 PLL 值和/或改變 CPU 時(shí)鐘分頻值來(lái)控制 CPU 時(shí)鐘速率，還可通過(guò)關(guān)閉單個(gè)片上外設(shè)的時(shí)鐘來(lái)精細(xì)調(diào)整功耗。

6.15 系統(tǒng)控制

• 啟動(dòng)邏輯：將外部引腳連接到 NVIC 中的相應(yīng)中斷，可作為外部中斷引腳，也可在芯片處于深度睡眠模式時(shí)喚醒芯片。
• 復(fù)位：復(fù)位源包括 RESET 引腳、看門(mén)狗復(fù)位、上電復(fù)位（POR）和欠壓檢測(cè)（BOD）電路。
• 欠壓檢測(cè)：可監(jiān)測(cè) VDD 引腳的電壓，當(dāng)電壓低于選定的閾值時(shí)，BOD 會(huì)向 NVIC 發(fā)出中斷信號(hào)。
• 代碼安全（代碼讀取保護(hù) - CRP）：允許用戶在系統(tǒng)中啟用不同級(jí)別的安全功能，限制對(duì)片上閃存的訪問(wèn)以及串行線調(diào)試器（SWD）和系統(tǒng)內(nèi)編程（ISP）的使用。
• APB 接口和 AHBLite：APB 外設(shè)位于一個(gè) APB 總線上，AHBLite 連接 ARM Cortex - M0 的 CPU 總線與閃存、主靜態(tài) RAM 和引導(dǎo) ROM。
• 外部中斷輸入：所有 GPIO 引腳都可以是電平或邊沿敏感的中斷輸入，啟動(dòng)邏輯輸入也可作為外部中斷。

6.16 仿真和調(diào)試

微控制器集成了調(diào)試功能，支持具有四個(gè)斷點(diǎn)和兩個(gè)觀察點(diǎn)的串行線調(diào)試。

七、電氣特性

7.1 限制值

文檔中詳細(xì)列出了微控制器的各種限制值，包括電源電壓、輸入電壓、供應(yīng)電流、接地電流、閂鎖電流、存儲(chǔ)溫度、最大結(jié)溫、總功耗和靜電放電電壓等。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須確保微控制器的工作條件在這些限制值范圍內(nèi)，以保證其正常運(yùn)行和可靠性。

7.2 熱特性

可以使用公式 (T{j}= T{amb}+left(P{D} × R{th(j - a)}right)) 計(jì)算芯片的平均結(jié)溫，其中 (T{amb}) 是環(huán)境溫度，(R{th(j - a)}) 是封裝的結(jié)到環(huán)境熱阻，(P_{D}) 是內(nèi)部和 I/O 功耗的總和。

7.3 靜態(tài)特性

不同系列（LPC1100、LPC1100L 和 LPC1100XL）的微控制器具有不同的靜態(tài)特性，包括電源電壓、功耗、輸入輸出電流和電壓等。這些特性在不同的工作模式（如活動(dòng)模式、睡眠模式、深度睡眠模式和深度掉電模式）下有所不同，工程師在設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。

7.4 動(dòng)態(tài)特性

動(dòng)態(tài)特性包括電源上升斜坡條件、閃存存儲(chǔ)器特性、外部時(shí)鐘特性、內(nèi)部振蕩器特性、I/O 引腳特性、I2C 總線特性和 SPI 接口特性等。了解這些動(dòng)態(tài)特性對(duì)于確保微控制器在不同工作條件下的穩(wěn)定性和可靠性非常重要。

八、應(yīng)用信息

8.1 ADC 使用注意事項(xiàng)

為了在嘈雜環(huán)境中提高 ADC 的性能，應(yīng)確保 ADC 輸入走線短且盡可能靠近芯片，屏蔽 ADC 輸入走線免受快速開(kāi)關(guān)數(shù)字信號(hào)和嘈雜電源線的干擾，對(duì)電源線進(jìn)行充分濾波，并在 ADC 轉(zhuǎn)換期間將設(shè)備置于睡眠模式。

8.2 ADC 輸入觸發(fā)信號(hào)的使用

對(duì)于使用觸發(fā)信號(hào)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換并需要精確采樣頻率的應(yīng)用，應(yīng)確保觸發(fā)信號(hào)的周期是 ADC 時(shí)鐘周期的整數(shù)倍。

8.3 XTAL 輸入

片上振蕩器的輸入電壓限制為 1.8 V。在從時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)振蕩器時(shí)，建議通過(guò)一個(gè) 100 pF 的電容進(jìn)行耦合，并選擇一個(gè)額外的接地電容來(lái)衰減輸入電壓。

8.4 XTAL 印刷電路板（PCB）布局指南

晶體應(yīng)盡可能靠近芯片的振蕩器輸入和輸出引腳連接，負(fù)載電容和外部組件應(yīng)連接到公共接地平面，盡量減小環(huán)路面積以降低 PCB 耦合的噪聲，同時(shí)選擇較小的 (C{X 1}) 和 (C{X 2}) 值以適應(yīng) PCB 布局的寄生效應(yīng)。

8.5 標(biāo)準(zhǔn) I/O 焊盤(pán)配置

標(biāo)準(zhǔn) I/O 引腳具有多種可能的模式，包括數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)、數(shù)字輸入（上拉/下拉啟用/禁用、中繼器模式啟用/禁用）、數(shù)字輸出（偽開(kāi)漏模式啟用/禁用）和模擬輸入。

8.6 復(fù)位焊盤(pán)配置

復(fù)位引腳具有 20 ns 的毛刺濾波器，在深度掉電模式下，該引腳必須外部上拉。

8.7 電磁兼容性（EMC）

通過(guò) TEM - cell 方法對(duì) LPC1114FBD48/302 進(jìn)行的輻射發(fā)射測(cè)量表明，該微控制器在不同的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率和輸入時(shí)鐘源下具有一定的電磁兼容性。

8.8 ADC 有效輸入阻抗

可以使用簡(jiǎn)化的 ADC 輸入通道圖來(lái)確定外部電壓源看到的有效輸入阻抗，公式為 (R{in }=left(frac{1}{f{s} × C{ia}}+R{mux }+R{sw}right) | left(frac{1}{f{s} × C_{io}}right)) 。

九、封裝與焊接

9.1 封裝概述

LPC1110/11/12/13/14/15 微控制器提供多種封裝形式，包括 SO20、TSSOP20、TSSOP28、DIP28、HVQFN24/33、LQFP48 和 TFBGA48 等。文檔詳細(xì)給出了每種封裝的尺寸、引腳配置和相關(guān)參考信息。

9.2 焊接信息

針對(duì)不同的封裝形式，文檔提供了相應(yīng)的回流焊接信息，包括焊盤(pán)尺寸、占位面積和焊接精度等，以確保焊接質(zhì)量。

十、總結(jié)

LPC1110/11/12/13/14/15 32 位 ARM Cortex - M0 微控制器具有高性能、低功耗、豐富的外設(shè)資源和多種封裝形式等優(yōu)點(diǎn)，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景。電子工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目需求合理選擇型號(hào)和封裝，同時(shí)注意電氣特性、應(yīng)用信息和焊接要求等方面的問(wèn)題，以確保設(shè)計(jì)的可靠性和穩(wěn)定性。希望本文能為工程師們?cè)谑褂眠@款微控制器時(shí)提供有益的參考。

在實(shí)際應(yīng)用中，你是否遇到過(guò)類似微控制器的選型和設(shè)計(jì)難題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和