LPC1110/11/12/13/14/15 32 位 ARM Cortex - M0 微控制器：設計與應用指南

一、引言

在電子設計領域，微控制器是眾多項目的核心。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，在諸多應用場景中展現出強大的競爭力。本文將詳細介紹這款微控制器的特點、功能以及實際應用中的注意事項，為電子工程師們提供全面的設計參考。

文件下載：LPC1112FHN33103,5.pdf

二、產品概述

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 位微控制器應用而設計。相比現有的 8/16 位架構，它在性能、功耗、指令集和代碼大小等方面都有顯著優勢。該系列微控制器的 CPU 頻率最高可達 50 MHz，具備豐富的外設資源，包括多達 64 kB 的閃存、8 kB 的數據內存、I2C 總線接口、UART、SPI 接口、通用計數器/定時器、10 位 ADC 以及多達 42 個通用 I/O 引腳。

2.2 產品系列

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、窗口看門狗定時器和可配置的開漏模式等特點。

三、產品特性與優勢

3.1 系統特性

• ARM Cortex - M0 處理器：運行頻率最高可達 50 MHz，內置嵌套向量中斷控制器（NVIC），支持 32 個向量中斷，包括多達 13 個來自單個 GPIO 引腳的輸入到啟動邏輯。此外，LPC1100XL 系列還支持從多個輸入源選擇不可屏蔽中斷（NMI）輸入。
• 串行線調試：方便開發人員進行調試工作。
• 系統滴答定時器：可用于生成固定時間間隔的中斷。

3.2 內存特性

• 閃存：不同型號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。部分型號還支持 256 字節的頁面擦除功能。
• SRAM：總容量有 8 kB、4 kB、2 kB 或 1 kB 可選。
• 編程方式：支持通過片上引導加載程序軟件進行系統內編程（ISP）和應用內編程（IAP）。

3.3 數字外設特性

• 通用 I/O 引腳：多達 42 個通用 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，其中一個引腳具有 20 mA 的高電流輸出驅動能力，兩個 I2C 總線引腳在快速模式下具有 20 mA 的高電流灌電流驅動能力。
• 通用計數器/定時器：四個通用計數器/定時器，具有多達八個捕獲輸入和多達 13 個匹配輸出。
• 看門狗定時器：LPC1100 系列具有可編程看門狗定時器（WDT），LPC1100L 和 LPC1100XL 系列則具有可編程窗口看門狗定時器。

3.4 模擬外設特性

• 10 位 ADC：具有輸入多路復用功能，根據封裝大小可在 5、6 或 8 個引腳之間進行選擇。

3.5 串行接口特性

• UART：支持分數波特率生成、內部 FIFO 和 RS - 485 通信。
• SPI 控制器：LPC1100 和 LPC1100L 系列的 LQFP48 封裝包含兩個 SPI 控制器，其他封裝包含一個 SPI 控制器；LPC1100XL 系列包含兩個 SPI 控制器。這些控制器支持 SSP 功能，具有 FIFO 和多協議能力。
• I2C 總線接口：支持完整的 I2C 總線規范和快速模式 Plus，數據速率可達 1 Mbit/s，具有多地址識別和監控模式。

3.6 時鐘生成與電源控制特性

• 時鐘生成：包含 12 MHz 內部 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 的可編程看門狗振蕩器。PLL 允許 CPU 在無需高頻晶體的情況下以最大 CPU 速率運行，時鐘輸出功能可反映系統振蕩器時鐘、IRC 時鐘、CPU 時鐘和看門狗時鐘。
• 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，可通過簡單的函數調用優化性能和降低功耗。

四、應用領域

LPC1110/11/12/13/14/15 微控制器適用于多種應用場景，如電表、報警系統、照明和白色家電等。其高性能和低功耗的特點使其在這些領域中具有很大的優勢。

五、訂購信息

5.1 訂購類型與封裝

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用需求，工程師可以根據實際情況進行選擇。

5.2 訂購選項

訂購選項表詳細列出了不同型號的系列、閃存容量、總 SRAM 大小、SPI 接口、ADC 通道、GPIO 數量、封裝形式、溫度范圍和電源配置文件等信息，方便工程師根據項目需求進行選型。

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 微控制器提供了強大的計算能力。

6.2 片上閃存程序存儲器和 SRAM

不同型號的微控制器具有不同容量的片上閃存和 SRAM，滿足了不同應用對存儲容量的需求。

6.3 內存映射

該系列微控制器的內存映射包含多個不同的區域，包括 AHB 外設區域、APB 外設區域、閃存、SRAM 和引導 ROM 等。這種內存映射結構有助于簡化外設的地址解碼。

6.4 嵌套向量中斷控制器（NVIC）

NVIC 是 Cortex - M0 的一個重要組成部分，它與 CPU 緊密耦合，可實現低中斷延遲和高效處理晚到的中斷。NVIC 支持 32 個向量中斷，每個外設設備都有一個中斷線連接到 NVIC，并且任何 GPIO 引腳都可以被編程為產生電平、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。通過配置寄存器控制多路復用器，可實現引腳與片上外設的連接。在激活外設和啟用相關中斷之前，應將外設連接到適當的引腳。

6.6 快速通用并行 I/O

未連接到特定外設功能的設備引腳由 GPIO 寄存器控制。這些引腳可以動態配置為輸入或輸出，多個輸出可以在一次寫操作中設置或清除。此外，任何提供數字功能的 GPIO 引腳都可以被編程為產生電平、上升沿或下降沿中斷。

6.7 UART

LPC1110/11/12/13/14/15 包含一個 UART，支持 RS - 485/9 位模式，具有分數波特率生成器、16 字節的接收和發送 FIFO 以及寄存器位置符合 16C550 行業標準等特點。

6.8 SPI 串行 I/O 控制器

不同系列的微控制器包含不同數量的 SPI 控制器，這些控制器支持 SSP 功能，可在 SSP、4 線 SSI 或 Microwire 總線上運行，支持全雙工傳輸，幀長為 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 I2C 總線控制器（LPC1112FDH20/102 除外），支持標準 I2C 總線規范和快速模式 Plus，具有多主機總線、仲裁和串行時鐘同步等功能。

6.10 10 位 ADC

ADC 是一個單通道 10 位逐次逼近型 ADC，具有八個通道，支持輸入多路復用、掉電模式、測量范圍為 0 V 至 VDD、10 位轉換時間≥2.44 μs（最高 400 kSamples/s）等特點。

6.11 通用外部事件計數器/定時器

包含兩個 32 位計數器/定時器和兩個 16 位計數器/定時器，可對系統派生時鐘的周期進行計數，并可根據四個匹配寄存器在指定的定時器值處生成中斷或執行其他操作。

6.12 系統滴答定時器

ARM Cortex - M0 包含一個系統滴答定時器（SYSTICK），用于在固定時間間隔（通常為 10 ms）生成專用的 SYSTICK 異常。

6.13 看門狗定時器

LPC1100 系列具有普通看門狗定時器，LPC1100L 和 LPC1100XL 系列具有窗口看門狗定時器。看門狗定時器的作用是在可選擇的時間周期內復位微控制器，以確保系統的可靠性。

6.14 時鐘和電源控制

• 晶體振蕩器：包含系統振蕩器、內部 RC 振蕩器和看門狗振蕩器，每個振蕩器可用于多種目的。復位后，微控制器將使用內部 RC 振蕩器運行，直到通過軟件切換到其他時鐘源。
• 系統 PLL：PLL 接受 10 MHz 至 25 MHz 的輸入時鐘頻率，可將輸入頻率倍增至高頻，輸出頻率必須低于 100 MHz。
• 時鐘輸出：微控制器具有時鐘輸出功能，可將 IRC 振蕩器、系統振蕩器、看門狗振蕩器或主時鐘路由到輸出引腳。
• 喚醒過程：上電或從深度掉電模式喚醒時，微控制器使用 12 MHz IRC 振蕩器作為時鐘源，以便快速恢復芯片操作。
• 電源控制：支持睡眠、深度睡眠和深度掉電三種低功耗模式，可通過改變時鐘源、重新配置 PLL 值和/或改變 CPU 時鐘分頻值來控制 CPU 時鐘速率，還可通過關閉單個片上外設的時鐘來精細調整功耗。

6.15 系統控制

• 啟動邏輯：將外部引腳連接到 NVIC 中的相應中斷，可作為外部中斷引腳，也可在芯片處于深度睡眠模式時喚醒芯片。
• 復位：復位源包括 RESET 引腳、看門狗復位、上電復位（POR）和欠壓檢測（BOD）電路。
• 欠壓檢測：可監測 VDD 引腳的電壓，當電壓低于選定的閾值時，BOD 會向 NVIC 發出中斷信號。
• 代碼安全（代碼讀取保護 - CRP）：允許用戶在系統中啟用不同級別的安全功能，限制對片上閃存的訪問以及串行線調試器（SWD）和系統內編程（ISP）的使用。
• APB 接口和 AHBLite：APB 外設位于一個 APB 總線上，AHBLite 連接 ARM Cortex - M0 的 CPU 總線與閃存、主靜態 RAM 和引導 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，啟動邏輯輸入也可作為外部中斷。

6.16 仿真和調試

微控制器集成了調試功能，支持具有四個斷點和兩個觀察點的串行線調試。

七、電氣特性

7.1 限制值

文檔中詳細列出了微控制器的各種限制值，包括電源電壓、輸入電壓、供應電流、接地電流、閂鎖電流、存儲溫度、最大結溫、總功耗和靜電放電電壓等。在設計過程中，必須確保微控制器的工作條件在這些限制值范圍內，以保證其正常運行和可靠性。

7.2 熱特性

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

7.3 靜態特性

不同系列（LPC1100、LPC1100L 和 LPC1100XL）的微控制器具有不同的靜態特性，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，工程師在設計時需要根據實際需求進行選擇。

7.4 動態特性

動態特性包括電源上升斜坡條件、閃存存儲器特性、外部時鐘特性、內部振蕩器特性、I/O 引腳特性、I2C 總線特性和 SPI 接口特性等。了解這些動態特性對于確保微控制器在不同工作條件下的穩定性和可靠性非常重要。

八、應用信息

8.1 ADC 使用注意事項

為了在嘈雜環境中提高 ADC 的性能，應確保 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關數字信號和嘈雜電源線的干擾，對電源線進行充分濾波，并在 ADC 轉換期間將設備置于睡眠模式。

8.2 ADC 輸入觸發信號的使用

對于使用觸發信號啟動轉換并需要精確采樣頻率的應用，應確保觸發信號的周期是 ADC 時鐘周期的整數倍。

8.3 XTAL 輸入

片上振蕩器的輸入電壓限制為 1.8 V。在從時鐘源驅動振蕩器時，建議通過一個 100 pF 的電容進行耦合，并選擇一個額外的接地電容來衰減輸入電壓。

8.4 XTAL 印刷電路板（PCB）布局指南

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

8.5 標準 I/O 焊盤配置

標準 I/O 引腳具有多種可能的模式，包括數字輸出驅動、數字輸入（上拉/下拉啟用/禁用、中繼器模式啟用/禁用）、數字輸出（偽開漏模式啟用/禁用）和模擬輸入。

8.6 復位焊盤配置

復位引腳具有 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 TEM - cell 方法對 LPC1114FBD48/302 進行的輻射發射測量表明，該微控制器在不同的系統時鐘頻率和輸入時鐘源下具有一定的電磁兼容性。

8.8 ADC 有效輸入阻抗

可以使用簡化的 ADC 輸入通道圖來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。文檔詳細給出了每種封裝的尺寸、引腳配置和相關參考信息。

9.2 焊接信息

針對不同的封裝形式，文檔提供了相應的回流焊接信息，包括焊盤尺寸、占位面積和焊接精度等，以確保焊接質量。

十、總結

LPC1110/11/12/13/14/15 32 位 ARM Cortex - M0 微控制器具有高性能、低功耗、豐富的外設資源和多種封裝形式等優點，適用于多種應用場景。電子工程師在設計過程中，應根據項目需求合理選擇型號和封裝，同時注意電氣特性、應用信息和焊接要求等方面的問題，以確保設計的可靠性和穩定性。希望本文能為工程師們在使用這款微控制器時提供有益的參考。

在實際應用中，你是否遇到過類似微控制器的選型和設計難題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和