深入剖析LPC1315/16/17/45/46/47：32位ARM Cortex - M3微控制器的卓越之選

在嵌入式應用領域，一款性能優越、功能豐富且功耗低的微控制器至關重要。NXP的LPC1315/16/17/45/46/47系列32位ARM Cortex - M3微控制器就是這樣的佼佼者，下面我們就來深入了解一下它。

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一、總體概述

LPC1315/16/17/45/46/47專為嵌入式應用設計，具有高度集成和低功耗的特點。其采用的ARM Cortex - M3內核是下一代核心，具備增強的調試功能和更高水平的支持塊集成，最高可運行在72MHz的CPU頻率下。該內核采用3級流水線和哈佛架構，擁有獨立的本地指令和數據總線以及用于外設的第三總線，還包含支持推測分支的內部預取單元。此外，LPC1345/46/47還配備了高度靈活且可配置的全速USB 2.0設備控制器，為當今對連接性要求苛刻的解決方案帶來了無與倫比的設計靈活性和無縫集成能力。

二、特性與優勢

（一）系統方面

• 高性能處理器：采用ARM Cortex - M3 r2p1處理器，最高運行頻率可達72MHz，能滿足大多數嵌入式應用的處理需求。
• 高效中斷控制：內置嵌套向量中斷控制器（NVIC），支持多達32個向量中斷，具有8個可編程中斷優先級級別和硬件優先級級別屏蔽功能，還支持軟件中斷生成，可實現低中斷延遲和高效的后期中斷處理。
• 多樣化中斷源：非屏蔽中斷（NMI）輸入可從多個輸入源中選擇，系統滴答定時器提供穩定的時間基準。

（二）存儲方面

• 大容量閃存：片上閃存程序存儲器最高可達64kB，采用256字節頁擦除功能，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），還支持通過USB進行閃存更新。
• 可靠EEPROM：片上EEPROM數據存儲器為2kB或4kB，可通過IAP進行編程，提供可靠的數據存儲。
• 靈活SRAM：片上靜態RAM存儲器總量為8kB、10kB或12kB，滿足不同應用的數據存儲需求。
• 豐富ROM功能：片上ROM包含引導加載程序和多種應用編程接口（API），如ISP和IAP支持、EEPROM支持、USB API（僅LPC1345/46/47）、電源配置文件以及通過USB進行閃存更新支持（僅LPC1345/46/47）。

（三）調試方面

提供標準JTAG測試接口、串行線調試（SWD）以及對ETM ARM Cortex - M3調試時間戳的支持，方便開發人員進行調試工作。

（四）數字外設方面

• 多功能GPIO：多達51個通用輸入/輸出（GPIO）引腳，具有可配置的上拉/下拉電阻、中繼器模式、輸入反相器和偽開漏模式。其中8個引腳支持可編程毛刺濾波器，8個GPIO引腳可選擇作為邊沿和電平敏感中斷源，兩個GPIO分組中斷模塊可根據一組GPIO引腳的可編程輸入狀態模式產生中斷。此外，P0_7引腳具有20mA的高電流源輸出驅動能力，P0_4和P0_5引腳具有20mA的高電流灌電流驅動能力。
• 強大定時器：四個通用計數器/定時器，共有多達8個捕獲輸入和13個匹配輸出，可用于精確的定時和計數操作。
• 可靠看門狗：可編程窗口看門狗定時器（WWDT）帶有內部低功耗看門狗振蕩器（WDO），可在軟件出現故障時及時復位控制器。
• 重復中斷定時器：重復中斷定時器（RI Timer）提供一個自由運行的48位計數器，可在達到設定值時產生中斷，用于創建預定間隔的中斷。

（五）模擬外設方面

12位ADC具有8個輸入通道，采樣率最高可達500kSamples/s，可滿足多種模擬信號采集需求。

（六）串行接口方面

• USB接口：僅LPC1345/46/47具備全速USB 2.0設備控制器，帶有片上基于ROM的USB驅動庫，支持12Mbit/s的數據交換，具有專用USB PLL，完全符合USB 2.0規范，支持10個物理（5個邏輯）端點，包括一個控制端點，支持單緩沖和雙緩沖，每個非控制端點支持批量、中斷或等時端點類型，支持從深度睡眠模式和掉電模式喚醒以及遠程喚醒，還支持SoftConnect和鏈路電源管理（LPM）。
• USART接口：包含一個USART，具有全調制解調器控制、同步模式支持和智能卡接口，采用分數波特率發生器，標準波特率如115200Bd可在任何高于2MHz的晶體頻率下實現，最大數據比特率可達3.125Mbit/s，具有16字節的接收和發送FIFO，寄存器位置符合16C550行業標準，支持RS - 485/9位模式和同步模式，還包括異步智能卡接口（ISO 7816 - 3）。
• SSP接口：兩個SSP控制器，能夠在SSP、4線SSI或Microwire總線上運行，支持全雙工傳輸，幀數據長度為4位到16位，最大SSP速度在主模式下可達25Mbit/s，從模式下可達4.17Mbit/s，兼容Motorola SPI、4線Texas Instruments SSI和National Semiconductor Microwire總線。
• I2C接口：一個I2C總線控制器，支持I2C總線規范，包括標準模式、快速模式和快速模式Plus，數據速率最高可達1Mbit/s，支持多地址識別和總線監控模式，易于配置為主機、從機或主/從模式，可編程時鐘允許靈活的速率控制，支持雙向數據傳輸和多主機總線操作，具有仲裁和串行時鐘同步功能。

（七）時鐘生成方面

• 多振蕩器支持：包含系統振蕩器、內部RC振蕩器（IRC）和看門狗振蕩器三個獨立振蕩器。IRC標稱頻率為12MHz，在整個電壓和溫度范圍內精度為1%，可作為WDT和系統PLL的時鐘源；系統振蕩器工作頻率為1MHz至25MHz，可用于CPU時鐘，LPC1345/46/47的USB時鐘必須由系統振蕩器提供；看門狗振蕩器標稱頻率可編程在9.4kHz至2.3MHz之間，可直接驅動CPU、看門狗定時器或CLKOUT引腳。
• PLL功能：包含一個系統PLL和一個專用的USB PLL，用于生成48MHz的USB時鐘。PLL輸入時鐘頻率范圍為10MHz至25MHz，通過電流控制振蕩器（CCO）將輸入頻率倍頻，輸出頻率可通過輸出分頻器設置為2、4、8或16分頻，輸出頻率必須低于100MHz，PLL在芯片復位后關閉并旁路，可通過軟件啟用。
• 時鐘輸出功能：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。

（八）電源控制方面

支持四種特殊的處理器功耗降低模式：睡眠模式、深度睡眠模式、掉電模式和深度掉電模式。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，以實現功耗與處理速度的權衡。還提供一個寄存器用于關閉單個片上外設的時鐘，實現精細的功耗調整。此外，通過簡單調用電源配置文件，可針對應用優化活動和睡眠模式下的功耗，包括默認模式、CPU性能模式、效率模式和低電流模式。

三、應用領域

該系列微控制器適用于多種應用領域，如消費外設、醫療設備、工業控制、手持掃描儀和USB音頻設備等。

四、訂購信息

提供多種封裝類型，包括HVQFN33、LQFP48和LQFP64，不同型號在閃存、SRAM、EEPROM容量以及是否具備USB設備功能等方面存在差異，工程師可根據具體需求進行選擇。

五、引腳信息

詳細介紹了不同封裝類型下各引腳的功能和描述，包括復位引腳、通用I/O引腳、時鐘引腳、通信引腳等，為硬件設計提供了明確的指導。

六、功能描述

（一）片上閃存編程存儲器

閃存可通過ISP或IAP進行編程，支持通過USB進行更新，閃存被劃分為4kB的扇區，每個扇區包含16個256字節的頁面，可使用IAP擦除頁面命令擦除單個頁面。

（二）EEPROM

可通過IAP進行編程，提供可靠的數據存儲。

（三）SRAM

為系統運行提供數據存儲空間。

（四）片上ROM

包含引導加載程序和多種API，為系統開發提供支持。

（五）內存映射

具有多個不同的內存區域，包括AHB外設區域和APB外設區域，每個外設分配16kB的空間，簡化了地址解碼。

（六）嵌套向量中斷控制器（NVIC）

控制系統異常和外設中斷，支持多達32個向量中斷，具有8個可編程中斷優先級級別和硬件優先級級別屏蔽功能，支持軟件中斷生成。

（七）IOCON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，實現引腳與片上外設的連接。

（八）通用輸入/輸出GPIO

未連接到特定外設功能的設備引腳由GPIO寄存器控制，引腳可動態配置為輸入或輸出，多個輸出可在一次寫操作中設置或清除，支持加速GPIO功能，整個端口值可在一條指令中寫入，任何提供數字功能的GPIO引腳都可編程為在電平、上升沿、下降沿或兩者上產生中斷。

（九）USB接口

僅LPC1345/46/47具備，為設備提供了強大的USB通信能力。

（十）USART

具有豐富的功能，可滿足多種通信需求。

（十一）SSP串行I/O控制器

支持多種總線協議，實現與多個主設備和從設備的通信。

（十二）I2C - 總線串行I/O控制器

支持I2C總線的多種模式，實現設備間的高效通信。

（十三）12位ADC

具有高精度和高采樣率，可用于模擬信號采集。

（十四）通用外部事件計數器/定時器

可用于精確的定時和計數操作。

（十五）重復中斷（RI）定時器

提供預定間隔的中斷。

（十六）系統滴答定時器

為系統提供穩定的時間基準。

（十七）窗口看門狗定時器（WWDT）

確保系統在軟件出現故障時能及時復位。

（十八）時鐘和電源控制

提供多種時鐘源和電源控制模式，實現系統的高效運行和低功耗。

七、限制值和特性

（一）限制值

規定了電源電壓、輸入電壓、電流、溫度等參數的限制范圍，確保設備在安全的工作條件下運行。

（二）靜態特性

詳細描述了電源電壓、電源電流、輸入輸出電壓和電流等靜態參數，為電路設計提供了重要參考。

（三）BOD靜態特性

介紹了欠壓檢測（BOD）的閾值電壓和中斷級別，可用于監測電源電壓并在電壓異常時采取相應措施。

（四）功耗

給出了不同工作模式下的功耗數據，幫助工程師優化系統功耗。

（五）電氣引腳特性

描述了引腳的電氣特性，如輸出電壓、電流、上升時間、下降時間等。

（六）動態特性

包括閃存/EEPROM存儲器、外部時鐘、內部振蕩器、I/O引腳、I2C - 總線、SSP接口等的動態特性，為系統的時序設計提供了依據。

（七）ADC電氣特性

詳細說明了ADC的各項參數，如模擬輸入電壓、電容、誤差等，確保ADC的高精度采集。

八、應用信息

（一）建議的USB接口解決方案

提供了自供電設備和總線供電設備的USB接口電路示例，為USB接口設計提供了參考。

（二）XTAL輸入

介紹了片上振蕩器的輸入電壓限制和外部組件的選擇，確保振蕩器的穩定運行。

（三）XTAL印刷電路板（PCB）布局指南

強調了晶體與芯片引腳的連接距離、負載電容的接地方式以及PCB布局的噪聲控制等要點，提高系統的穩定性。

（四）標準I/O焊盤配置

展示了標準I/O引腳的可能模式，包括數字輸出驅動、數字輸入的上拉/下拉配置、模擬輸入等。

（五）復位焊盤配置

說明了復位引腳的配置方式，確保系統的可靠復位。

（六）ADC使用注意事項

提供了在嘈雜環境中提高ADC性能的指導，如縮短ADC輸入走線、屏蔽數字信號和電源噪聲、濾波電源等。

九、封裝和焊接

（一）封裝概述

介紹了HVQFN33、LQFP48和LQFP64三種封裝的尺寸和特點。

（二）焊接信息

提供了不同封裝的回流焊接腳印信息，為焊接工藝提供了指導。

十、總結

LPC1315/16/17/45/46/47系列32位ARM Cortex - M3微控制器以其豐富的功能、高性能和低功耗的特點，為嵌入式應用提供了一個優秀的解決方案。無論是在消費電子、工業控制還是醫療設備等領域，都能發揮其優勢。工程師在設計過程中，可根據具體需求合理選擇型號和封裝，充分利用其特性，開發出高效、穩定的嵌入式系統。同時，在實際應用中，還需注意各項參數和特性的細節，確保系統的可靠性和性能。大家在使用這款微控制器的過程中，有沒有遇到過一些有趣的問題或者獨特的應用場景呢？歡迎在評論區分享交流。