STM32L072xx：超低功耗32位MCU的卓越之選

在當(dāng)今的電子設(shè)計領(lǐng)域，超低功耗、高性能的微控制器（MCU）一直是工程師們追求的目標(biāo)。ST公司的STM32L072xx系列MCU以其出色的性能和豐富的功能，成為了眾多應(yīng)用場景的理想選擇。本文將深入介紹STM32L072xx的特點、功能和應(yīng)用，為電子工程師們提供全面的參考。

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一、引言

STM32L072xx系列MCU提供了10種不同的封裝類型，引腳從32到100不等。根據(jù)所選設(shè)備的不同，包含了不同的外設(shè)集，適用于廣泛的應(yīng)用場景，如燃氣/水表、工業(yè)傳感器、醫(yī)療保健和健身設(shè)備、遠程控制和用戶界面、PC外設(shè)、游戲、GPS設(shè)備、報警系統(tǒng)、有線和無線傳感器以及視頻對講機等。

二、設(shè)備概述

2.1 主要特性

STM32L072xx集成了通用串行總線（USB 2.0無晶振）的連接能力，以及高性能的Arm Cortex - M0+ 32位RISC內(nèi)核，工作頻率可達32 MHz。它還具備內(nèi)存保護單元（MPU）、高速嵌入式存儲器（高達192 Kbytes的Flash程序存儲器、6 Kbytes的數(shù)據(jù)EEPROM和20 Kbytes的RAM），以及大量增強型I/O和外設(shè)。

2.2 超低功耗特性

該系列MCU通過多種內(nèi)部和外部時鐘源、內(nèi)部電壓自適應(yīng)以及多種低功耗模式，實現(xiàn)了高功率效率。它提供了七種低功耗模式，包括睡眠模式、低功耗運行模式、低功耗睡眠模式、帶RTC的停止模式、不帶RTC的停止模式、帶RTC的待機模式和不帶RTC的待機模式，能夠在低功耗、短啟動時間和可用喚醒源之間實現(xiàn)最佳平衡。

三、功能概述

3.1 低功耗模式

• 動態(tài)電壓縮放：支持動態(tài)電壓縮放，可根據(jù)系統(tǒng)的最大工作頻率和外部電壓供應(yīng)調(diào)整內(nèi)部低壓降穩(wěn)壓器的電壓，優(yōu)化運行模式下的功耗。
• 七種低功耗模式：不同的低功耗模式適用于不同的應(yīng)用場景，例如睡眠模式下僅CPU停止，外設(shè)繼續(xù)運行；低功耗運行模式通過設(shè)置多速內(nèi)部（MSI）RC振蕩器為低速時鐘、從SRAM或Flash存儲器執(zhí)行代碼以及將內(nèi)部穩(wěn)壓器設(shè)置為低功耗模式來實現(xiàn)低功耗。

3.2 互連矩陣

多個外設(shè)直接互連，允許外設(shè)之間進行自主通信，節(jié)省CPU資源和功耗，并且這些硬件連接具有快速和可預(yù)測的延遲。

3.3 Arm Cortex - M0+內(nèi)核與MPU

Cortex - M0+處理器是一款入門級32位Arm Cortex處理器，具有簡單的架構(gòu)、超低功耗、出色的代碼密度、確定性的高性能中斷處理、與Cortex - M處理器家族的向上兼容性以及集成的內(nèi)存保護單元（MPU），提供了卓越的性能和安全性。

3.4 復(fù)位和電源管理

• 電源供應(yīng)方案：提供多種電源供應(yīng)，包括外部主電源（VDD）、外部模擬電源（VDDA）和USB收發(fā)器電源（VDD_USB）。
• 電源供應(yīng)監(jiān)控器：集成了零功耗上電復(fù)位（POR）/掉電復(fù)位（PDR）和欠壓復(fù)位（BOR）電路，以及可編程電壓檢測器（PVD），可監(jiān)控電源供應(yīng)并在電壓異常時產(chǎn)生中斷。
• 電壓調(diào)節(jié)器：調(diào)節(jié)器有主（MR）、低功率（LPR）和掉電三種工作模式，分別適用于運行模式、低功耗運行/睡眠/停止模式和待機模式。

3.5 時鐘管理

時鐘控制器可將來自不同振蕩器的時鐘分配給內(nèi)核和外設(shè)，支持時鐘預(yù)分頻、安全時鐘切換和時鐘門控，以降低功耗。系統(tǒng)時鐘源可選擇1 - 25 MHz的高速外部晶體（HSE）、16 MHz的高速內(nèi)部RC振蕩器（HSI）或多速內(nèi)部RC振蕩器（MSI）；輔助時鐘源可選擇32.768 kHz的低速外部晶體（LSE）或37 kHz的低速內(nèi)部RC（LSI）；RTC時鐘源可選擇LSI、LSE或HSE；USB時鐘源由48 MHz的時鐘提供。

3.6 低功耗實時時鐘和備份寄存器

實時時鐘（RTC）和5個備份寄存器在所有模式（包括待機模式）下都能供電。RTC是一個獨立的BCD定時器/計數(shù)器，具有日歷功能、可編程鬧鐘、周期性喚醒、實時校正、參考時鐘檢測、數(shù)字校準(zhǔn)、防篡改檢測和時間戳等功能。

3.7 通用輸入/輸出（GPIOs）

每個GPIO引腳可通過軟件配置為輸出（推挽或開漏）、輸入（帶或不帶上拉或下拉）或外設(shè)備用功能。大多數(shù)GPIO引腳與數(shù)字或模擬備用功能共享，并可通過專用備用功能寄存器單獨重映射。所有GPIOs都具有高電流能力，輸出速度可調(diào)節(jié)。

3.8 存儲器

• SRAM：20 Kbytes的嵌入式SRAM可在CPU時鐘速度下以0等待狀態(tài)進行讀寫操作。
• 非易失性存儲器：分為三個陣列，包括64、128或192 Kbytes的嵌入式Flash程序存儲器、6 Kbytes的數(shù)據(jù)EEPROM和包含32個用戶和工廠選項字節(jié)以及8 Kbytes系統(tǒng)存儲器的信息塊。Flash程序和數(shù)據(jù)EEPROM分為兩個存儲體，允許在一個存儲體中寫入數(shù)據(jù)的同時從另一個存儲體運行代碼或讀取數(shù)據(jù)。
• 防火墻：保護部分代碼/數(shù)據(jù)不被受保護區(qū)域外執(zhí)行的代碼訪問。
• ECC功能：整個非易失性存儲器嵌入了錯誤校正碼（ECC）功能。

3.9 啟動模式

啟動時，通過BOOT0引腳和nBOOT1選項位選擇三種啟動選項：從Flash存儲器啟動、從系統(tǒng)存儲器啟動或從嵌入式RAM啟動。

3.10 直接內(nèi)存訪問（DMA）

靈活的7通道通用DMA能夠管理內(nèi)存到內(nèi)存、外設(shè)到內(nèi)存和內(nèi)存到外設(shè)的傳輸，支持循環(huán)緩沖區(qū)管理，避免了控制器到達緩沖區(qū)末尾時產(chǎn)生中斷。

3.11 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）

內(nèi)置一個12位（通過硬件過采樣可擴展到16位）的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有多達16個外部通道和3個內(nèi)部通道（溫度傳感器、電壓參考）。ADC可在單觸發(fā)或掃描模式下執(zhí)行轉(zhuǎn)換，頻率獨立于CPU頻率，具有低功耗和自動關(guān)機功能，支持硬件過采樣和模擬看門狗功能，可由DMA控制器服務(wù)。

3.12 溫度傳感器

溫度傳感器產(chǎn)生與溫度線性變化的電壓，內(nèi)部連接到ADC_IN18輸入通道。每個設(shè)備都經(jīng)過ST的工廠校準(zhǔn)，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲在系統(tǒng)存儲器區(qū)域。

3.13 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）

兩個12位緩沖DAC可將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號輸出，支持多種功能，如數(shù)據(jù)保持寄存器、數(shù)據(jù)對齊、同步更新、噪聲波和三角波生成、雙DAC通道獨立或同時轉(zhuǎn)換、DMA能力、外部觸發(fā)轉(zhuǎn)換和輸入?yún)⒖茧妷旱取?/p>

3.14 超低功耗比較器和參考電壓

嵌入兩個比較器，共享相同的電流偏置和參考電壓。參考電壓可以是內(nèi)部或外部的，一個比較器具有超低功耗，另一個比較器具有軌到軌輸入、快速或慢速模式。兩個比較器都可以從停止模式喚醒設(shè)備，并可組合成窗口比較器。

3.15 觸摸感應(yīng)控制器（TSC）

提供了一種簡單的解決方案，可在任何應(yīng)用中添加電容感應(yīng)功能，提供多達24個電容感應(yīng)通道，分布在8個模擬I/O組中。

3.16 定時器和看門狗

• 通用定時器：包括TIM2、TIM3、TIM21和TIM22，基于16位自動重載向上/向下計數(shù)器，具有不同的通道數(shù)和功能。
• 低功耗定時器（LPTIM）：具有獨立時鐘，在停止模式下也能運行，可從停止模式喚醒設(shè)備。
• 基本定時器（TIM6、TIM7）：可作為通用16位時基。
• SysTick定時器：可作為操作系統(tǒng)的定時器或標(biāo)準(zhǔn)向下計數(shù)器。
• 獨立看門狗（IWDG）：基于12位向下計數(shù)器和8位預(yù)分頻器，由獨立的37 kHz內(nèi)部RC時鐘驅(qū)動，可在停止和待機模式下運行。
• 窗口看門狗（WWDG）：基于7位向下計數(shù)器，可設(shè)置為自由運行，具有早期警告中斷功能。

3.17 通信接口

• I2C總線：多達三個I2C接口可在多主或從模式下運行，支持標(biāo)準(zhǔn)模式（Sm，高達100 kbit/s）、快速模式（Fm，高達400 kbit/s）和快速模式加（Fm+，高達1 Mbit/s），具有可編程的模擬和數(shù)字噪聲濾波器，部分接口還支持SMBus 2.0和PMBus 1.1。
• 通用同步/異步收發(fā)器（USART）：四個USART接口能夠以高達4 Mbit/s的速度通信，提供硬件流控制、多處理器通信模式、主同步通信和單總線半雙工通信模式，部分接口還支持智能卡通信、IrDA SIR ENDEC、LIN主/從能力和自動波特率檢測。
• 低功耗通用異步收發(fā)器（LPUART）：支持異步串行通信，具有最低功耗，支持半雙工單總線通信和調(diào)制解調(diào)器操作，可從停止模式喚醒系統(tǒng)。
• 串行外設(shè)接口（SPI）/內(nèi)部集成聲音（I2S）：多達兩個SPI接口可在主從模式下以高達16 Mbits/s的速度通信，支持硬件CRC生成/驗證；一個標(biāo)準(zhǔn)I2S接口可在主或從模式下運行，支持16/32位分辨率的輸入或輸出通道。
• 通用串行總線（USB）：嵌入一個全速USB設(shè)備外設(shè)，符合USB 2.0規(guī)范，支持USB FS信號、嵌入式DP上拉和電池充電檢測，具有軟件可配置的端點設(shè)置和暫停/恢復(fù)支持。

3.18 時鐘恢復(fù)系統(tǒng)（CRS）

可自動調(diào)整內(nèi)部48 MHz振蕩器，以保證其在整個設(shè)備工作范圍內(nèi)的最佳精度。

3.19 循環(huán)冗余校驗（CRC）計算單元

用于使用可配置的生成多項式值和大小獲取CRC碼，可用于驗證數(shù)據(jù)傳輸或存儲的完整性。

3.20 串行線調(diào)試端口（SW - DP）

提供Arm SW - DP接口，允許串行線調(diào)試工具連接到MCU。

四、引腳描述

文檔詳細介紹了不同封裝類型（如LQFP100、UFBGA100、LQFP64等）的引腳定義和備用功能，為硬件設(shè)計提供了重要的參考。

五、內(nèi)存映射

內(nèi)存映射的詳細信息可參考產(chǎn)品系列參考手冊，包括所有外設(shè)的邊界地址。

六、電氣特性

6.1 參數(shù)條件

包括最小和最大值、典型值、典型曲線、負(fù)載電容、引腳輸入電壓、電源供應(yīng)方案和電流消耗測量等方面的參數(shù)。

6.2 絕對最大額定值

規(guī)定了設(shè)備的絕對最大額定值，超過這些值可能會對設(shè)備造成永久性損壞。

6.3 工作條件

包括一般工作條件、嵌入式復(fù)位和電源控制塊特性、嵌入式內(nèi)部參考電壓、電源電流特性、低功耗模式喚醒時間、外部時鐘源特性、內(nèi)部時鐘源特性、PLL特性、內(nèi)存特性、EMC特性、電氣靈敏度特性、I/O電流注入特性、I/O端口特性、NRST引腳特性、溫度傳感器特性、比較器特性、定時器特性和通信接口特性等。

七、封裝信息

提供了不同封裝類型（如LQFP100、UFBGA100、LQFP64等）的機械數(shù)據(jù)、推薦的PCB設(shè)計規(guī)則和設(shè)備標(biāo)記示例，方便工程師進行硬件設(shè)計和組裝。

八、訂購信息

介紹了訂購時的相關(guān)信息，包括設(shè)備系列、產(chǎn)品類型、設(shè)備子系列、引腳數(shù)量、Flash存儲器大小、封裝、溫度范圍、選項和包裝等。

九、總結(jié)

STM32L072xx系列MCU以其超低功耗、高性能、豐富的外設(shè)和靈活的封裝選項，為電子工程師提供了一個強大的解決方案。無論是在工業(yè)、醫(yī)療、消費電子還是其他領(lǐng)域，都能滿足不同應(yīng)用的需求。在設(shè)計過程中，工程師們可以根據(jù)具體的應(yīng)用場景和需求，合理選擇低功耗模式、時鐘源、外設(shè)等，以實現(xiàn)最佳的性能和功耗平衡。同時，注意電氣特性和封裝信息，確保硬件設(shè)計的可靠性和穩(wěn)定性。你在使用STM32L072xx進行設(shè)計時，遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。