FT93x系列嵌入式微控制器：高集成與低功耗的完美結合

在當今的電子設計領域，對于高性能、低功耗的嵌入式微控制器的需求日益增長。FT93x系列嵌入式微控制器以其高集成度和低功耗的特點，成為了眾多應用場景的理想選擇。本文將對FT93x系列微控制器進行詳細介紹，包括其產品概述、典型應用、功能特性、引腳說明、電氣特性以及應用信息等方面，為電子工程師在設計過程中提供全面的參考。

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一、產品概述

FT93x系列包括FT930、FT931、FT932和FT933，是完整的片上系統（SoC）32位RISC微控制器，專為USB到多接口橋接和嵌入式應用而設計。該系列具有高度集成和低功耗的特點，內置D2XX硬件引擎，與D2XX驅動兼容。其核心處理器為高性能、低功耗的混合16位/32位FT32B，運行頻率可達100MHz。

1.1 產品型號與封裝

1.2 產品對比

二、典型應用

FT93x系列微控制器具有廣泛的應用場景，以下是一些典型的應用領域：

1. 多屏顯示：與FT81x配合使用，實現多屏顯示功能。
2. USB到多接口橋接：支持多達15個端點的USB到多接口橋接。
3. 電機驅動與應用控制：可用于電機驅動和各種應用控制。
4. 電表：在電表系統中提供精確的數據采集和處理。
5. 數據采集系統（DAQ）：適用于工業自動化中的數據采集。
6. 醫療設備：可用于一些對性能和功耗要求較高的醫療設備。
7. 儀器儀表：為儀器儀表提供穩定的控制和數據處理能力。

三、功能特性

3.1 核心處理器

FT32B核心處理器運行頻率可達100MHz，包含CPU、控制邏輯、128kB程序內存和32kB數據內存。其外部連接包括內存映射I/O接口、中斷接口、異步復位和系統時鐘。

3.2 D2XX硬件引擎

內置的D2XX硬件引擎減輕了FT93x處理器處理USB協議的負載，降低了軟件復雜度。當D2XX硬件引擎啟用時，FT93x可枚舉為多接口、雙向D2XX USB設備，支持最多7個FIFO通道，每個通道對應一個D2XX接口，共有14個管道，預留8,192B（8kB）內存用于讀寫管道。

3.3 128kB Flash內存

內部128kB Flash內存用于存儲引導加載程序或用戶應用程序，支持高達80MHz的串行時鐘，系統上電后會自動將Flash內存中的內容復制到CPU程序內存。

3.4 啟動序列

系統完成初始內存復制后，CPU跳轉到程序內存的零地址，這里可以是預先存儲在Flash內存中的用戶應用程序，也可以是引導加載程序，引導加載程序允許通過UART或USB修改程序內存。

3.5 中斷

FT93x中斷控制器處理32個中斷輸入，支持嵌套中斷，最多可支持16級深度嵌套中斷。每個中斷在使用前需分配中斷向量號和優先級，默認最高優先級中斷為0，最低為31，但可通過寄存器設置重新排列優先級。

3.6 內存映射

FT93x系列的I/O內存映射涵蓋了各種寄存器和內存，包括通用設置寄存器、中斷控制器寄存器、USB2.0設備控制器寄存器等，具體地址范圍和操作長度可參考相關表格。

3.7 USB2.0設備控制器

該控制器完全符合USB2.0規范，支持高速（480 Mbit/s）和全速（12 Mbit/s）數據傳輸，軟件可配置EP0控制端點大小為8 - 64字節，支持15個In/Out端點，EP1 - EP15具有雙緩沖，支持等時、中斷、控制和批量數據傳輸，最大端點數據包大小可達1024字節，還支持VBUS檢測、暫停和恢復電源管理功能、遠程喚醒功能以及電池充電規范修訂版1.2。

3.8 實時時鐘（RTC）

RTC使用專用的32 kHz振蕩器，有自己的電源軌，可連接單獨的電池。具有雙時鐘源（PCLK和CLK32KHZ）、內置時鐘穩定器、記錄系統睡眠時間、支持BCD格式的日期和時間、支持兩個可配置的時間警報、支持1Hz和32768Hz時鐘輸出、支持4個可配置事件的中斷、支持振蕩器停止標志的外部觸發和內部自動檢測以及片上數字微調與自動校準等功能。

3.9 一線調試器接口

該接口通過一線半雙工串行鏈路提供訪問內存映射地址空間的能力，如FT93x的Flash內存、程序內存、數據內存和I/O內存，但不支持從內部內存到調試器接口的傳輸。具有單導線半雙工鏈路、支持調試命令讀寫操作、支持CHIP ID讀出、支持Flash內存操作的校驗和檢查、支持CPU軟件調試等功能。

3.10 SPI接口

FT93x系列包含SPI主控制器和SPI從控制器，支持全雙工同步串行數據傳輸，最高數據位速率為25MHz，符合SPI規范，支持四種傳輸格式，SPI主控制器支持單、雙和四SPI傳輸，SPI從控制器僅支持單傳輸，支持SPI模式和FIFO模式操作，支持多主系統和總線錯誤檢測，SPI主控制器可尋址多達4個SPI從設備，支持64字節的接收器和64字節的發送器FIFO。

3.11 I2C接口

支持I2C總線控制器，是雙向兩線接口，可配置為主模式或從模式，支持仲裁和時鐘同步，適用于多主系統，支持標準（最高100 kb/s）、快速（最高400 kb/s）、快速加（最高1 Mb/s）和高速（最高3.4 Mb/s）傳輸速度，支持7位和10位尋址模式，支持時鐘拉伸。

3.12 UART接口

包含四個UART控制器，UART0提供完整的調制解調器控制握手接口，支持9位數據，可自動檢測地址；UART1是簡化的可編程串行接口，具有CTS和RTS流控制邏輯。最大UART數據位速率為8 Mbit/s，支持UART模式和FIFO模式，FIFO模式下TX和RX有16 / 128字節的FIFO，以減少中斷頻率，軟件與16450、16550、16750和16950 UART兼容，支持多種調制解調器控制功能和可編程的流控制邏輯。

3.13 定時器和看門狗定時器

具有四個16位用戶定時器，每個定時器有獨立的預分頻器，還有一個32位看門狗定時器。看門狗定時器由主時鐘控制，初始化后不能停止，只能通過寫入寄存器清除；用戶定時器可由主時鐘控制，可啟動、停止、清除和初始化，預分頻器也可單獨清除和初始化，所有定時器可向上/向下計數，溢出時產生中斷，可配置為單次或連續模式。

3.14 PWM

支持8個獨立的PWM輸出通道，所有通道共享一個8位預分頻器，每個通道有自己的16位比較器值，當比較器值與16位計數器匹配時，相應的PWM通道輸出將翻轉。PWM信號可輸出為多單次或連續模式，PWM通道0和1可兼作立體聲11 KHz或22 KHz PWM音頻通道，支持16位/8位立體聲PWM音頻數據輸出，可控制PWM FIFO的滿、空、半滿、溢出和下溢等中斷。

3.15 SD主機控制器

符合SD主機控制器標準規范3.0版，支持流式和非流式數據傳輸，符合SD物理層規范3.0版，支持可配置的SD總線模式（4位模式和8位模式），符合SDIO卡規范2.0版，支持4K SRAM用于數據FIFO，支持可配置的1位/4位SD卡總線，具有可配置的CPRM功能以提高安全性，內置7位和16位CRC數據的生成和檢查功能，支持卡檢測和SDIO功能的讀等待和暫停/恢復機制。

3.16 模數轉換器（ADC）

具有低功耗、高速、逐次逼近型的ADC，支持8位分辨率，最大采樣頻率可達460kSPS，接受從地電源到電源的模擬輸入，可用于各種低功耗和中等分辨率的應用。

3.17 數模轉換器（DAC）

有兩個10位、1 MSPS的DAC，包括用于注冊DAC值的數字邏輯和能夠驅動片外的單位增益緩沖器，可切換到低功耗狀態，消耗最小電流。

3.18 通用輸入輸出（GPIO）

提供多達40個可配置的輸入/輸出引腳，由GPIO寄存器控制，所有引腳具有多種功能，可通過引腳連接塊對每個GPIO引腳進行上拉/下拉電阻配置和開漏配置，支持GPIO輸入施密特觸發器以去除噪聲，支持GPIO中斷，可用于從低功耗模式喚醒系統。

3.19 系統時鐘

1. 12MHz振蕩器：產生12MHz參考頻率輸出到時鐘倍增PLL，時鐘源可以是外部12MHz晶體或12MHz方波時鐘。
2. 鎖相環（PLL）：內部PLL接收晶體振蕩器的12MHz時鐘輸入，輸出100MHz系統時鐘頻率到CPU處理器和其他外圍電路，每個外圍設備有獨立的使能控制信號來控制時鐘源。
3. 32.768 kHz RTC振蕩器：為RTC時間計數器提供時鐘，時鐘源可以是外部32.768 kHz晶體或32.768 kHz方波信號。
4. 內部慢速時鐘振蕩器：提供5ms慢速時鐘源，用于USB2.0設備遠程喚醒功能的中斷。

3.20 電源管理

1. 電源供應：FT93x系列可使用單一的+3.3V電源，通過VCCIO3V3、VUSB3V3和VCC3V3A引腳供電，+1.2V內部穩壓器在VCCIO3V3電源施加后為核心電路供電，系統在輸出電壓超過POR閾值時會產生上電復位（POR）脈沖。
2. 低功耗模式：低功耗模式適用于整個系統，在該模式下，系統的12MHz振蕩器和PLL關閉，除RTC振蕩器和內部穩壓器外，核心和所有外圍設備的系統時鐘停止，內部穩壓器為核心和RTC操作保留電源。GPIO中斷或USB2.0設備控制器的喚醒事件可獨立喚醒系統。

四、引腳說明

文檔詳細介紹了FT930、FT931、FT932和FT933的引腳配置和功能，包括每個引腳的名稱、類型和詳細描述。例如，FT930的引腳涵蓋了UART、SPI、I2C、USB、ADC、DAC、RTC等各種接口和功能，每個引腳都有默認的輸入/輸出狀態和特定的功能，如UART引腳可用于數據傳輸和控制，SPI引腳用于串行外設接口通信等。

五、電氣特性

5.1 絕對最大額定值

包括存儲溫度、環境溫度、電源電壓等參數的絕對最大額定值，超過這些值可能會對設備造成永久性損壞。例如，存儲溫度范圍為-65°C至+150°C，環境溫度（通電時）范圍為-40°C至+85°C，VCC3V3電源電壓范圍為-0.5V至+4.6V等。

5.2 DC特性

詳細描述了I/O操作電源電壓、電源電流、USB2.0設備控制器電流、GPIO輸出電流、內部LDO電壓等參數的典型值和范圍，以及I/O單元和USB I/O單元的DC特性，如輸出電壓、輸入電壓、上拉/下拉電阻、輸入泄漏電流等。

5.3 AC特性

包括系統時鐘、RTC時鐘、模擬USB I/O引腳、I2C總線I/O引腳、SPI主/從I/O引腳等的動態特性，如時鐘頻率、抖動、占空比、上升/下降時間等。

5.4 8位ADC轉換器

描述了ADC I/O單元的電氣特性，包括模擬電源電壓、模擬輸入范圍、分辨率、積分非線性誤差、差分非線性誤差和采樣率等。

5.5 10位DAC轉換器

介紹了DAC I/O單元的電氣特性，包括DAC電源電壓、參考電壓、分辨率、積分非線性誤差、差分非線性誤差、轉換延遲、輸出負載電容和電阻等。

六、應用信息

6.1 晶體振蕩器

晶體振蕩器工作頻率為12MHz，可采用兩種配置：晶體振蕩器應用電路和外部時鐘輸入。晶體振蕩器應用電路只需外部連接晶體和電容，芯片內部集成反饋電阻；外部時鐘輸入則將12MHz輸入時鐘信號直接連接到XI引腳，XIO引腳可懸空。

6.2 RTC振蕩器

RTC振蕩器電路只需外部連接32.768 KHz晶體和電容，也可使用外部輸入時鐘連接到RTC_XI/RTC_CLKIN引腳，RTC_XIO引腳懸空。

6.3 標準I/O引腳配置

標準I/O引腳具有多種可能的模式，包括輸出驅動啟用、輸出驅動能力控制、輸出擺率控制、開漏輸出、上拉輸入、下拉輸入、保持輸入和施密特觸發器輸入等，默認配置為下拉輸入，所有I/O引腳都有ESD保護。

6.4 USB2.0設備接口

FT93x系列支持一個USB2.0設備端口，通過USB適配器可方便地進行系統數據傳輸。系統需在VUSB3V3提供I/O電源（+3.3V），內部帶隙通過DRREF獲取參考電壓，外部連接一個12KΩ ±1%的參考電阻到地。

6.5 未使用USB連接時的處理

如果USB設備在最終應用中未使用，應將VUSB3V3和DRREF連接到地。

七、封裝參數

FT93x系列提供三種不同的封裝：FT930Q采用QFN - 68封裝，FT931Q采用QFN - 56封裝，FT932Q和FT933Q采用QFN - 48封裝。文檔詳細介紹了每種封裝的尺寸、標記和焊接回流曲線，包括封裝的外形尺寸、引腳間距、焊盤尺寸等，以及推薦的焊接回流曲線參數，如升溫速率、預熱溫度、峰值溫度、降溫速率等。

八、總結

FT93x系列嵌入式微控制器以其豐富的功能、高集成度和低功耗的特點，為電子工程師在設計各種應用時提供了強大的支持。無論是在多屏顯示、電機驅動、數據采集還是醫療設備等領域，FT93x都能發揮其優勢。通過對其功能特性、引腳說明、電氣特性和應用信息的深入了解，工程師可以更好地利用該系列微控制器，設計出更加高效、穩定的電子系統。在實際應用中，工程師還需根據具體需求選擇合適的型號和封裝，并注意遵循相關的電氣特性和應用指南，以確保系統的正常運行。你在使用FT93x系列