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(yīng)用領(lǐng)域，一款性能優(yōu)越、功能豐富且功耗低的微控制器至關(guān)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(lái)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(yīng)用設(shè)計(jì)，具有高度集成和低功耗的特點(diǎn)。其采用的ARM Cortex - M3內(nèi)核是下一代核心，具備增強(qiáng)的調(diào)試功能和更高水平的支持塊集成，最高可運(yùn)行在72MHz的CPU頻率下。該內(nèi)核采用3級(jí)流水線和哈佛架構(gòu)，擁有獨(dú)立的本地指令和數(shù)據(jù)總線以及用于外設(shè)的第三總線，還包含支持推測(cè)分支的內(nèi)部預(yù)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(shè)備控制器，為當(dāng)今對(duì)連接性要求苛刻的解決方案帶來(lái)了無(wú)與倫比的設(shè)計(jì)靈活性和無(wú)縫集成能力。

二、特性與優(yōu)勢(shì)

（一）系統(tǒng)方面

• 高性能處理器：采用ARM Cortex - M3 r2p1處理器，最高運(yùn)行頻率可達(dá)72MHz，能滿足大多數(shù)嵌入式應(yīng)用的處理需求。
• 高效中斷控制：內(nèi)置嵌套向量中斷控制器（NVIC），支持多達(dá)32個(gè)向量中斷，具有8個(gè)可編程中斷優(yōu)先級(jí)級(jí)別和硬件優(yōu)先級(jí)級(jí)別屏蔽功能，還支持軟件中斷生成，可實(shí)現(xiàn)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(gè)輸入源中選擇，系統(tǒng)滴答定時(shí)器提供穩(wěn)定的時(shí)間基準(zhǔn)。

（二）存儲(chǔ)方面

• 大容量閃存：片上閃存程序存儲(chǔ)器最高可達(dá)64kB，采用256字節(jié)頁(yè)擦除功能，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），還支持通過(guò)USB進(jìn)行閃存更新。
• 可靠EEPROM：片上EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為2kB或4kB，可通過(guò)IAP進(jìn)行編程，提供可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
• 靈活SRAM：片上靜態(tài)RAM存儲(chǔ)器總量為8kB、10kB或12kB，滿足不同應(yīng)用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。
• 豐富ROM功能：片上ROM包含引導(dǎo)加載程序和多種應(yīng)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(guò)USB進(jìn)行閃存更新支持（僅LPC1345/46/47）。

（三）調(diào)試方面

提供標(biāo)準(zhǔn)JTAG測(cè)試接口、串行線調(diào)試（SWD）以及對(duì)ETM ARM Cortex - M3調(diào)試時(shí)間戳的支持，方便開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行調(diào)試工作。

（四）數(shù)字外設(shè)方面

• 多功能GPIO：多達(dá)51個(gè)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(kāi)漏模式。其中8個(gè)引腳支持可編程毛刺濾波器，8個(gè)GPIO引腳可選擇作為邊沿和電平敏感中斷源，兩個(gè)GPIO分組中斷模塊可根據(jù)一組GPIO引腳的可編程輸入狀態(tài)模式產(chǎn)生中斷。此外，P0_7引腳具有20mA的高電流源輸出驅(qū)動(dòng)能力，P0_4和P0_5引腳具有20mA的高電流灌電流驅(qū)動(dòng)能力。
• 強(qiáng)大定時(shí)器：四個(gè)通用計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，共有多達(dá)8個(gè)捕獲輸入和13個(gè)匹配輸出，可用于精確的定時(shí)和計(jì)數(shù)操作。
• 可靠看門(mén)狗：可編程窗口看門(mén)狗定時(shí)器（WWDT）帶有內(nèi)部低功耗看門(mén)狗振蕩器（WDO），可在軟件出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)復(fù)位控制器。
• 重復(fù)中斷定時(shí)器：重復(fù)中斷定時(shí)器（RI Timer）提供一個(gè)自由運(yùn)行的48位計(jì)數(shù)器，可在達(dá)到設(shè)定值時(shí)產(chǎn)生中斷，用于創(chuàng)建預(yù)定間隔的中斷。

（五）模擬外設(shè)方面

12位ADC具有8個(gè)輸入通道，采樣率最高可達(dá)500kSamples/s，可滿足多種模擬信號(hào)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(shè)備控制器，帶有片上基于ROM的USB驅(qū)動(dòng)庫(kù)，支持12Mbit/s的數(shù)據(jù)交換，具有專用USB PLL，完全符合USB 2.0規(guī)范，支持10個(gè)物理（5個(gè)邏輯）端點(diǎn)，包括一個(gè)控制端點(diǎn)，支持單緩沖和雙緩沖，每個(gè)非控制端點(diǎn)支持批量、中斷或等時(shí)端點(diǎn)類型，支持從深度睡眠模式和掉電模式喚醒以及遠(yuǎn)程喚醒，還支持SoftConnect和鏈路電源管理（LPM）。
• USART接口：包含一個(gè)USART，具有全調(diào)制解調(diào)器控制、同步模式支持和智能卡接口，采用分?jǐn)?shù)波特率發(fā)生器，標(biāo)準(zhǔn)波特率如115200Bd可在任何高于2MHz的晶體頻率下實(shí)現(xiàn)，最大數(shù)據(jù)比特率可達(dá)3.125Mbit/s，具有16字節(jié)的接收和發(fā)送FIFO，寄存器位置符合16C550行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，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(gè)SSP控制器，能夠在SSP、4線SSI或Microwire總線上運(yùn)行，支持全雙工傳輸，幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為4位到16位，最大SSP速度在主模式下可達(dá)25Mbit/s，從模式下可達(dá)4.17Mbit/s，兼容Motorola SPI、4線Texas Instruments SSI和National Semiconductor Microwire總線。
• I2C接口：一個(gè)I2C總線控制器，支持I2C總線規(guī)范，包括標(biāo)準(zhǔn)模式、快速模式和快速模式Plus，數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)1Mbit/s，支持多地址識(shí)別和總線監(jiān)控模式，易于配置為主機(jī)、從機(jī)或主/從模式，可編程時(shí)鐘允許靈活的速率控制，支持雙向數(shù)據(jù)傳輸和多主機(jī)總線操作，具有仲裁和串行時(shí)鐘同步功能。

（七）時(shí)鐘生成方面

• 多振蕩器支持：包含系統(tǒng)振蕩器、內(nèi)部RC振蕩器（IRC）和看門(mén)狗振蕩器三個(gè)獨(dú)立振蕩器。IRC標(biāo)稱頻率為12MHz，在整個(gè)電壓和溫度范圍內(nèi)精度為1%，可作為WDT和系統(tǒng)PLL的時(shí)鐘源；系統(tǒng)振蕩器工作頻率為1MHz至25MHz，可用于CPU時(shí)鐘，LPC1345/46/47的USB時(shí)鐘必須由系統(tǒng)振蕩器提供；看門(mén)狗振蕩器標(biāo)稱頻率可編程在9.4kHz至2.3MHz之間，可直接驅(qū)動(dòng)CPU、看門(mén)狗定時(shí)器或CLKOUT引腳。
• PLL功能：包含一個(gè)系統(tǒng)PLL和一個(gè)專用的USB PLL，用于生成48MHz的USB時(shí)鐘。PLL輸入時(shí)鐘頻率范圍為10MHz至25MHz，通過(guò)電流控制振蕩器（CCO）將輸入頻率倍頻，輸出頻率可通過(guò)輸出分頻器設(shè)置為2、4、8或16分頻，輸出頻率必須低于100MHz，PLL在芯片復(fù)位后關(guān)閉并旁路，可通過(guò)軟件啟用。
• 時(shí)鐘輸出功能：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。

（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(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，以實(shí)現(xiàn)功耗與處理速度的權(quán)衡。還提供一個(gè)寄存器用于關(guān)閉單個(gè)片上外設(shè)的時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)精細(xì)的功耗調(diào)整。此外，通過(guò)簡(jiǎn)單調(diào)用電源配置文件，可針對(duì)應(yīng)用優(yōu)化活動(dòng)和睡眠模式下的功耗，包括默認(rèn)模式、CPU性能模式、效率模式和低電流模式。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

該系列微控制器適用于多種應(yīng)用領(lǐng)域，如消費(fèi)外設(shè)、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)控制、手持掃描儀和USB音頻設(shè)備等。

四、訂購(gòu)信息

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

五、引腳信息

詳細(xì)介紹了不同封裝類型下各引腳的功能和描述，包括復(fù)位引腳、通用I/O引腳、時(shí)鐘引腳、通信引腳等，為硬件設(shè)計(jì)提供了明確的指導(dǎo)。

六、功能描述

（一）片上閃存編程存儲(chǔ)器

閃存可通過(guò)ISP或IAP進(jìn)行編程，支持通過(guò)USB進(jìn)行更新，閃存被劃分為4kB的扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)包含16個(gè)256字節(jié)的頁(yè)面，可使用IAP擦除頁(yè)面命令擦除單個(gè)頁(yè)面。

（二）EEPROM

可通過(guò)IAP進(jìn)行編程，提供可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

（三）SRAM

為系統(tǒng)運(yùn)行提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。

（四）片上ROM

包含引導(dǎo)加載程序和多種API，為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供支持。

（五）內(nèi)存映射

具有多個(gè)不同的內(nèi)存區(qū)域，包括AHB外設(shè)區(qū)域和APB外設(shè)區(qū)域，每個(gè)外設(shè)分配16kB的空間，簡(jiǎn)化了地址解碼。

（六）嵌套向量中斷控制器（NVIC）

控制系統(tǒng)異常和外設(shè)中斷，支持多達(dá)32個(gè)向量中斷，具有8個(gè)可編程中斷優(yōu)先級(jí)級(jí)別和硬件優(yōu)先級(jí)級(jí)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(guò)配置寄存器控制多路復(fù)用器，實(shí)現(xiàn)引腳與片上外設(shè)的連接。

（八）通用輸入/輸出GPIO

未連接到特定外設(shè)功能的設(shè)備引腳由GPIO寄存器控制，引腳可動(dòng)態(tài)配置為輸入或輸出，多個(gè)輸出可在一次寫(xiě)操作中設(shè)置或清除，支持加速GPIO功能，整個(gè)端口值可在一條指令中寫(xiě)入，任何提供數(shù)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(chǎn)生中斷。

（九）USB接口

僅LPC1345/46/47具備，為設(shè)備提供了強(qiáng)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(xié)議，實(shí)現(xiàn)與多個(gè)主設(shè)備和從設(shè)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(shí)現(xiàn)設(shè)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(hào)采集。

（十四）通用外部事件計(jì)數(shù)器/定時(shí)器

可用于精確的定時(shí)和計(jì)數(shù)操作。

（十五）重復(fù)中斷（RI）定時(shí)器

提供預(yù)定間隔的中斷。

（十六）系統(tǒng)滴答定時(shí)器

為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的時(shí)間基準(zhǔn)。

（十七）窗口看門(mén)狗定時(shí)器（WWDT）

確保系統(tǒng)在軟件出現(xiàn)故障時(shí)能及時(shí)復(fù)位。

（十八）時(shí)鐘和電源控制

提供多種時(shí)鐘源和電源控制模式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效運(yùn)行和低功耗。

七、限制值和特性

（一）限制值

規(guī)定了電源電壓、輸入電壓、電流、溫度等參數(shù)的限制范圍，確保設(shè)備在安全的工作條件下運(yùn)行。

（二）靜態(tài)特性

詳細(xì)描述了電源電壓、電源電流、輸入輸出電壓和電流等靜態(tài)參數(shù)，為電路設(shè)計(jì)提供了重要參考。

（三）BOD靜態(tài)特性

介紹了欠壓檢測(cè)（BOD）的閾值電壓和中斷級(jí)別，可用于監(jiān)測(cè)電源電壓并在電壓異常時(shí)采取相應(yīng)措施。

（四）功耗

給出了不同工作模式下的功耗數(shù)據(jù)，幫助工程師優(yōu)化系統(tǒng)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(shí)間、下降時(shí)間等。

（六）動(dòng)態(tài)特性

包括閃存/EEPROM存儲(chǔ)器、外部時(shí)鐘、內(nèi)部振蕩器、I/O引腳、I2C - 總線、SSP接口等的動(dòng)態(tài)特性，為系統(tǒng)的時(shí)序設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

（七）ADC電氣特性

詳細(xì)說(shuō)明了ADC的各項(xiàng)參數(shù)，如模擬輸入電壓、電容、誤差等，確保ADC的高精度采集。

八、應(yīng)用信息

（一）建議的USB接口解決方案

提供了自供電設(shè)備和總線供電設(shè)備的USB接口電路示例，為USB接口設(shè)計(jì)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(wěn)定運(yùn)行。

（三）XTAL印刷電路板（PCB）布局指南

強(qiáng)調(diào)了晶體與芯片引腳的連接距離、負(fù)載電容的接地方式以及PCB布局的噪聲控制等要點(diǎn)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（四）標(biāo)準(zhǔn)I/O焊盤(pán)配置

展示了標(biāo)準(zhǔn)I/O引腳的可能模式，包括數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)、數(shù)字輸入的上拉/下拉配置、模擬輸入等。

（五）復(fù)位焊盤(pán)配置

說(shuō)明了復(fù)位引腳的配置方式，確保系統(tǒng)的可靠復(fù)位。

（六）ADC使用注意事項(xiàng)

提供了在嘈雜環(huán)境中提高ADC性能的指導(dǎo)，如縮短ADC輸入走線、屏蔽數(shù)字信號(hào)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(diǎn)。

（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(dǎo)。

十、總結(jié)

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(diǎn)，為嵌入式應(yīng)用提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。無(wú)論是在消費(fèi)電子、工業(yè)控制還是醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域，都能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可根據(jù)具體需求合理選擇型號(hào)和封裝，充分利用其特性，開(kāi)發(fā)出高效、穩(wěn)定的嵌入式系統(tǒng)。同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，還需注意各項(xiàng)參數(shù)和特性的細(xì)節(jié)，確保系統(tǒng)的可靠性和性能。大家在使用這款微控制器的過(guò)程中，有沒(méi)有遇到過(guò)一些有趣的問(wèn)題或者獨(dú)特的應(yīng)用場(chǎng)景呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。