Atmel SAM C20系列微控制器：工業(yè)自動(dòng)化的理想之選

在工業(yè)自動(dòng)化、家電及其他5V應(yīng)用領(lǐng)域，微控制器的性能和功能至關(guān)重要。Atmel推出的SAM C20系列微控制器，憑借其強(qiáng)大的性能、豐富的功能和低功耗特性，成為了眾多工程師的首選。今天，我們就來(lái)深入了解一下Atmel SAM C20E / SAM C20G / SAM C20J這三款微控制器。

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一、產(chǎn)品概述

Atmel SAM C20系列采用32位ARM Cortex - M0+處理器，引腳數(shù)從32到64不等，擁有高達(dá)256KB的Flash和32KB的SRAM，最高運(yùn)行頻率可達(dá)48MHz，每MHz能達(dá)到2.46 CoreMark?。該系列產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上注重簡(jiǎn)單直觀的遷移，同一產(chǎn)品系列內(nèi)的所有設(shè)備具有相同的外設(shè)模塊、十六進(jìn)制兼容代碼、相同的線性地址映射和引腳兼容的遷移路徑。此外，它還具備智能靈活的外設(shè)、Atmel事件系統(tǒng)用于外設(shè)間信號(hào)傳輸，支持電容式觸摸按鈕、滑塊和滾輪用戶界面，并且與SAM D和SAM C系列通用微控制器引腳兼容。

二、產(chǎn)品特性

（一）處理器

• 高性能核心：ARM Cortex - M0+ CPU最高運(yùn)行頻率達(dá)48MHz，具備單周期硬件乘法器，能快速處理復(fù)雜運(yùn)算。
• 調(diào)試與保護(hù)：配備微跟蹤緩沖區(qū)（Micro Trace Buffer）和內(nèi)存保護(hù)單元（MPU），方便調(diào)試和保護(hù)內(nèi)存安全。

（二）存儲(chǔ)器

• 多種容量選擇：提供32/64/128/256KB的系統(tǒng)內(nèi)自編程Flash，以及1/2/4/8KB用于EEPROM仿真的獨(dú)立自編程Flash，還有4/8/16/32KB的SRAM主存儲(chǔ)器，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的存儲(chǔ)需求。

（三）系統(tǒng)

• 電源管理：具備上電復(fù)位（POR）和欠壓檢測(cè)（BOD）功能，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。
• 時(shí)鐘選項(xiàng)：提供內(nèi)部和外部時(shí)鐘選項(xiàng)，搭配48MHz至96MHz的分?jǐn)?shù)數(shù)字鎖相環(huán)（FDPLL96M），可靈活配置系統(tǒng)時(shí)鐘。
• 中斷控制：外部中斷控制器（EIC）支持16個(gè)外部中斷和1個(gè)不可屏蔽中斷，能及時(shí)響應(yīng)外部事件。
• 調(diào)試接口：采用兩線串行線調(diào)試（SWD）編程、測(cè)試和調(diào)試接口，方便開(kāi)發(fā)和調(diào)試。
• 低功耗設(shè)計(jì)：支持空閑、待機(jī)和關(guān)閉睡眠模式，還有SleepWalking外設(shè)，可根據(jù)預(yù)設(shè)條件喚醒外設(shè)，降低功耗。

（四）外設(shè)

• 運(yùn)算加速：硬件除法和平方根加速器（DIVAS）能加速數(shù)學(xué)運(yùn)算。
• 數(shù)據(jù)傳輸：6通道直接內(nèi)存訪問(wèn)控制器（DMAC）可實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸。
• 事件系統(tǒng)：6通道事件系統(tǒng)支持同步和異步事件，即使在待機(jī)模式下，外設(shè)也能接收、響應(yīng)和發(fā)送事件。
• 定時(shí)器與計(jì)數(shù)器：多達(dá)五個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（TC），可配置為不同模式；一個(gè)24位控制定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（TCC），具備擴(kuò)展功能，如生成同步脈沖寬度調(diào)制（PWM）模式、確定性故障保護(hù)、快速衰減和可配置的互補(bǔ)輸出死區(qū)時(shí)間等。
• 其他外設(shè)：還包括頻率計(jì)、32位實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器（RTC）、看門(mén)狗定時(shí)器（WDT）、CRC - 32生成器、多達(dá)四個(gè)串行通信接口（SERCOM）、一個(gè)可配置自定義邏輯（CCL）、一個(gè)12位、1Msps的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、兩個(gè)模擬比較器（AC）和外設(shè)觸摸控制器（PTC）等。

（五）I/O

• 豐富的引腳資源：最多可提供52個(gè)可編程I/O引腳，與SAM D20和SAM D21兼容，方便進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展。

（六）封裝

提供多種封裝形式，包括64引腳TQFP、QFN，56引腳WLCSP，48引腳TQFP、QFN和32引腳TQFP、QFN，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求選擇合適的封裝。

三、產(chǎn)品配置

SAM C20系列包含SAM C20J、SAM C20G和SAM C20E三款產(chǎn)品，它們?cè)谝_數(shù)、通用I/O引腳數(shù)、Flash和SRAM容量、定時(shí)器和計(jì)數(shù)器配置等方面存在一些差異。例如，SAM C20J引腳數(shù)最多，功能相對(duì)更強(qiáng)大；而SAM C20E引腳數(shù)較少，適用于對(duì)空間和成本要求較高的應(yīng)用。具體配置差異可參考文檔中的配置總結(jié)表格。

四、訂購(gòu)信息

訂購(gòu)時(shí)，需要根據(jù)產(chǎn)品家族、產(chǎn)品系列、引腳數(shù)、Flash內(nèi)存密度、設(shè)備變體、封裝載體、封裝等級(jí)和封裝類型等信息進(jìn)行選擇。文檔中詳細(xì)列出了不同型號(hào)的訂購(gòu)代碼及對(duì)應(yīng)的Flash、SRAM、封裝、載體類型和溫度范圍等信息，方便工程師進(jìn)行選型。

五、硬件設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）引腳配置

每個(gè)引腳默認(rèn)由PORT作為通用I/O控制，也可分配給外設(shè)功能A - I。要啟用引腳的外設(shè)功能，需將PORT中對(duì)應(yīng)引腳配置寄存器的外設(shè)復(fù)用使能位（PINCFGn.PMUXEN）置為1，并通過(guò)PORT中外設(shè)復(fù)用寄存器的奇偶位（PMUXn.PMUXE/O）選擇外設(shè)功能。同時(shí)，要注意不同封裝的引腳配置和復(fù)用情況，以及振蕩器引腳和串行線調(diào)試接口引腳的特殊配置。

（二）TCC配置

SAM C20有一個(gè)用于控制應(yīng)用的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（TCC）外設(shè)，具有4個(gè)通道、8個(gè)波形輸出、24位計(jì)數(shù)器、故障保護(hù)、抖動(dòng)功能、輸出矩陣、死區(qū)時(shí)間插入和模式生成等特性。在設(shè)計(jì)中，要根據(jù)具體應(yīng)用需求合理配置TCC的參數(shù)。

（三）I2C引腳選擇

不同型號(hào)的SAM C20支持I2C Hs模式的引腳不同，在設(shè)計(jì)I2C通信時(shí)，需參考文檔中提供的支持I2C的引腳信息。

（四）GPIO集群

不同封裝的GPIO被分為不同的集群，每個(gè)集群有對(duì)應(yīng)的電源和接地引腳。在設(shè)計(jì)中，要合理布局GPIO引腳，確保電源和接地的穩(wěn)定性。

六、處理器與架構(gòu)

（一）Cortex M0+處理器

• 指令集兼容：基于ARMv6架構(gòu)和Thumb - 2 ISA，與Cortex - M0核心100%指令集兼容，向上兼容Cortex - M3和M4核心。
• 配置豐富：支持32個(gè)外部中斷、小端數(shù)據(jù)字節(jié)序、SysTick定時(shí)器、2個(gè)觀察點(diǎn)比較器、4個(gè)斷點(diǎn)比較器、單周期I/O端口等功能，還具備8區(qū)域內(nèi)存保護(hù)單元。
• 總線接口：有一個(gè)32位AMBA - 3 AHB - Lite系統(tǒng)接口和一個(gè)32位I/O端口總線接口，可實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸。

（二）嵌套向量中斷控制器（NVIC）

支持32個(gè)中斷線，具有四個(gè)不同的優(yōu)先級(jí)級(jí)別。每個(gè)中斷線連接一個(gè)外設(shè)實(shí)例，可通過(guò)外設(shè)的中斷使能寄存器控制中斷的啟用和禁用。

（三）微跟蹤緩沖區(qū)（MTB）

為Cortex - M0+處理器提供簡(jiǎn)單的執(zhí)行跟蹤功能，可記錄程序流的變化。MTB SRAM可用于跟蹤和通用存儲(chǔ)，其位置和大小可通過(guò)軟件配置。

（四）高速總線系統(tǒng)

采用對(duì)稱交叉開(kāi)關(guān)總線矩陣，支持不同主設(shè)備對(duì)不同從設(shè)備的并發(fā)訪問(wèn)，具有32位數(shù)據(jù)總線，與總線主設(shè)備以1:1的時(shí)鐘頻率運(yùn)行。同時(shí)，為確保不同主設(shè)備訪問(wèn)RAM時(shí)的優(yōu)先級(jí)，可配置不同的服務(wù)質(zhì)量（QoS）級(jí)別。

七、封裝與熱考慮

（一）封裝信息

文檔提供了各種封裝的詳細(xì)尺寸、重量、特性和參考信息，包括64引腳TQFP、QFN，56引腳WLCSP，48引腳TQFP、QFN和32引腳TQFP、QFN等。在選擇封裝時(shí)，要考慮到應(yīng)用的空間要求、散熱需求和焊接工藝等因素。

（二）熱阻數(shù)據(jù)

不同封裝的熱阻數(shù)據(jù)不同，可根據(jù)文檔中提供的熱阻數(shù)據(jù)計(jì)算芯片的結(jié)溫。結(jié)溫計(jì)算公式為 (T{J}=T{A}+left(P{D} × theta{J A}right)) 或 (T{J}=T{A}+left(P{D} timesleft(theta{HEATSINK }+theta{JC}right)right))，其中 (T{J}) 為結(jié)溫，(T{A}) 為環(huán)境溫度，(P{D}) 為設(shè)備功耗，(theta{JA}) 為結(jié)到環(huán)境的熱阻，(theta{JC}) 為結(jié)到外殼的熱阻，(theta_{HEATSINK}) 為外部冷卻設(shè)備的熱阻。通過(guò)計(jì)算結(jié)溫，可評(píng)估芯片的散熱情況，決定是否需要使用冷卻設(shè)備。

（三）焊接曲線

推薦的焊接曲線符合J - STD - 20標(biāo)準(zhǔn)，包括平均升溫速率、預(yù)熱溫度、高于217°C的保持時(shí)間、接近實(shí)際峰值溫度的時(shí)間、峰值溫度范圍、降溫速率和從25°C到峰值溫度的時(shí)間等參數(shù)。每個(gè)組件最多允許三次回流焊。

Atmel SAM C20系列微控制器以其高性能、低功耗和豐富的功能，為工業(yè)自動(dòng)化、家電等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了強(qiáng)大的支持。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇產(chǎn)品型號(hào)、封裝形式，正確配置引腳和外設(shè)，關(guān)注熱管理和焊接工藝，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用Atmel微控制器的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。