FT93x系列嵌入式微控制器：高集成與低功耗的完美結(jié)合

在當(dāng)今的電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，對(duì)于高性能、低功耗的嵌入式微控制器的需求日益增長(zhǎng)。FT93x系列嵌入式微控制器以其高集成度和低功耗的特點(diǎn)，成為了眾多應(yīng)用場(chǎng)景的理想選擇。本文將對(duì)FT93x系列微控制器進(jìn)行詳細(xì)介紹，包括其產(chǎn)品概述、典型應(yīng)用、功能特性、引腳說明、電氣特性以及應(yīng)用信息等方面，為電子工程師在設(shè)計(jì)過程中提供全面的參考。

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一、產(chǎn)品概述

FT93x系列包括FT930、FT931、FT932和FT933，是完整的片上系統(tǒng)（SoC）32位RISC微控制器，專為USB到多接口橋接和嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)。該系列具有高度集成和低功耗的特點(diǎn)，內(nèi)置D2XX硬件引擎，與D2XX驅(qū)動(dòng)兼容。其核心處理器為高性能、低功耗的混合16位/32位FT32B，運(yùn)行頻率可達(dá)100MHz。

1.1 產(chǎn)品型號(hào)與封裝

1.2 產(chǎn)品對(duì)比

二、典型應(yīng)用

FT93x系列微控制器具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，以下是一些典型的應(yīng)用領(lǐng)域：

1. 多屏顯示：與FT81x配合使用，實(shí)現(xiàn)多屏顯示功能。
2. USB到多接口橋接：支持多達(dá)15個(gè)端點(diǎn)的USB到多接口橋接。
3. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)與應(yīng)用控制：可用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)和各種應(yīng)用控制。
4. 電表：在電表系統(tǒng)中提供精確的數(shù)據(jù)采集和處理。
5. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAQ）：適用于工業(yè)自動(dòng)化中的數(shù)據(jù)采集。
6. 醫(yī)療設(shè)備：可用于一些對(duì)性能和功耗要求較高的醫(yī)療設(shè)備。
7. 儀器儀表：為儀器儀表提供穩(wěn)定的控制和數(shù)據(jù)處理能力。

三、功能特性

3.1 核心處理器

FT32B核心處理器運(yùn)行頻率可達(dá)100MHz，包含CPU、控制邏輯、128kB程序內(nèi)存和32kB數(shù)據(jù)內(nèi)存。其外部連接包括內(nèi)存映射I/O接口、中斷接口、異步復(fù)位和系統(tǒng)時(shí)鐘。

3.2 D2XX硬件引擎

內(nèi)置的D2XX硬件引擎減輕了FT93x處理器處理USB協(xié)議的負(fù)載，降低了軟件復(fù)雜度。當(dāng)D2XX硬件引擎啟用時(shí)，F(xiàn)T93x可枚舉為多接口、雙向D2XX USB設(shè)備，支持最多7個(gè)FIFO通道，每個(gè)通道對(duì)應(yīng)一個(gè)D2XX接口，共有14個(gè)管道，預(yù)留8,192B（8kB）內(nèi)存用于讀寫管道。

3.3 128kB Flash內(nèi)存

內(nèi)部128kB Flash內(nèi)存用于存儲(chǔ)引導(dǎo)加載程序或用戶應(yīng)用程序，支持高達(dá)80MHz的串行時(shí)鐘，系統(tǒng)上電后會(huì)自動(dòng)將Flash內(nèi)存中的內(nèi)容復(fù)制到CPU程序內(nèi)存。

3.4 啟動(dòng)序列

系統(tǒng)完成初始內(nèi)存復(fù)制后，CPU跳轉(zhuǎn)到程序內(nèi)存的零地址，這里可以是預(yù)先存儲(chǔ)在Flash內(nèi)存中的用戶應(yīng)用程序，也可以是引導(dǎo)加載程序，引導(dǎo)加載程序允許通過UART或USB修改程序內(nèi)存。

3.5 中斷

FT93x中斷控制器處理32個(gè)中斷輸入，支持嵌套中斷，最多可支持16級(jí)深度嵌套中斷。每個(gè)中斷在使用前需分配中斷向量號(hào)和優(yōu)先級(jí)，默認(rèn)最高優(yōu)先級(jí)中斷為0，最低為31，但可通過寄存器設(shè)置重新排列優(yōu)先級(jí)。

3.6 內(nèi)存映射

FT93x系列的I/O內(nèi)存映射涵蓋了各種寄存器和內(nèi)存，包括通用設(shè)置寄存器、中斷控制器寄存器、USB2.0設(shè)備控制器寄存器等，具體地址范圍和操作長(zhǎng)度可參考相關(guān)表格。

3.7 USB2.0設(shè)備控制器

該控制器完全符合USB2.0規(guī)范，支持高速（480 Mbit/s）和全速（12 Mbit/s）數(shù)據(jù)傳輸，軟件可配置EP0控制端點(diǎn)大小為8 - 64字節(jié)，支持15個(gè)In/Out端點(diǎn)，EP1 - EP15具有雙緩沖，支持等時(shí)、中斷、控制和批量數(shù)據(jù)傳輸，最大端點(diǎn)數(shù)據(jù)包大小可達(dá)1024字節(jié)，還支持VBUS檢測(cè)、暫停和恢復(fù)電源管理功能、遠(yuǎn)程喚醒功能以及電池充電規(guī)范修訂版1.2。

3.8 實(shí)時(shí)時(shí)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(dú)的電池。具有雙時(shí)鐘源（PCLK和CLK32KHZ）、內(nèi)置時(shí)鐘穩(wěn)定器、記錄系統(tǒng)睡眠時(shí)間、支持BCD格式的日期和時(shí)間、支持兩個(gè)可配置的時(shí)間警報(bào)、支持1Hz和32768Hz時(shí)鐘輸出、支持4個(gè)可配置事件的中斷、支持振蕩器停止標(biāo)志的外部觸發(fā)和內(nèi)部自動(dòng)檢測(cè)以及片上數(shù)字微調(diào)與自動(dòng)校準(zhǔn)等功能。

3.9 一線調(diào)試器接口

該接口通過一線半雙工串行鏈路提供訪問內(nèi)存映射地址空間的能力，如FT93x的Flash內(nèi)存、程序內(nèi)存、數(shù)據(jù)內(nèi)存和I/O內(nèi)存，但不支持從內(nèi)部?jī)?nèi)存到調(diào)試器接口的傳輸。具有單導(dǎo)線半雙工鏈路、支持調(diào)試命令讀寫操作、支持CHIP ID讀出、支持Flash內(nèi)存操作的校驗(yàn)和檢查、支持CPU軟件調(diào)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(shù)據(jù)傳輸，最高數(shù)據(jù)位速率為25MHz，符合SPI規(guī)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(tǒng)和總線錯(cuò)誤檢測(cè)，SPI主控制器可尋址多達(dá)4個(gè)SPI從設(shè)備，支持64字節(jié)的接收器和64字節(jié)的發(fā)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(shí)鐘同步，適用于多主系統(tǒng)，支持標(biāo)準(zhǔn)（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(shí)鐘拉伸。

3.12 UART接口

包含四個(gè)UART控制器，UART0提供完整的調(diào)制解調(diào)器控制握手接口，支持9位數(shù)據(jù)，可自動(dòng)檢測(cè)地址；UART1是簡(jiǎn)化的可編程串行接口，具有CTS和RTS流控制邏輯。最大UART數(shù)據(jù)位速率為8 Mbit/s，支持UART模式和FIFO模式，F(xiàn)IFO模式下TX和RX有16 / 128字節(jié)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(diào)制解調(diào)器控制功能和可編程的流控制邏輯。

3.13 定時(shí)器和看門狗定時(shí)器

具有四個(gè)16位用戶定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器有獨(dú)立的預(yù)分頻器，還有一個(gè)32位看門狗定時(shí)器?？撮T狗定時(shí)器由主時(shí)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(shí)器可由主時(shí)鐘控制，可啟動(dòng)、停止、清除和初始化，預(yù)分頻器也可單獨(dú)清除和初始化，所有定時(shí)器可向上/向下計(jì)數(shù)，溢出時(shí)產(chǎn)生中斷，可配置為單次或連續(xù)模式。

3.14 PWM

支持8個(gè)獨(dú)立的PWM輸出通道，所有通道共享一個(gè)8位預(yù)分頻器，每個(gè)通道有自己的16位比較器值，當(dāng)比較器值與16位計(jì)數(shù)器匹配時(shí)，相應(yīng)的PWM通道輸出將翻轉(zhuǎn)。PWM信號(hào)可輸出為多單次或連續(xù)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(shù)據(jù)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(jī)控制器

符合SD主機(jī)控制器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范3.0版，支持流式和非流式數(shù)據(jù)傳輸，符合SD物理層規(guī)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(guī)范2.0版，支持4K SRAM用于數(shù)據(jù)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(nèi)置7位和16位CRC數(shù)據(jù)的生成和檢查功能，支持卡檢測(cè)和SDIO功能的讀等待和暫停/恢復(fù)機(jī)制。

3.16 模數(shù)轉(zhuǎn)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(dá)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(yīng)用。

3.17 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）

有兩個(gè)10位、1 MSPS的DAC，包括用于注冊(cè)DAC值的數(shù)字邏輯和能夠驅(qū)動(dòng)片外的單位增益緩沖器，可切換到低功耗狀態(tài)，消耗最小電流。

3.18 通用輸入輸出（GPIO）

提供多達(dá)40個(gè)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(duì)每個(gè)GPIO引腳進(jìn)行上拉/下拉電阻配置和開漏配置，支持GPIO輸入施密特觸發(fā)器以去除噪聲，支持GPIO中斷，可用于從低功耗模式喚醒系統(tǒng)。

3.19 系統(tǒng)時(shí)鐘

1. 12MHz振蕩器：產(chǎn)生12MHz參考頻率輸出到時(shí)鐘倍增PLL，時(shí)鐘源可以是外部12MHz晶體或12MHz方波時(shí)鐘。
2. 鎖相環(huán)（PLL）：內(nèi)部PLL接收晶體振蕩器的12MHz時(shí)鐘輸入，輸出100MHz系統(tǒng)時(shí)鐘頻率到CPU處理器和其他外圍電路，每個(gè)外圍設(shè)備有獨(dú)立的使能控制信號(hào)來控制時(shí)鐘源。
3. 32.768 kHz RTC振蕩器：為RTC時(shí)間計(jì)數(shù)器提供時(shí)鐘，時(shí)鐘源可以是外部32.768 kHz晶體或32.768 kHz方波信號(hào)。
4. 內(nèi)部慢速時(shí)鐘振蕩器：提供5ms慢速時(shí)鐘源，用于USB2.0設(shè)備遠(yuǎn)程喚醒功能的中斷。

3.20 電源管理

1. 電源供應(yīng)：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(nèi)部穩(wěn)壓器在VCCIO3V3電源施加后為核心電路供電，系統(tǒng)在輸出電壓超過POR閾值時(shí)會(huì)產(chǎn)生上電復(fù)位（POR）脈沖。
2. 低功耗模式：低功耗模式適用于整個(gè)系統(tǒng)，在該模式下，系統(tǒng)的12MHz振蕩器和PLL關(guān)閉，除RTC振蕩器和內(nèi)部穩(wěn)壓器外，核心和所有外圍設(shè)備的系統(tǒng)時(shí)鐘停止，內(nèi)部穩(wěn)壓器為核心和RTC操作保留電源。GPIO中斷或USB2.0設(shè)備控制器的喚醒事件可獨(dú)立喚醒系統(tǒng)。

四、引腳說明

文檔詳細(xì)介紹了FT930、FT931、FT932和FT933的引腳配置和功能，包括每個(gè)引腳的名稱、類型和詳細(xì)描述。例如，F(xiàn)T930的引腳涵蓋了UART、SPI、I2C、USB、ADC、DAC、RTC等各種接口和功能，每個(gè)引腳都有默認(rèn)的輸入/輸出狀態(tài)和特定的功能，如UART引腳可用于數(shù)據(jù)傳輸和控制，SPI引腳用于串行外設(shè)接口通信等。

五、電氣特性

5.1 絕對(duì)最大額定值

包括存儲(chǔ)溫度、環(huán)境溫度、電源電壓等參數(shù)的絕對(duì)最大額定值，超過這些值可能會(huì)對(duì)設(shè)備造成永久性損壞。例如，存儲(chǔ)溫度范圍為-65°C至+150°C，環(huán)境溫度（通電時(shí)）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(xì)描述了I/O操作電源電壓、電源電流、USB2.0設(shè)備控制器電流、GPIO輸出電流、內(nèi)部LDO電壓等參數(shù)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(tǒng)時(shí)鐘、RTC時(shí)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(dòng)態(tài)特性，如時(shí)鐘頻率、抖動(dòng)、占空比、上升/下降時(shí)間等。

5.4 8位ADC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換延遲、輸出負(fù)載電容和電阻等。

六、應(yīng)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(yīng)用電路和外部時(shí)鐘輸入。晶體振蕩器應(yīng)用電路只需外部連接晶體和電容，芯片內(nèi)部集成反饋電阻；外部時(shí)鐘輸入則將12MHz輸入時(shí)鐘信號(hào)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(shí)鐘連接到RTC_XI/RTC_CLKIN引腳，RTC_XIO引腳懸空。

6.3 標(biāo)準(zhǔn)I/O引腳配置

標(biāo)準(zhǔn)I/O引腳具有多種可能的模式，包括輸出驅(qū)動(dòng)啟用、輸出驅(qū)動(dòng)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(fā)器輸入等，默認(rèn)配置為下拉輸入，所有I/O引腳都有ESD保護(hù)。

6.4 USB2.0設(shè)備接口

FT93x系列支持一個(gè)USB2.0設(shè)備端口，通過USB適配器可方便地進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)需在VUSB3V3提供I/O電源（+3.3V），內(nèi)部帶隙通過DRREF獲取參考電壓，外部連接一個(gè)12KΩ ±1%的參考電阻到地。

6.5 未使用USB連接時(shí)的處理

如果USB設(shè)備在最終應(yīng)用中未使用，應(yīng)將VUSB3V3和DRREF連接到地。

七、封裝參數(shù)

FT93x系列提供三種不同的封裝：FT930Q采用QFN - 68封裝，F(xiàn)T931Q采用QFN - 56封裝，F(xiàn)T932Q和FT933Q采用QFN - 48封裝。文檔詳細(xì)介紹了每種封裝的尺寸、標(biāo)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(shù)，如升溫速率、預(yù)熱溫度、峰值溫度、降溫速率等。

八、總結(jié)

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(diǎn)，為電子工程師在設(shè)計(jì)各種應(yīng)用時(shí)提供了強(qiáng)大的支持。無論是在多屏顯示、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)采集還是醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域，F(xiàn)T93x都能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。通過對(duì)其功能特性、引腳說明、電氣特性和應(yīng)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(shè)計(jì)出更加高效、穩(wěn)定的電子系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師還需根據(jù)具體需求選擇合適的型號(hào)和封裝，并注意遵循相關(guān)的電氣特性和應(yīng)用指南，以確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。你在使用FT93x系列