深入解析AT91SAM SAM3N系列ARM Flash MCU

在當(dāng)今的電子設(shè)計領(lǐng)域，微控制器（MCU）扮演著至關(guān)重要的角色。Atmel的SAM3N系列ARM Flash MCU以其高性能、低功耗和豐富的外設(shè)功能，成為眾多工程師的首選。本文將深入剖析SAM3N系列的特性、架構(gòu)、電源管理、輸入輸出以及外設(shè)等方面，為電子工程師們提供全面的參考。

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一、SAM3N系列概述

SAM3N系列是基于高性能32位ARM Cortex - M3 RISC處理器的Flash微控制器家族成員。它最高運(yùn)行速度可達(dá)48 MHz，擁有高達(dá)256 Kbytes的Flash和24 Kbytes的SRAM。其外設(shè)集豐富多樣，包括2個USART、2個UART、2個TWI、3個SPI，以及1個PWM定時器、6個通用16位定時器、一個RTC、一個10位ADC和一個10位DAC。此外，借助QTouch庫，SAM3N系列還支持電容式觸摸功能，能輕松實(shí)現(xiàn)按鈕、滾輪和滑塊等應(yīng)用。

該系列是入門級通用微控制器，非常適合從8位/16位微控制器向32位微控制器遷移的應(yīng)用。它工作電壓范圍為1.62V至3.6V，提供48引腳、64引腳和100引腳的QFP、48引腳和64引腳的QFN以及100引腳的BGA封裝，并且與SAM3S系列引腳兼容，對于需要降低物料清單（BOM）成本的應(yīng)用來說，是理想的遷移路徑。

二、關(guān)鍵特性

（一）核心處理器

• ARM Cortex - M3：版本2.0，采用Thumb - 2指令集，包含16位和32位的所有基本Thumb - 2指令。具備哈佛處理器架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)指令提取與數(shù)據(jù)加載/存儲的同時進(jìn)行，采用三級流水線，單周期32位乘法和硬件除法，支持Thumb和調(diào)試狀態(tài)、處理和線程模式，中斷服務(wù)程序（ISR）的進(jìn)入和退出延遲低。

  （二）存儲器

• 嵌入式Flash：從16到256 Kbytes不等，采用128位寬訪問、內(nèi)存加速器和單平面設(shè)計。不同型號的Flash組織方式有所不同，如SAM3N4為256 Kbytes，組織成1024頁，每頁256字節(jié)；SAM3N2為128 Kbytes，組織成512頁，每頁256字節(jié)；SAM3N1為64 Kbytes，組織成256頁，每頁256字節(jié)。Flash包含128字節(jié)的寫緩沖區(qū)，通過32位接口訪問，由VDDCORE供電。
• 嵌入式SRAM：SAM3N4為24 Kbytes，SAM3N2為16 Kbytes，SAM3N1為8 Kbytes，可通過系統(tǒng)Cortex - M3總線在地址0x2000 0000訪問，位于位帶區(qū)域，位帶別名區(qū)域從0x2200 0000到0x23FF FFFF，RAM大小可通過校準(zhǔn)熔絲配置。
• 內(nèi)部ROM：包含SAM Boot Assistant（SAM - BA）、In Application Programming（IAP）例程和Fast Flash Programming Interface（FFPI），始終映射在地址0x0080 0000。

  （三）系統(tǒng)特性

• 電壓調(diào)節(jié)器：嵌入式電壓調(diào)節(jié)器由電源控制器管理，為內(nèi)部核心供電。有正常模式和備份模式兩種工作模式。正常模式下，靜態(tài)電流小于700 μA，輸出電流可達(dá)60 mA，內(nèi)部自適應(yīng)偏置可根據(jù)負(fù)載電流調(diào)整調(diào)節(jié)器靜態(tài)電流；等待模式下靜態(tài)電流僅7 μA。備份模式下，調(diào)節(jié)器消耗小于1 μA，輸出（VDDOUT）內(nèi)部驅(qū)動至GND，默認(rèn)輸出電壓1.80V，啟動到正常模式時間小于100 μs。
• 時鐘系統(tǒng)：包含多種振蕩器和PLL。有低功耗32768Hz慢時鐘振蕩器（可旁路）、低功耗RC振蕩器、3 - 20 MHz晶體或陶瓷諧振器振蕩器（可旁路）、工廠編程的快速RC振蕩器（可選4、8或12 MHz輸出頻率，默認(rèn)4 MHz）以及60至130 MHz可編程PLL，可為處理器和外設(shè)提供時鐘MCK，PLL輸入頻率為3.5至20 MHz。
• 復(fù)位和監(jiān)控：具備上電復(fù)位（POR）、掉電檢測器（BOD）和看門狗定時器（WDT），確保系統(tǒng)安全運(yùn)行。POR監(jiān)控VDDIO，BOD監(jiān)控VDDCORE，WDT為16位密鑰保護(hù)的一次性可編程計數(shù)器，采用窗口模式，防止處理器在看門狗訪問時陷入死鎖。

  （四）低功耗模式

• 備份模式：目的是在需要定期喚醒執(zhí)行任務(wù)但不需要快速啟動時間（<0.1 ms）的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)最低功耗，典型總電流消耗為3 μA。此時電源控制器、零功耗上電復(fù)位、RTT、RTC、備份寄存器和32 kHz振蕩器（由軟件在電源控制器中選擇RC或晶體振蕩器）運(yùn)行，調(diào)節(jié)器和核心電源關(guān)閉?？赏ㄟ^WUP0 - 15引腳、電源監(jiān)控器（SM）、RTT或RTC喚醒事件喚醒。
• 等待模式：在保持整個設(shè)備通電狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)極低功耗，啟動時間小于10 μs。使用內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器時典型總電流消耗為15 μA，使用外部調(diào)節(jié)器時為8 μA。此模式下核心、外設(shè)和存儲器的時鐘停止，但電源仍供電，可通過外部或內(nèi)部事件快速啟動。
• 睡眠模式：優(yōu)化設(shè)備功耗與響應(yīng)時間的平衡，僅停止核心時鐘，外設(shè)時鐘可啟用，電流消耗取決于應(yīng)用?？赏ㄟ^中斷（使用WFI指令）或事件（使用WFE指令）喚醒。

三、引腳和封裝

SAM3N系列提供多種封裝形式，包括100引腳LQFP、100引腳TFBGA、64引腳LQFP、64引腳QFN、48引腳LQFP和48引腳QFN。不同封裝的引腳配置有所不同，但都與SAM3S產(chǎn)品引腳兼容。部分引腳具有復(fù)用功能，可作為通用I/O或系統(tǒng)引腳，如SWJ - DP引腳在調(diào)試時用于連接調(diào)試探針，不需要調(diào)試時可作為標(biāo)準(zhǔn)I/O使用。

四、外設(shè)功能

（一）串行外設(shè)接口（SPI）

支持與串行外部設(shè)備通信，有四個片選信號，可通過外部解碼器支持與多達(dá)15個外設(shè)通信，如串行存儲器、ADC、DAC、LCD控制器、CAN控制器和傳感器等。支持主從模式，數(shù)據(jù)長度可編程為8 - 16位，相位和極性可編程，可設(shè)置連續(xù)傳輸之間的延遲和時鐘與數(shù)據(jù)之間的延遲，支持模式故障檢測，傳輸速率可達(dá)MCK。

（二）兩線接口（TWI）

支持主、多主和從模式操作，與Atmel兩線接口、串行存儲器和I2C兼容設(shè)備兼容。從地址可為1、2或3字節(jié)，支持順序讀寫操作，比特率高達(dá)400 kbit/s，從模式支持通用調(diào)用。TWI0在主模式下可連接PDC通道優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸。

（三）通用異步收發(fā)器（UART）

為兩引腳UART，功能與標(biāo)準(zhǔn)Atmel USART完全兼容，具有獨(dú)立的接收器和發(fā)送器，共用可編程波特率發(fā)生器，支持奇偶校驗(yàn)、幀錯誤和溢出錯誤檢測，支持自動回顯、本地回環(huán)和遠(yuǎn)程回環(huán)通道模式，UART0支持兩個PDC通道連接接收器和發(fā)送器。

（四）USART

可編程波特率發(fā)生器，支持5 - 9位全雙工同步或異步串行通信，可設(shè)置1、1.5或2個停止位（異步模式）或1或2個停止位（同步模式），支持奇偶校驗(yàn)、幀錯誤和溢出錯誤檢測，支持MSB或LSB優(yōu)先，可選中斷生成和檢測，支持8或16倍過采樣接收器頻率，支持硬件握手RTS - CTS，支持接收器超時和發(fā)送器時間保護(hù)，可選多主模式，支持RS485（帶驅(qū)動控制信號）、ISO7816（T = 0或T = 1協(xié)議）、SPI模式（主從模式）、IrDA調(diào)制和解調(diào)（僅USART0）以及測試模式（遠(yuǎn)程回環(huán)、本地回環(huán)、自動回顯），USART0支持PDC。

（五）定時器計數(shù)器（TC）

有六個16位定時器計數(shù)器通道，功能豐富，包括頻率測量、事件計數(shù)、間隔測量、脈沖生成、延遲定時、脈寬調(diào)制和上下計數(shù)能力。每個通道可配置，包含三個外部時鐘輸入、五個內(nèi)部時鐘輸入和兩個多功能輸入/輸出信號，還有兩個全局寄存器作用于所有三個TC通道，支持正交解碼器和步進(jìn)電機(jī)的2位格雷碼上下計數(shù)器。

（六）脈寬調(diào)制控制器（PWM）

有四個通道，每個通道一個16位計數(shù)器，共用時鐘發(fā)生器，提供十三種不同時鐘，支持獨(dú)立通道編程，包括獨(dú)立啟用/禁用命令、獨(dú)立時鐘選擇、獨(dú)立周期和占空比（帶雙緩沖）以及可編程輸出波形極性。

（七）10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）

最多支持16通道，為10位384 Ksamples/sec或8位583 Ksamples/sec逐次逼近寄存器ADC，積分非線性±2 LSB，差分非線性±1 LSB，集成8 - 1多路復(fù)用器，提供八個獨(dú)立3.3V模擬輸入，可使用外部電壓參考提高低電壓輸入精度，可單獨(dú)啟用和禁用每個通道，支持多種觸發(fā)源，包括硬件或軟件觸發(fā)、外部觸發(fā)引腳和定時器計數(shù)器0至2的輸出TIOA0至TIOA2觸發(fā)，支持睡眠模式和轉(zhuǎn)換序列器，觸發(fā)時自動喚醒，轉(zhuǎn)換完成后返回睡眠模式。

（八）數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）

為1通道10位DAC，轉(zhuǎn)換速率高達(dá)500 ksamples/s，轉(zhuǎn)換范圍靈活，支持多種觸發(fā)源，有一個PDC通道。

五、應(yīng)用場景與選型建議

（一）應(yīng)用場景

• 工業(yè)控制：憑借其高性能處理器、豐富的外設(shè)和低功耗特性，可用于工業(yè)自動化設(shè)備、電機(jī)控制、傳感器數(shù)據(jù)采集等應(yīng)用。
• 消費(fèi)電子：適用于智能家居設(shè)備、可穿戴設(shè)備、便攜式醫(yī)療設(shè)備等，滿足對低功耗和多功能的需求。
• 通信設(shè)備：可用于小型通信模塊、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

  （二）選型建議

• 存儲器需求：如果應(yīng)用需要大量的代碼存儲和數(shù)據(jù)處理，可選擇Flash和SRAM容量較大的型號，如SAM3N4。
• 外設(shè)功能：根據(jù)具體應(yīng)用需求，選擇具備相應(yīng)外設(shè)功能的型號。例如，需要SPI通信的應(yīng)用可確保所選型號支持SPI接口；需要高精度模擬信號處理的應(yīng)用可關(guān)注ADC和DAC的性能。
• 功耗要求：對于對功耗敏感的應(yīng)用，如電池供電設(shè)備，可優(yōu)先考慮支持低功耗模式的型號，并根據(jù)實(shí)際工作模式選擇合適的低功耗模式。

六、總結(jié)

Atmel的SAM3N系列ARM Flash MCU以其強(qiáng)大的性能、豐富的外設(shè)和低功耗特性，為電子工程師提供了一個優(yōu)秀的解決方案。無論是從8位/16位微控制器遷移，還是開發(fā)新的高性能應(yīng)用，SAM3N系列都能滿足需求。在實(shí)際設(shè)計中，工程師們可以根據(jù)具體的應(yīng)用場景和需求，合理選擇型號和配置，充分發(fā)揮SAM3N系列的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)高效、可靠的電子系統(tǒng)設(shè)計。你在使用SAM3N系列MCU的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。