NuMicro? Mini51系列32位微控制器深度剖析

在工業(yè)控制領(lǐng)域，高性能、高集成度且低成本的微控制器一直是工程師們的追求。NuMicro? Mini51系列32位微控制器憑借其卓越的性能和豐富的功能，成為了眾多工業(yè)控制和應(yīng)用場(chǎng)景的理想選擇。

文件下載：MINI54ZAN.pdf

一、總體概述

NuMicro Mini51系列嵌入了ARM? Cortex? - M0核心，這種核心能以接近傳統(tǒng)8位微控制器的成本提供32位性能，非常適合對(duì)成本敏感但又需要高性能的工業(yè)控制和應(yīng)用。該系列最高運(yùn)行頻率可達(dá)24 MHz，能夠支持各種對(duì)CPU性能要求較高的工業(yè)控制和應(yīng)用。它還提供了4K/8K/16K - byte的嵌入式程序閃存、可配置的數(shù)據(jù)閃存（與程序閃存共享）、2K - byte的ISP閃存以及2K - byte的嵌入式SRAM。同時(shí)，集成了眾多系統(tǒng)級(jí)外設(shè)功能，如I/O端口、定時(shí)器、UART、SPI、I2C、PWM、ADC、看門(mén)狗定時(shí)器和低壓檢測(cè)器等，有效減少了組件數(shù)量、電路板空間和系統(tǒng)成本。此外，它還具備ISP（在系統(tǒng)編程）和ICP（在線編程）功能，方便用戶在不拆除芯片的情況下更新程序內(nèi)存。

二、特性亮點(diǎn)

2.1 核心特性

• 高性能處理：ARM? Cortex? - M0核心，最高運(yùn)行頻率24 MHz，配備24位系統(tǒng)定時(shí)器，支持低功耗空閑模式，還有單周期32位硬件乘法器。
• 中斷管理：NVIC支持32個(gè)中斷輸入，每個(gè)中斷有4級(jí)優(yōu)先級(jí)，支持帶2個(gè)觀察點(diǎn)/4個(gè)斷點(diǎn)的串行線調(diào)試（SWD）。
• 寬電壓范圍：內(nèi)置LDO，工作電壓范圍為2.5V至5.5V。

2.2 內(nèi)存特性

• 多樣化存儲(chǔ)：提供4KB/8KB/16KB的程序閃存（APROM）、可配置的數(shù)據(jù)閃存（Data Flash）、2KB的加載器閃存（LDROM）和2KB的內(nèi)部暫存SRAM。
• 便捷編程：支持在系統(tǒng)編程（ISP）和在線編程（ICP）。

2.3 時(shí)鐘控制特性

• 靈活時(shí)鐘源：可編程系統(tǒng)時(shí)鐘源，可實(shí)時(shí)切換時(shí)鐘源，包括4 ~ 24 MHz晶體振蕩器（HXT）、32.768K晶體振蕩器（LXT）用于空閑喚醒和系統(tǒng)操作時(shí)鐘、22.1184 MHz內(nèi)部振蕩器（HIRC，25°C、5V時(shí)精度為1%）以及10 KHz內(nèi)部低功耗振蕩器（LIRC）用于看門(mén)狗和空閑喚醒。
• 動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)：可通過(guò)外部32.768K晶體振蕩器（LXT）將HIRC OSC動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)到22.0 MHz ±1%（-40°C至85°C）。

2.4 I/O端口特性

• 豐富引腳：LQFP - 48封裝最多有30個(gè)GPIO引腳。
• 多種模式：軟件可配置I/O類(lèi)型，包括準(zhǔn)雙向輸入/輸出、推挽輸出、開(kāi)漏輸出和僅輸入（高阻抗），還可選施密特觸發(fā)器輸入。

2.5 定時(shí)器特性

• 雙定時(shí)器：兩個(gè)24位定時(shí)器，帶8位預(yù)分頻器，支持事件計(jì)數(shù)器模式、Toggle輸出模式、脈沖寬度測(cè)量模式和脈沖寬度捕獲模式的外部觸發(fā)。

2.6 看門(mén)狗定時(shí)器特性

• 可編程設(shè)置：可編程時(shí)鐘源和超時(shí)周期，支持在掉電模式和空閑模式下的喚醒功能，超時(shí)時(shí)可選擇中斷或復(fù)位。

2.7 PWM特性

• 多輸出模式：最多三個(gè)內(nèi)置16位PWM發(fā)生器，有六個(gè)PWM輸出或三個(gè)互補(bǔ)配對(duì)PWM輸出，支持邊緣對(duì)齊或中心對(duì)齊，支持故障檢測(cè)。
• 獨(dú)立配置：每個(gè)PWM發(fā)生器有獨(dú)立的時(shí)鐘源、時(shí)鐘分頻器、8位預(yù)分頻器和死區(qū)發(fā)生器，PWM中斷與PWM周期同步。

2.8 UART特性

• 單通道設(shè)計(jì)：一個(gè)UART設(shè)備，帶有16字節(jié)FIFO的緩沖接收器和發(fā)送器，可選流控制功能（CTSn和RTSn），支持IrDA（SIR）功能和RS - 485功能，可編程波特率發(fā)生器最高可達(dá)1/16系統(tǒng)時(shí)鐘。

2.9 SPI特性

• 高速通信：一個(gè)SPI設(shè)備，主模式最高12 MHz，從模式最高4 MHz，支持SPI主/從模式，全雙工同步串行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可變（1至32位），支持MSB或LSB先傳輸，可獨(dú)立在串行時(shí)鐘的上升或下降沿進(jìn)行Rx和Tx，32位傳輸中有字節(jié)暫停模式。

2.10 I2C特性

• 多主模式：支持主/從模式，主從之間雙向數(shù)據(jù)傳輸，多主總線（無(wú)中央主設(shè)備），同時(shí)傳輸?shù)闹髟O(shè)備之間可進(jìn)行仲裁，保證總線上串行數(shù)據(jù)不損壞，支持串行時(shí)鐘同步，允許不同比特率的設(shè)備通過(guò)一條串行總線通信，可編程時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)靈活的速率控制，支持多地址識(shí)別（4個(gè)從地址，有掩碼選項(xiàng)）。

2.11 ADC特性

• 高精度轉(zhuǎn)換：10位SAR ADC，采樣率150K SPS，最多8通道單端輸入和一個(gè)來(lái)自帶隙的內(nèi)部輸入，可通過(guò)軟件或外部引腳啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。

2.12 模擬比較器特性

• 雙比較器：兩個(gè)模擬比較器，有可編程的16級(jí)內(nèi)部電壓參考，內(nèi)置CRV（比較器參考電壓）。

2.13 BOD復(fù)位特性

• 可編程閾值：三個(gè)可編程閾值電平：3.8V/2.7V/2.0V（默認(rèn)2.0V），可選BOD中斷或復(fù)位。

2.14 其他特性

• 唯一ID：96位唯一ID。
• 寬溫范圍：工作溫度范圍為 - 40℃至85℃。
• 環(huán)保封裝：提供綠色封裝（RoHS），包括LQFP 48 - pin（7x7）、QFN 33 - pin（5x5）、QFN 33 - pin（4x4）。

三、產(chǎn)品選型與引腳配置

3.1 產(chǎn)品選型

NuMicro Mini51系列提供了多種型號(hào)供用戶選擇，不同型號(hào)在APROM、RAM、數(shù)據(jù)閃存等方面有所差異，用戶可以根據(jù)具體需求進(jìn)行選型。例如，MINI51LAN具有4 KB APROM，適用于對(duì)存儲(chǔ)容量要求不高的場(chǎng)景；而MINI54LAN則擁有16 KB APROM，可滿足更復(fù)雜的應(yīng)用需求。

3.2 引腳配置

該系列有LQFP 48 - pin和QFN 33 - pin兩種封裝，不同封裝的引腳功能有所不同。詳細(xì)的引腳描述為工程師在電路設(shè)計(jì)時(shí)提供了重要參考，例如，某些引腳可作為數(shù)字GPIO引腳，某些引腳可作為ADC模擬輸入引腳等。

四、功能描述

4.1 內(nèi)存組織

• 地址空間：提供4G - byte地址空間，僅支持小端數(shù)據(jù)格式。
• 系統(tǒng)內(nèi)存映射：詳細(xì)列出了各個(gè)片上控制器的內(nèi)存位置，包括Flash和SRAM內(nèi)存空間、AHB控制器空間、APB1控制器空間和系統(tǒng)控制器空間等。

4.2 嵌套向量中斷控制器（NVIC）

• 功能概述：Cortex? - M0 CPU的NVIC是異常模式的一部分，支持嵌套和向量中斷，自動(dòng)保存和恢復(fù)處理器狀態(tài)，可動(dòng)態(tài)改變優(yōu)先級(jí)，減少和確定中斷延遲。
• 異常模型和系統(tǒng)中斷映射：支持多種異常，軟件可對(duì)部分異常和所有中斷設(shè)置四個(gè)優(yōu)先級(jí)級(jí)別。
• 向量表：中斷被接受時(shí)，處理器從向量表中自動(dòng)獲取中斷服務(wù)程序（ISR）的起始地址。
• NVIC操作：可通過(guò)寫(xiě)入相應(yīng)寄存器位來(lái)啟用或禁用中斷，設(shè)置中斷掛起或取消掛起狀態(tài)，通過(guò)更新8位字段對(duì)中斷進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序。

4.3 系統(tǒng)管理器

• 功能概述：包括系統(tǒng)內(nèi)存映射、系統(tǒng)定時(shí)器（SysTick）、NVIC、產(chǎn)品ID的系統(tǒng)管理寄存器、芯片和模塊功能復(fù)位及多功能引腳控制的系統(tǒng)管理寄存器、欠壓和芯片雜項(xiàng)控制寄存器以及組合外設(shè)中斷源識(shí)別等功能。
• 系統(tǒng)復(fù)位：包括上電復(fù)位（POR）、/RESET引腳低電平復(fù)位、看門(mén)狗超時(shí)復(fù)位（WDT）、欠壓檢測(cè)復(fù)位（BOD）、Cortex? - M0 CPU復(fù)位和軟件單次復(fù)位等。
• 系統(tǒng)電源分配：電源分配分為模擬電源、數(shù)字電源和內(nèi)置電容三部分，內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器的輸出LDO_CAP需要外接電容。
• 內(nèi)存映射表：詳細(xì)展示了4GB地址空間的內(nèi)存映射情況。

4.4 時(shí)鐘控制器

• 功能概述：為整個(gè)芯片生成時(shí)鐘，包括系統(tǒng)時(shí)鐘和所有外設(shè)時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)電源控制功能，可單獨(dú)控制時(shí)鐘的開(kāi)關(guān)、選擇時(shí)鐘源和進(jìn)行4位時(shí)鐘分頻。
• 時(shí)鐘生成器：由一個(gè)外部12 MHz（HXT）或32 KHz（LXT）晶體、一個(gè)內(nèi)部22.1184 MHz RC振蕩器（HIRC）和一個(gè)內(nèi)部10 KHz振蕩器（LIRC）組成。
• 系統(tǒng)時(shí)鐘和SysTick時(shí)鐘：系統(tǒng)時(shí)鐘有3個(gè)時(shí)鐘源，可通過(guò)寄存器HCLK_S切換；SysTick時(shí)鐘可使用CPU時(shí)鐘或外部時(shí)鐘，通過(guò)寄存器STCLK_S切換。
• AHB時(shí)鐘源選擇和外設(shè)時(shí)鐘源選擇：AHB時(shí)鐘源和外設(shè)時(shí)鐘源可根據(jù)不同的寄存器設(shè)置進(jìn)行選擇。
• 掉電模式時(shí)鐘：進(jìn)入掉電模式時(shí)，部分時(shí)鐘源和外設(shè)時(shí)鐘會(huì)被禁用，但內(nèi)部10 KHz RC振蕩器（LIRC）時(shí)鐘和外部32.768 KHz晶體振蕩器（LXT）時(shí)鐘（在特定條件下）仍可保持活動(dòng)。
• 頻率分頻器輸出：配備2的冪次方頻率分頻器，可通過(guò)16選1多路復(fù)用器選擇16個(gè)移位寄存器輸出之一，輸出頻率公式為Fout = Fin/2(N + 1)。

4.5 比較器控制器（CMPC）

• 功能概述：包含兩個(gè)比較器，可用于多種配置，當(dāng)正輸入大于負(fù)輸入時(shí)輸出邏輯1，否則輸出0，每個(gè)比較器可配置在輸出值變化時(shí)產(chǎn)生中斷。
• 特性：模擬輸入電壓范圍為0 ~ 5.0V，支持遲滯功能，兩個(gè)模擬比較器可選擇內(nèi)部參考電壓輸入，一個(gè)比較器中斷可由其中一個(gè)比較器請(qǐng)求。

4.6 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）

• 功能概述：包含一個(gè)10位逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器（SAR A/D轉(zhuǎn)換器），有8個(gè)輸入通道，可通過(guò)軟件和外部STADC/P3.2引腳啟動(dòng)。
• 特性：模擬輸入電壓范圍為0 ~ Vref（最大5.0 V），10位分辨率和8位精度，最多8個(gè)單端模擬輸入通道，最大ADC時(shí)鐘頻率為6 MHz，轉(zhuǎn)換率最高150K SPS，可在指定通道上進(jìn)行一次A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在數(shù)據(jù)寄存器中，可與指定值比較并選擇是否產(chǎn)生中斷，通道7支持外部模擬電壓和內(nèi)部固定帶隙電壓兩個(gè)輸入源。

4.7 閃存內(nèi)存控制器（FMC）

• 功能概述：配備4K/8K/16K字節(jié)的片上嵌入式Flash EPROM用于應(yīng)用程序內(nèi)存（APROM），可通過(guò)ISP程序更新，還提供數(shù)據(jù)閃存區(qū)域，其起始地址可由用戶在Config1中配置。
• 特性：兼容AHB接口，最高運(yùn)行頻率24 MHz，無(wú)等待狀態(tài)的不連續(xù)地址讀取訪問(wèn)，4K/8K/16KB應(yīng)用程序內(nèi)存（APROM），2KB在系統(tǒng)編程（ISP）加載器程序內(nèi)存（LDROM），可編程數(shù)據(jù)閃存起始地址和內(nèi)存大小，以512字節(jié)頁(yè)擦除為單位，支持在系統(tǒng)編程（ISP）更新片上Flash EPROM。

4.8 通用I/O

• 功能概述：有30個(gè)通用I/O引腳，分布在6個(gè)端口（P0、P1、P2、P3、P4和P5），每個(gè)引腳可獨(dú)立控制引腳模式功能和數(shù)據(jù)，復(fù)位后所有引腳的I/O類(lèi)型為輸入模式，端口數(shù)據(jù)寄存器Px_DOUT[n]復(fù)位為“1”。
• 特性：支持四種I/O模式（準(zhǔn)雙向、推挽輸出、開(kāi)漏輸出、高阻抗僅輸入），可選擇TTL/施密特觸發(fā)器輸入，I/O引腳可配置為中斷源，支持高驅(qū)動(dòng)和高灌電流IO模式。

4.9 I2C串行接口控制器（主/從）

• 功能概述：I2C是一種兩線雙向串行總線，支持多主模式，具有碰撞檢測(cè)和仲裁功能，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的高效數(shù)據(jù)交換。
• 特性：支持主/從模式，主從之間雙向數(shù)據(jù)傳輸，多主總線無(wú)中央主設(shè)備，同時(shí)傳輸?shù)闹髟O(shè)備之間可進(jìn)行仲裁，支持串行時(shí)鐘同步，內(nèi)置14位超時(shí)計(jì)數(shù)器，外部需要上拉電阻以提高輸出上拉速度，可編程時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)靈活的速率控制，支持7位尋址模式和多地址識(shí)別。

4.10 增強(qiáng)型PWM發(fā)生器

• 功能概述：專(zhuān)門(mén)為電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制應(yīng)用設(shè)計(jì)，支持6個(gè)PWM發(fā)生器，可配置為6個(gè)獨(dú)立PWM輸出或3個(gè)互補(bǔ)PWM對(duì)，帶有3個(gè)可編程死區(qū)發(fā)生器。
• 特性：六個(gè)獨(dú)立的16位PWM占空比控制單元，支持單觸發(fā)（僅支持邊緣對(duì)齊模式）或自動(dòng)重載模式，最高16位分辨率，支持邊緣對(duì)齊和中心對(duì)齊模式，可編程死區(qū)插入，每個(gè)PWM引腳有獨(dú)立的極性設(shè)置控制，具有硬件故障制動(dòng)保護(hù)，有兩種中斷源類(lèi)型。

4.11 串行外設(shè)接口（SPI）控制器

• 功能概述：SPI是一種同步串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，工作在全雙工模式，支持主/從模式操作。
• 特性：支持主或從模式操作，支持MSB或LSB先傳輸，支持字節(jié)或字暫停模式，主模式下可變輸出串行時(shí)鐘頻率，支持兩種可編程串行時(shí)鐘頻率。

4.12 定時(shí)器控制器

• 功能概述：包括兩個(gè)通道（TIMER0 ~ TIMER1），可實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量、間隔測(cè)量、時(shí)鐘生成、延遲定時(shí)等功能，可在超時(shí)時(shí)產(chǎn)生中斷信號(hào)或提供當(dāng)前計(jì)數(shù)值。
• 特性：兩組32位定時(shí)器，帶24位向上定時(shí)器和一個(gè)8位預(yù)分頻計(jì)數(shù)器，每個(gè)通道有獨(dú)立的時(shí)鐘源，提供單觸發(fā)、周期、Toggle和連續(xù)計(jì)數(shù)操作模式，超時(shí)周期可通過(guò)公式計(jì)算，內(nèi)部24位向上定時(shí)器可通過(guò)TDR讀取，支持事件計(jì)數(shù)和輸入捕獲功能。

4.13 UART接口控制器

• 功能概述：提供一個(gè)通用異步接收器/發(fā)送器（UART）通道，支持正常速度UART和流控制功能，還支持IrDA SIR功能和RS - 485模式功能。
• 特性：全雙工異步通信，有獨(dú)立的16字節(jié)接收/發(fā)送FIFO，支持硬件自動(dòng)流控制/流控制功能和可編程RTSn流控制觸發(fā)水平，支持可編程接收器緩沖觸發(fā)水平，支持可編程波特率發(fā)生器，支持CTSn喚醒功能，支持7位接收器緩沖超時(shí)檢測(cè)功能，可編程發(fā)送數(shù)據(jù)延遲時(shí)間，支持多種錯(cuò)誤檢測(cè)功能，可編程串行接口特性，支持IrDA SIR功能模式、3/16位持續(xù)時(shí)間的正常模式、RS - 485功能模式和RS - 485 9位模式，支持硬件或軟件RTSn控制或軟件GPIO控制傳輸方向。

4.14 看門(mén)狗定時(shí)器

• 功能概述：用于在軟件出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)執(zhí)行系統(tǒng)復(fù)位，防止系統(tǒng)無(wú)限期掛起，還支持從掉電模式喚醒CPU的功能。
• 特性：18位自由運(yùn)行計(jì)數(shù)器，可選擇超時(shí)間隔（24 ~ 218），超時(shí)間隔為104 ms ~ 26.3168 s（如果fWDT_CLK = 10 KHz），復(fù)位周期為（1 / 10 KHz） * 63（如果WDT_CLK = 10 KHz）。

五、ARM? Cortex? - M0核心

5.1 概述

Cortex? - M0處理器是一個(gè)可配置的多級(jí)32位RISC處理器，具有AMBA AHB - Lite接口和NVIC組件，可選硬件調(diào)試功能，可執(zhí)行Thumb代碼，與其他Cortex - M系列處理器兼容，支持線程模式和處理模式。

5.2 特性

• 低門(mén)數(shù)設(shè)計(jì)：低門(mén)數(shù)處理器，功耗低。
• 指令集豐富：支持ARMv6 - M Thumb?指令集和Thumb - 2技術(shù)。
• 定時(shí)器功能：ARMv6 - M兼容的24位SysTick定時(shí)器。
• 硬件乘法器：32位硬件乘法器。
• 數(shù)據(jù)訪問(wèn)：支持小端數(shù)據(jù)訪問(wèn)。
• 中斷處理：確定性、固定延遲的中斷處理，支持負(fù)載/存儲(chǔ)多指令和多周期乘法，可中斷和重啟以實(shí)現(xiàn)快速中斷處理。
• 異常模型：符合C應(yīng)用二進(jìn)制接口（C - ABI）的異常模型，允許使用純C函數(shù)作為中斷處理程序。
• 低功耗模式：支持低功耗空閑模式，可使用Wait For Interrupt（WFI）、Wait For Event（WFE）指令或中斷返回睡眠退出功能。
• NVIC功能：32個(gè)外部中斷輸入，每個(gè)有四個(gè)優(yōu)先級(jí)級(jí)別，專(zhuān)用非屏蔽中斷（NMI）輸入，支持電平敏感和脈沖敏感中斷線，支持超低功耗空閑模式