NuMicro? NUC100：工業(yè)控制領(lǐng)域的32位微控制器解決方案

在工業(yè)控制和需要豐富通信接口的應(yīng)用領(lǐng)域，32位微控制器發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。今天，我們就來深入了解一下Nuvoton Technology Corporation推出的NuMicro? NUC100系列32位微控制器。

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一、總體概述

NuMicro? NUC100系列采用了ARM? Cortex? - M0內(nèi)核，為工業(yè)控制和相關(guān)應(yīng)用提供了強(qiáng)大的支持。Cortex? - M0作為ARM?最新的嵌入式處理器，具備32位性能，成本卻與傳統(tǒng)8位微控制器相當(dāng)。該系列包含NUC100、NUC120、NUC130和NUC140等產(chǎn)品線，不同產(chǎn)品線在通信接口支持上有所差異，例如在UART、SPI、I2C、USB、LIN、CAN、PS/2、I2S等接口的支持情況各有不同。

二、產(chǎn)品特性

（一）核心特性

• 高性能內(nèi)核：ARM? Cortex? - M0核心運(yùn)行頻率高達(dá)50 MHz，配備24位系統(tǒng)定時(shí)器，支持低功耗睡眠模式，擁有單周期32位硬件乘法器，以及支持32個(gè)中斷輸入且每個(gè)中斷有4級優(yōu)先級的NVIC，還支持帶有2個(gè)觀察點(diǎn)/4個(gè)斷點(diǎn)的串行線調(diào)試。
• 寬電壓范圍：內(nèi)置LDO，可支持2.5 V至5.5 V的寬工作電壓范圍。

（二）存儲特性

• 閃存：具備32K/64K/128K字節(jié)的程序代碼閃存（128KB僅在NuMicro? NUC100/NUC120中密度產(chǎn)品中支持），4KB的ISP加載器閃存，支持系統(tǒng)內(nèi)編程（ISP）更新應(yīng)用代碼，支持512字節(jié)頁擦除，可配置128KB系統(tǒng)的數(shù)據(jù)閃存地址和大小，32KB和64KB系統(tǒng)的數(shù)據(jù)閃存固定為4KB，還支持通過SWD/ICE接口進(jìn)行2線ICP更新以及外部編程器的快速并行編程模式。
• SRAM：擁有4K/8K/16K字節(jié)的嵌入式SRAM（16KB僅在NuMicro? NUC100/NUC120中密度產(chǎn)品中支持），并支持PDMA模式。

（三）時(shí)鐘控制特性

• 靈活的時(shí)鐘源：提供多種時(shí)鐘源選擇，包括內(nèi)置的22.1184 MHz高速振蕩器（在+25 °C和(V{DD}=5 V)時(shí)可校準(zhǔn)至±1 %，在 - 40 °C ~ +85 °C和(V{DD}=2.5 V ~ 5.5 V)時(shí)可校準(zhǔn)至± 3 %）、10 kHz低速振蕩器（用于看門狗定時(shí)器和喚醒操作），支持一個(gè)高達(dá)50 MHz的PLL用于高性能系統(tǒng)操作，還可外接4 ~ 24 MHz高速晶體用于精確計(jì)時(shí)操作，外接32.768 kHz低速晶體用于RTC功能和低功耗系統(tǒng)操作。

（四）外設(shè)特性

• GPIO：具有四種I/O模式，包括準(zhǔn)雙向、推挽輸出、開漏輸出和高阻抗輸入，可選擇TTL/施密特觸發(fā)器輸入，I/O引腳可配置為具有邊沿/電平設(shè)置的中斷源，支持高驅(qū)動和高灌電流IO模式。
• 定時(shí)器：支持4組32位定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器有獨(dú)立的時(shí)鐘源，提供單次、周期性、翻轉(zhuǎn)和連續(xù)計(jì)數(shù)操作模式（中密度產(chǎn)品僅支持單次和周期性模式），低密度產(chǎn)品還支持事件計(jì)數(shù)功能。
• 看門狗定時(shí)器：具有多個(gè)時(shí)鐘源，有8種可選的超時(shí)周期（從1.6ms ~ 26.0sec，取決于時(shí)鐘源），可從掉電或空閑模式喚醒，在看門狗超時(shí)時(shí)可選擇中斷或復(fù)位。
• RTC：支持通過設(shè)置頻率補(bǔ)償寄存器（FCR）進(jìn)行軟件補(bǔ)償，支持RTC計(jì)數(shù)器（秒、分、小時(shí)）和日歷計(jì)數(shù)器（日、月、年），支持鬧鐘寄存器（秒、分、小時(shí)、日、月、年），可選擇12小時(shí)或24小時(shí)模式，能自動識別閏年，支持8種周期選項(xiàng)的周期性時(shí)間滴答中斷，還支持喚醒功能。
• PWM/捕獲：內(nèi)置多達(dá)四個(gè)16位PWM發(fā)生器，可提供八個(gè)PWM輸出或四個(gè)互補(bǔ)配對PWM輸出，每個(gè)PWM發(fā)生器配備時(shí)鐘源選擇器、時(shí)鐘分頻器、8位預(yù)分頻器和死區(qū)發(fā)生器；多達(dá)八個(gè)16位數(shù)字捕獲定時(shí)器（與PWM定時(shí)器共享）提供八個(gè)上升/下降捕獲輸入，支持捕獲中斷。
• UART：中密度產(chǎn)品最多提供三個(gè)UART控制器，低密度產(chǎn)品僅支持2個(gè)UART控制器，UART端口具有流控制功能，UART0具有63字節(jié)FIFO用于高速通信，UART1/2（可選）具有15字節(jié)FIFO用于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，支持IrDA（SIR）功能和RS - 485 9位模式及方向控制（僅低密度產(chǎn)品支持），可編程波特率發(fā)生器最高可達(dá)1/16系統(tǒng)時(shí)鐘，支持PDMA模式。
• SPI：中密度產(chǎn)品最多包含四組SPI控制器，低密度產(chǎn)品僅支持2組SPI控制器，主模式最高可達(dá)16 MHz，從模式最高可達(dá)10 MHz（芯片工作在5V時(shí)），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)長度可變（1至32位），可選擇MSB或LSB先傳輸，接收和發(fā)送可獨(dú)立在串行時(shí)鐘的上升或下降沿進(jìn)行，主模式有2個(gè)從設(shè)備選擇線，從模式有1個(gè)從設(shè)備選擇線，支持32位傳輸中的字節(jié)暫停模式，支持PDMA模式。
• I2C：最多有兩組I2C設(shè)備，支持主/從模式，主從之間可進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，是多主總線（無中央主設(shè)備），能在同時(shí)傳輸?shù)闹髟O(shè)備之間進(jìn)行仲裁而不損壞總線上的串行數(shù)據(jù)，支持串行時(shí)鐘同步，可編程時(shí)鐘允許靈活的速率控制，支持多地址識別（四個(gè)從地址帶掩碼選項(xiàng)）。
• I2S：可與外部音頻編解碼器接口，可作為主或從模式運(yùn)行，能夠處理8 - 32位字大小，支持單聲道和立體聲音頻數(shù)據(jù)，支持I2S和MSB對齊數(shù)據(jù)格式，提供兩個(gè)8字FIFO數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（一個(gè)用于發(fā)送，一個(gè)用于接收），當(dāng)緩沖區(qū)級別超過可編程邊界時(shí)會生成中斷請求，支持兩個(gè)DMA請求（一個(gè)用于發(fā)送，一個(gè)用于接收）。
• PS/2設(shè)備控制器：具備主機(jī)通信禁止和請求發(fā)送檢測功能，可檢測接收幀錯(cuò)誤，可編程1至16字節(jié)的發(fā)送緩沖區(qū)以減少CPU干預(yù)，具有數(shù)據(jù)接收的雙緩沖區(qū)，支持軟件覆蓋總線。
• EBI（外部總線接口）：僅NuMicro? NUC100/NUC120低密度64引腳封裝支持，可訪問空間為8位模式下64KB或16位模式下128KB，支持8/16位數(shù)據(jù)寬度，支持16位數(shù)據(jù)寬度模式下的字節(jié)寫入。
• ADC：具有12位SAR ADC，采樣率可達(dá)600K SPS，最多支持8通道單端輸入或4通道差分輸入，支持單掃描/單周期掃描/連續(xù)掃描，每個(gè)通道有獨(dú)立的結(jié)果寄存器，可進(jìn)行閾值電壓檢測，可通過軟件編程或外部輸入啟動轉(zhuǎn)換，支持PDMA模式。
• 模擬比較器：最多有兩個(gè)模擬比較器，負(fù)節(jié)點(diǎn)可選擇外部輸入或內(nèi)部帶隙電壓，比較結(jié)果變化時(shí)產(chǎn)生中斷，支持掉電喚醒。
• 其他特性：內(nèi)置溫度傳感器，分辨率為1℃，具有4級（4.5 V/3.8 V/2.7 V/2.2 V）的欠壓檢測器，支持欠壓中斷和復(fù)位選項(xiàng)，低電壓復(fù)位閾值電壓為2.0 V，工作溫度范圍為 - 40℃ ~ 85℃，采用全綠色封裝（RoHS），有LQFP 100引腳/64引腳/48引腳封裝（100引腳僅用于NuMicro? NUC100/NUC120中密度產(chǎn)品）。

三、產(chǎn)品選型與引腳配置

（一）產(chǎn)品選型

文檔提供了中密度和低密度產(chǎn)品線的產(chǎn)品選型指南，涵蓋了不同型號的APROM、RAM、數(shù)據(jù)閃存、ISP加載器ROM、I/O數(shù)量、定時(shí)器、連接性等信息，方便工程師根據(jù)具體需求選擇合適的產(chǎn)品。

（二）引腳配置

詳細(xì)給出了中密度和低密度產(chǎn)品的引腳圖，包括LQFP 100引腳、64引腳和48引腳的引腳配置，為硬件設(shè)計(jì)提供了重要參考。

四、功能描述

（一）ARM? Cortex? - M0核心

Cortex? - M0處理器是一個(gè)可配置的多級32位RISC處理器，具有AMBA AHB - Lite接口和NVIC組件，支持Thumb代碼，與其他Cortex - M配置文件處理器兼容，支持線程模式和處理模式，具備低門數(shù)、Thumb - 2技術(shù)、SysTick定時(shí)器、32位硬件乘法器等特性，還支持低功耗睡眠模式、NVIC中斷控制和調(diào)試功能。

（二）系統(tǒng)管理器

• 系統(tǒng)復(fù)位：系統(tǒng)復(fù)位可由上電復(fù)位、/RESET引腳低電平、看門狗超時(shí)復(fù)位、低電壓復(fù)位、欠壓檢測器復(fù)位、CPU復(fù)位和系統(tǒng)復(fù)位等事件觸發(fā)，系統(tǒng)復(fù)位和上電復(fù)位都會復(fù)位整個(gè)芯片，但系統(tǒng)復(fù)位不復(fù)位外部晶體電路和ISPCON.BS位，而上電復(fù)位會復(fù)位。
• 系統(tǒng)電源分配：芯片的電源分配分為模擬電源和數(shù)字電源，模擬電源由(AVDO)和(AVss)提供，用于模擬組件操作；數(shù)字電源由(VOD)和(Vss)提供，內(nèi)部穩(wěn)壓器提供固定的2.5 V電源用于數(shù)字操作和I/O引腳。
• 系統(tǒng)內(nèi)存映射：NuMicro? NUC100系列提供4G字節(jié)的尋址空間，不同的片上控制器被分配到不同的地址空間，詳細(xì)的寄存器定義、內(nèi)存空間和編程細(xì)節(jié)將在后續(xù)部分描述，該系列僅支持小端數(shù)據(jù)格式。
• 系統(tǒng)定時(shí)器（SysTick）：Cortex - M0包含一個(gè)集成的系統(tǒng)定時(shí)器SysTick，提供一個(gè)簡單的24位可寫清零、遞減、零回繞計(jì)數(shù)器，可作為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）滴答定時(shí)器或簡單計(jì)數(shù)器使用。
• 嵌套向量中斷控制器（NVIC）：Cortex - M0提供的NVIC作為異常模式的一部分，支持嵌套和向量中斷，自動保存和恢復(fù)處理器狀態(tài)，減少并確定中斷延遲，可對所有支持的異常進(jìn)行優(yōu)先級排序和處理，支持“尾鏈”和“遲到到達(dá)”功能，提高了中斷處理的效率和實(shí)時(shí)性。

（三）時(shí)鐘控制器

時(shí)鐘控制器為整個(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，還實(shí)現(xiàn)了電源控制功能，可單獨(dú)控制時(shí)鐘的開關(guān)、選擇時(shí)鐘源和進(jìn)行時(shí)鐘分頻。芯片進(jìn)入掉電模式需要CPU設(shè)置掉電使能位（PWR_DOWN_EN）并讓Cortex - M0核心執(zhí)行WFI指令，掉電模式下會關(guān)閉外部4 ~ 24 MHz高速晶體和內(nèi)部22.1184 MHz高速振蕩器以降低系統(tǒng)功耗。

（四）其他外設(shè)功能

文檔還詳細(xì)介紹了GPIO、I2C、PWM/捕獲、RTC、SPI、定時(shí)器、看門狗定時(shí)器、UART、PS/2設(shè)備控制器、I2S、ADC、模擬比較器、PDMA控制器和外部總線接口等外設(shè)的功能和特性。

五、電氣特性

（一）絕對最大額定值

規(guī)定了芯片的絕對最大額定值，包括直流電源、輸入電壓、振蕩器頻率、工作溫度、存儲溫度、最大電流等參數(shù)，超出這些范圍可能會影響設(shè)備的壽命和可靠性。

（二）直流電氣特性

分別給出了中密度和低密度產(chǎn)品的直流電氣特性，包括工作電壓、電源接地、LDO輸出電壓、模擬工作電壓、模擬參考電壓、工作電流、待機(jī)電流、輸入電流、輸入泄漏電流、邏輯1到0轉(zhuǎn)換電流、輸入低電壓、輸入高電壓、源電流、灌電流、欠壓電壓等參數(shù)，并給出了不同測試條件下的具體數(shù)值。

（三）交流電氣特性

包括時(shí)鐘的高時(shí)間、低時(shí)間、上升時(shí)間、下降時(shí)間等參數(shù)，以及外部4 ~ 24 MHz高速晶體、外部32.768 kHz低速晶體、內(nèi)部22.1184 MHz高速振蕩器和內(nèi)部10 kHz低速振蕩器的相關(guān)參數(shù)。

（四）模擬特性

涵蓋了12位SAR ADC、LDO和電源管理、低電壓復(fù)位、欠壓檢測器、上電復(fù)位、溫度傳感器和比較器的規(guī)格參數(shù)。

（五）閃存直流電氣特性

給出了閃存的耐久性、保留時(shí)間、頁擦除時(shí)間、塊擦除時(shí)間、編程時(shí)間、電源電壓、讀取電流、編程/擦除電流和掉電電流等參數(shù)。

（六）SPI動態(tài)特性

給出了SPI主模式和從模式在不同電源電壓和負(fù)載電容下的數(shù)據(jù)建立時(shí)間、數(shù)據(jù)保持時(shí)間和數(shù)據(jù)輸出有效時(shí)間等參數(shù)。

六、封裝尺寸

文檔提供了100L LQFP（14x14x1.4 mm）、64L LQFP（10x10x1.4mm）和48L LQFP（7x7x1.4mm）三種封裝的尺寸信息，為硬件設(shè)計(jì)中的封裝選擇提供了依據(jù)。

七、修訂歷史

記錄了文檔的修訂歷史，包括版本號、日期、修訂章節(jié)和描述，方便用戶了解文檔的更新情況。

總的來說，NuMicro? NUC100系列微控制器以其豐富的功能、靈活的配置和良好的電氣特性，為工業(yè)控制和相關(guān)應(yīng)用提供了一個(gè)可靠的解決方案。工程師在設(shè)計(jì)過程中，可以根據(jù)具體需求選擇合適的產(chǎn)品型號，并參考文檔中的詳細(xì)信息進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和開發(fā)。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過類似微控制器的選型和設(shè)計(jì)難題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和想法。