LPC800前生今世第一章-概述

恩智浦MCU加油站 2023-09-14 989

描述

第一章概述

LPC800是恩智浦公司于2012年开发的以ARM Cortex-M0+为核心的32位MCU系列，这个系列的产品是面向传统的8位和16位MCU的升级市场。她的配置特点十分鲜明，首先迎合了上一代8/16位MCU所具有的特点：小引脚封装、小存储容量、易于编程等。在此基础上又为更高端的应用配置了丰富的外设，例如多通道的快速ADC、模拟比较器、丰富的多速率串行通信接口、灵活的SCT(状态可配置定时器)、DMA控制器和低功耗控制等。为了便于用户将原有的8/16位项目，快速地迁移至32位的LPC800上面，节省研发和物料成本，LPC800还集成了先进的调试手段和一些独特的外设，例如用于灵活引脚配置的开关矩阵（Switch Matrix）、用于故障检测和恢复的窗口看门狗定时器、用于检测组合逻辑的外部中断模式匹配引擎、用于可靠通信的循环冗余检查(CRC)计算器等。

另外，LPC800系列延续了所有LPC微控制器的传统，每个型号都配置了一个ROM区，内置常用外设的底层驱动，如ADC、SPI、I2C、USART等(每个子系列的内容不尽相同)；还内置了通过串口UART烧写Flash的ISP(在系统中编程In-System Programming)程序，和IAP(在应用中编程In-Application Programming)程序，方便用户烧录和升级片内程序。

最新的LPC86x系列集成了新一代的高速串行通信外设I3C，也继承了FlexTimer专注于电机驱动应用。

1.1. LPC800系列介绍

LPC800采用ARM Cortex-M0+为核心，最高运行主频30MHz(LPC86x系列可以达到60MHz)，可以满足很多低端不需要很多计算能力，以控制为主的应用需要。她天然地继承了Cortex-M0+内核所带来的优势：

■支持低代码密度、高性能的Thumb-2指令集

■支持IO口单周期访问

■硬件单周期乘法（32*32）

■内核集成了多种低功耗模式

■优化的代码存取更能降低Flash或ROM的功耗

■精准高效的中断处理

■确定的指令时钟周期

■支持SWD调试接口

LPC800自推出之后，目前已经有五个子系列：LPC80x、LPC81x、LPC82x、LPC83x，LPC84x和LPC86x系列，下表列出了它们之间的主要差别，同时给出了对应的型号：

表1.LPC800五个子系列产品一览

恩智浦

在“型号”一栏，给出了产品的完整型号，用户向恩智浦或恩智浦的代理商订货时要使用这个完整的型号。但一般我们在谈产品的特性而不关心某个具体型号时，往往只使用前面几位，例如LPC812、LPC824等。

这里要特别注意的是，HVQFN33有两种尺寸，在LPC800中使用的都是5x5x0.85mm(长x宽x高)的封装。这可以由芯片型号的后四位为“HI33”分辨出来。HVQFN33的另一种尺寸是7x7x0.85mm，芯片型号的后四位是“HN33”。

1.2.子系列的一些特色

LPC800的各个子系列，除了本章开头介绍的一些特点外，还分别有一些特色的功能，本节给出一个非常简要的介绍。

1.2.1 LPC8N04的特色功能

LPC8N04的最高主频是8MHz，它集成了一个NFC的接口，适合于简单的但需要经常改变配置的应用产品，例如变换圣诞树的灯光模式、物流货物的仓储条件(温湿度、震动等)跟踪、万能遥控器的配置等。

LPC8N04还有其它一些特色：

·具有4KB的片上EEPROM，其中256字节可以设置为写保护。

·片上内置一个温度传感器。

·能够直接由NFC接口供电而不需额外电源。

1.2.2 LPC802的特色功能

LPC802子系列的最高主频是15MHz。

在TSSOP20封装，型号为LPC802M011JDH20的器件上有一个VDDIO引脚，可以接工作电压范围内的任意电压，允许多至9个IO口工作于VDDIO的电压，这样相当于省却一个外部的电压转换器。

1.2.3 LPC804的特色功能

LPC804子系列的最高主频是15MHz，有如下一些特色功能：

·除了20引脚的封装以外，其它型号都有一路10位DAC的输出。

·一个可编程逻辑单元(PLU：Programmable Logic Unit)：可以实现很多需要分立逻辑器件实现的多种布尔逻辑组合，例如一个简单的状态机。

·具有一个电容触摸接口。

·型号为LPC804M111JDH24的器件有一个VDDIO引脚，可以接工作电压范围内的任意电压，允许多至11个IO口工作于VDDIO的电压。

1.2.4 LPC84x的特色功能

LPC84x中新增加了一些非常好的功能模块：

·快速初始化阵列(FAIM)：这个模块允许芯片在上电后快速地配置好状态，例如IO口的方向和模式等。

·具有一个电容触摸接口。

·两个10位DAC输出。

另外LPC84x具有5个UART串口，在同等级别的MCU中是很难得的。

1.2.5 LPC86x的特色功能

LPC86x中新增加了一些全新的功能模块：

·I3C，新一代高速串行通信外设，兼容I2C并且提升通信速率，支持多主多从，支持低目标电压。

·FTM，支持两个FlexTimer，一路FlexTimer可以支持驱动BLDC和PMSM电机，一路可以用于做编码器解码。

1.2.6 适合IoT应用场景的超小型封装

在LPC800系列中还有一些非常适合IoT应用场景的超小型封装产品，它们是：

· LPC802UK：WLCSP16晶片级封装，面积仅有1.86x1.86mm2，厚度仅有0.3mm；

· LPC804UK：WLCSP20晶片级封装，面积仅有2.50x1.84mm2，厚度仅有0.5mm；

· LPC812M101JTB16：XSON16封装，面积为2.5x3.2 mm2，厚度仅有0.5mm。

除此之外，大部分系列都有HVQFN33的封装，体积也非常小巧，仅有5x5x0.85mm3。

1.3. LPC800的应用实例

自从推出市场以来，LPC800受到了广泛的关注和好评，迅速地应用到工业、家电、PC周边配件、汽车等各个领域，以下这些应用实例都是我们客户的真实案例，从这些实例的简单分析中，读者可以更加深入地体会LPC800的优势和广泛的适应性。

1.3.1 电池包管理

在现代社会，到处都要用到可移动的，使用电池供电的设备，从手机平板电脑，到电动工具、电动自行车、无人机，再到电动汽车、大型机器人等，都需要容量、材质不同的电池，这些电池都需要是可反复充电循环使用的，因此就需要对电池进行各种管理，从充电到储存，再到放电的使用过程。

不管使用哪种材质的充电电池，每个单体电池的电压都不是很高，常见的镍氢、镍镉电池大约为1.2V，锂离子电池大约在3.6V~3.7V左右。一般的用电设备，所需的电压都要比单个电池能够提供的电压高。由于制造的限制，一般每个单体电池的容量也不是很大。所以通常的场合都是使用多个单体电池并联为一组，获得更高的容量，再多个电池组串联获得更高的电压。例如我的戴尔电脑里面的锂离子电池组的输出电压是11.1V，显然里面是由三组电池串联组成。

在很多应用中，是把串并联构成的电池组和电池管理的电路同时放在一个封装中，成为一个独立的组件——电池包，这样的电池包在电动工具、电动自行车、电动汽车等应用中基本是标准配置。

LPC800非常适合于放在这样的电池包里，做充电、放电的管理。

电池包的充放电管理按照控制的精细化程度，需要不同级别的MCU配置，大体可分为以下一些要求：

▲低功耗和快速唤醒。
低功耗的要求是保证电池在不使用时，尽量减少电量的消耗，延长电池的待机寿命。
快速唤醒的要求则是保证电池从待机到全力输出电量的时间间隔尽可能地短。

▲多个ADC的测量通道：

■在充电时需要监测和控制电池的充电电压和充电电流；

■为了均衡串并联的单体电池间的个体差异，可能需要监测施加到每个单体电池的状况，并实现分别控制；

■在实际使用中，需要监视电池放电的电压和电流，防止超大电流放电或短路时损坏电池；

■在充放电时监视电池的温度，防止过热甚至爆炸；

■对于某些电池，可能需要在充电前，需要把电池残存的电量放空，此时也需要进行有效地监控。

▲多个PWM的输出通道：

■有效地控制充电的电压和电流；

■有效地控制实际使用过程中的电流，防止过载；

■寒冷地区，有时需要适当加热以保持电池的正常体温；

■有时需要控制指示灯的视觉效果等。

▲多个通信通道

■需要和其它设备通信，例如蓝牙模块(UART或SPI)，其它电池包(I2C或UART)；

■实现用于电池管理的SMBus；

■扩展其它模组的通道等。

▲多个GPIO控制引脚等。

▲一些高档的电池包，本身还会配有显示屏，以显示各种参数。

下面的框图是LPC824用在一个电池包里，实现综合管理和控制的实际案例。

图1.LPC824实现电池包的综合管理和控制

恩智浦

这是一个高端的电池包，内有10节串联的锂离子电池，整体输出36V电压。使用了一个专用的电池管理芯片，充电时精细地控制到每节电池，LPC824通过I2C控制这个管理芯片的操作。

在各种监测和控制回路之外，电池包还包含一个蓝牙模组，可以与手机进行通信，对电池包的工作进行监视和管理，同时可以实现用户的注册登记，实行授权管理，SPI Flash中可以用来存放相关的信息。可以设想在共享单车、共享电动车、共享汽车等应用中，通过这种对电池的注册管理，实现租用和解锁等操作。

1.3.2 手机耳机口扩展器(QuickJack)

手机已经成为现代人不可或缺的工具，通话已经退化为一种辅助功能，手机越来越多地承载起人与物、物与物互相交互的终端或中继器的作用。充分地利用手机的交互终端或中继器的功能，人们自然地希望能够把各种各样的东西和手机连接起来，蓝牙、WiFi、USB都是现成的通信接口，相对于这些接口，还有一种更加简单方便且成本低廉的方案——利用耳机插口。

恩智浦发布过一个使用LPC812实现的方案——Quick-Jack，利用手机的耳机插口与手机进行低速数据交换。此方案完全开源，用户可以在恩智浦的网站上下载到相应的文档、线路图和源代码，也包括手机端(iOS和Android)的源代码；还可以买到做好的开发板，开发板的编号是OM13069。

恩智浦提供的Quick-Jack方案，可以实现1400波特的数据传输率；开发板上预置了四个可以通过手机端控制的LED灯，一个五方向按键(俗称游戏棒)，和一个通过I2C连接的温度传感器，手机端可以读取到游戏棒和稳度传感器的状态和数值。开发板的功耗大约为10mW，一般智能手机的耳机输出功率可以达到15mW，使用者可以利用扩展接口再外接5mW以内的其它器件。开发板上还有一个电池，在手机不能提供足够电量，或用户自己外扩得器件需要较大的功率时，可以通过跳线使用板载电池供电。

该方案充分地利用了LPC812的低功耗和快速GPIO的特性，可以直接使用耳机信号的微弱电量工作，并利用简单的GPIO操作实现输入数据和输出数据的曼彻斯特编解码，在此基础上用户可以使用LPC812所提供的串行通信通道(2~3个UART、1~2个SPI、1个I2C等)或GPIO，连接各种传感器或控制器件。

现在所有智能手机的耳机口都有四个信号端，左右两个音频输出通道、一个麦克风输入通道和一个地线。LPC812的方案是通过耳机的右声道获取电量，再通过一个LDO得到稳定的3.3V给MCU和其它电路供电；手机端的Apps利用耳机的左声道向LPC812发送数据和命令，LPC812则通过耳机口中的麦克风信号线向Apps发送数据和响应，实现完整的命令/数据交换链。下面是方案的开发板系统的框图。

图2.恩智浦的Quick-Jack方案框图

恩智浦

关于该方案的更多细节，读者可以在恩智浦官网下载相应的文档。

已经有很多客户采用上述参考方案，设计出自己的产品，以下是几个典型的案例：

▲用于手机支付的银行卡读卡器
这个产品是在Quick-Jack的基础上，用LPC812实现了一个NFC的接口和接触式芯片卡的读卡器，下面是简单框图和产品图片：

恩智浦

▲便携式血糖仪
该方案使用电化学法直接测量血糖试纸条反应区产生的微小电流，这个微小电流经过放大和转换，产生一个电压信号，通过电压的测量，计算出血糖的数值。血糖试纸上的化学反应会受到环境温度的影响，系统中需要有一个温度传感器检测环境温度，并把测量数值代入计算中。
用户选用了与LPC812硬软件兼容的但具有ADC功能的LPC822，直接拷贝移植了Quick-Jack参考设计，自行增加了血糖测量和计算的电路和代码，很快就完成了产品设计。
血糖仪的读数显示、数据记录等功能都是在手机端的Apps实现。

恩智浦