探索CC2651P3无线MCU：低功耗、高性能的理想之选

在当今的电子设计领域，无线微控制器（MCU）的性能和功耗往往是工程师们关注的焦点。TI推出的SimpleLink™ CC2651P3无线MCU，凭借其出色的特性和广泛的应用场景，成为了众多项目的理想选择。今天，我们就来深入了解一下这款强大的MCU。

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一、CC2651P3的核心特性

（一）强大的硬件配置

CC2651P3搭载了48 - MHz的Arm® Cortex® - M4处理器，拥有352KB的闪存程序内存和32KB的超低漏电SRAM，还有8KB的Cache SRAM（也可作为通用RAM使用）。这样的配置为复杂的应用程序提供了充足的运行空间和高效的处理能力。

（二）低功耗设计

在功耗方面，CC2651P3表现卓越。MCU在活动模式下仅消耗2.91 mA（CoreMark®），每MHz运行CoreMark时仅需61 μA。在待机模式下，若开启RTC和保留32KB RAM，功耗低至0.8 μA；关机模式下更是低至0.1 μA，且支持引脚唤醒。射频部分的功耗也控制得相当出色，接收模式下为6.4 mA，不同发射功率下的电流也在合理范围内，如0 dBm时为7.1 mA，+20 dBm（7x7封装）时为101 mA。

（三）丰富的无线协议支持

该MCU支持多种无线协议，包括Zigbee®、Bluetooth® 5.2 Low Energy、IEEE 802.15.4 PHY和MAC等。这使得它能够广泛应用于各种无线通信场景，满足不同用户的需求。

（四）高性能射频

CC2651P3的射频性能十分出色，蓝牙低功耗模式下接收灵敏度可达 - 104 dBm，发射功率最高可达 +20 dBm，并具备温度补偿功能，确保在不同环境下都能稳定工作。

（五）合规性

它符合多项国际标准，如ETSI EN 300 328、EN 300 440 Cat. 2和3、FCC CFR47 Part 15以及ARIB STD - T66等，为产品的全球推广提供了保障。

（六）丰富的外设

MCU配备了多种外设，如数字外设可路由到任何GPIO，拥有四个32位或八个16位通用定时器、12位ADC（200 kSamples/s，8通道）、8位DAC、模拟比较器、UART、SSI、I2C、I2S、实时时钟（RTC）以及集成的温度和电池监测器等，方便工程师进行各种功能的扩展。

（七）安全保障

内置AES 128位加密加速器和真随机数生成器（TRNG），并在软件开发套件（SDK）中提供了额外的加密驱动，为数据安全提供了有力保障。

二、应用领域广泛

CC2651P3的应用场景十分丰富，涵盖了2400 - 2500 MHz ISM和SRD系统，具体包括：

（一）建筑自动化

可用于建筑安全系统（如运动探测器、电子智能锁、门窗传感器、车库门系统、网关等）、HVAC（如恒温器、无线环境传感器、HVAC系统控制器、网关等）、消防安全系统（如烟感和热感探测器、火灾报警控制面板等）以及视频监控（如IP网络摄像机）等。

（二）工业领域

在工业运输（如资产跟踪）、工厂自动化和控制等方面也能发挥重要作用。

（三）医疗领域

可用于电子销售点（EPOS）、电子货架标签（ESL）等。

（四）通信设备

如无线局域网或Wi - Fi接入点、边缘路由器、小型企业路由器等。

（五）个人电子设备

包括家庭影院和娱乐设备（如智能音箱、智能显示器、机顶盒等）以及可穿戴设备（非医疗类，如智能追踪器、智能服装等）。

三、详细剖析CC2651P3

（一）系统CPU

基于Arm® Cortex® - M4架构，专门针对小尺寸嵌入式应用进行了优化。采用Arm Thumb® - 2混合16 - 和32 - 位指令集，在紧凑的内存空间内实现了32位Arm核心的高性能。快速的代码执行允许增加睡眠模式时间，具有确定性、高性能的中断处理能力，适用于对时间要求严格的应用。同时，还具备单周期乘法指令、硬件除法、面向快速数字信号处理的乘积累加以及饱和算术等功能，支持全调试和跟踪，优化了单周期闪存内存访问，并与8 - KB 4路随机替换缓存紧密连接，降低了有源功耗和等待状态，工作频率可达48 MHz，每MHz可实现1.25 DMIPS。

（二）射频核心（RF Core）

这是一个高度灵活且面向未来的射频模块，包含一个Arm Cortex - M0处理器，用于连接模拟RF和基带电路，处理与系统CPU之间的数据传输，并将信息位组装成给定的数据包结构。它为主要CPU提供了高级的基于命令的API，通过TI提供的RF驱动进行配置和数据传输。该处理器可自主处理无线协议中对时间要求严格的部分，减轻了主CPU的负担，降低了功耗，同时还提供了一些信号来控制外部电路，如RF开关或范围扩展器。其各种物理层无线电格式部分采用软件定义无线电技术，可通过OTA更新支持未来的标准版本。

1. 蓝牙5.2低功耗支持

通过TI提供的蓝牙5.2堆栈或高级蓝牙API，支持高速2 - Mbps物理层以及500 - kbps和125 - kbps长距离PHYs（编码PHY）。高速模式下数据传输速度可达2 Mbps，是蓝牙4.2的两倍、蓝牙4.0的五倍，且不增加功耗，同时提高了能源效率和无线共存性，减少了无线电通信时间。此外，还能根据应用需求灵活调整速度和范围，支持快速、可靠的固件更新。

2. 802.15.4（Zigbee和6LoWPAN）支持

通过专用的IEEE无线电API，支持2.4 - GHz IEEE 802.15.4 - 2011物理层，TI在SimpleLink SDK中提供了免版税的Zigbee协议栈，实现了强大的端到端解决方案。

（三）内存管理

拥有高达352 - KB的非易失性（闪存）内存，用于存储代码和数据，支持系统内编程和擦除。最后一个闪存扇区包含客户配置部分（CCFG），通过ccfg.c源文件进行设备配置。超低漏电系统静态RAM（SRAM）为32 - KB单块，可用于数据存储和代码执行，在待机电源模式下默认保留内容。8 - KB的4路非关联缓存默认启用，用于缓存和预取系统CPU读取的指令，也可在客户配置区域（CCFG）中作为通用RAM使用。ROM中包含串行（SPI和UART）引导加载程序，用于设备的初始编程。

（四）加密技术

CC2651P3配备了一系列与加密相关的硬件加速器，包括真随机数生成器（TRNG）模块和128位密钥长度的高级加密标准（AES）。TRNG基于24个环形振荡器，为生成密钥、初始化向量（IV）等提供了真正的、非确定性的噪声源。软件开发套件（SDK）中还提供了大量开源加密库，支持多种加密算法，如椭圆曲线Diffie–Hellman（ECDH和ECDHE）、椭圆曲线数字签名算法（ECDSA）、SHA256、HMAC with SHA256、AES CBC - MAC、AESECB、AESCBC、AESCTR、AESCCM等，为构建安全可靠的物联网应用提供了便利。

（五）定时器功能

1. 实时时钟（RTC）

70位3通道定时器，运行在32 kHz低频系统时钟（SCLK_LF）上，除关机模式外，在所有电源模式下均可使用。可校准以补偿LF RCOSC作为低频系统时钟时的频率漂移，若使用外部不同频率的LF时钟，可调整RTC滴答速度。在TI - RTOS中，RTC作为操作系统的基本定时器，只能通过内核API（如时钟模块）访问，默认情况下，调试器暂停设备时RTC也会暂停。

2. 通用定时器（GPTIMER）

四个灵活的GPTIMER可作为4×32位定时器或8×16位定时器，运行频率最高可达48 MHz。每个定时器支持多种功能，如单次或周期性计数、脉冲宽度调制（PWM）、边缘间时间计数和边缘计数等。定时器的输入和输出与设备事件结构相连，可与GPIO输入、其他定时器、DMA和ADC等信号进行交互，在活动和空闲电源模式下可用。

3. 无线电定时器

多通道32位定时器，运行频率为4 MHz，作为无线通信网络的定时基础，使用32位定时字作为网络时间。设备无线电开启或关闭时，通过专用无线电API与RTC同步，确保网络堆栈中无线电定时器在无线电启用时始终运行，通常通过无线电API中的触发时间字段间接使用，且仅在使用准确的48 MHz高频晶体作为SCLK_HF源时使用。

4. 看门狗定时器

用于在系统因软件错误运行异常时恢复控制，通常在系统组件和任务的定期监控无法验证正常功能时，生成中断并重置设备。运行时钟频率为1.5 MHz，启用后无法停止，在待机电源模式和调试器暂停设备时暂停运行。

（六）串行外设和I/O

1. 同步串行接口（SSI）

兼容SPI、MICROWIRE和TI的同步串行接口，支持SPI主从模式，最高速度可达4 MHz，支持可配置的相位和极性。

2. 通用异步收发器（UART）

实现通用异步接收和发送功能，支持灵活的波特率生成，最高可达3 Mbps。

3. I2S接口

用于处理数字音频，也可连接脉冲密度调制麦克风（PDM）。

4. I2C接口

用于与符合I²C标准的设备进行通信，支持100 kHz和400 kHz的操作，可作为主设备或从设备。

5. I/O控制器（IOC）

控制数字I/O引脚，通过多路复用电路将一组外设灵活分配到I/O引脚。所有数字I/O都具有中断和唤醒功能，可编程上拉和下拉，可在负边缘或正边缘（可配置）产生中断。配置为输出时，引脚可作为推挽或开漏模式。部分GPIOs具有高驱动能力，所有数字外设可连接到设备的任何数字引脚。

（七）电池和温度监测

CC2651P3集成了温度和电池电压监测器，允许应用程序持续监测片上温度和电源电压，并根据环境条件的变化做出响应。该模块包含窗口比较器，当温度或电源电压超出定义范围时，可中断系统CPU，这些事件还可通过始终开启（AON）事件结构唤醒设备从待机模式恢复。

（八）μDMA

设备包含一个直接内存访问（μDMA）控制器，可将数据传输任务从系统CPU卸载，提高处理器和可用总线带宽的使用效率。它可在内存和外设之间进行数据传输，具有多达32个通道，支持多种传输模式，如内存到内存、内存到外设、外设到内存和外设到外设，数据大小支持8、16和32位，还具备乒乓模式，可实现数据的连续流式传输。

（九）调试功能

通过专用的cJTAG（IEEE 1149.7）或JTAG（IEEE 1149.1）接口支持片上调试。设备默认启动为cJTAG模式，需重新配置才能使用4引脚JTAG。

（十）电源管理

支持多种电源模式，包括活动模式、空闲模式、待机模式和关机模式。

1. 活动模式

应用系统CPU积极执行代码，处理器和所有当前启用的外设正常运行，系统时钟可使用任何可用的时钟源。

2. 空闲模式

所有活动外设可进行时钟操作，但应用CPU核心和内存不进行时钟操作，不执行代码。任何中断事件可使处理器恢复到活动模式。

3. 待机模式

仅始终开启（AON）域处于活动状态，需要外部唤醒事件或RTC事件才能使设备恢复到活动模式。具有保留功能的MCU外设在唤醒时无需重新配置，CPU从进入待机模式的位置继续执行。所有GPIOs在待机模式下被锁存。

4. 关机模式

设备完全关闭（包括AON域），I/Os锁存进入关机模式前的值。任何定义为从关机模式唤醒的I/O引脚状态变化可唤醒设备并作为复位触发。该模式下仅保留锁存的I/O状态和闪存内存内容。

四、设计注意事项

（一）参考设计

在使用CC2651P3进行设计时，应严格遵循参考设计，特别注意RF组件的放置、去耦电容器和DCDC调节器组件的选择，以及所有这些组件的接地连接。例如，CC26x1 - P3EM - 5XS24PA24_10dBm参考设计适用于以10 dBm输出功率运行高功率PA，采用单端前端配置和外部LNA偏置进行RX；CC26x1 - P3EM - 7XD24PA24参考设计则适用于20 dBm输出功率的高功率PA。

（二）PCB布局

为了获得最佳的RF性能，尤其是在使用高功率PA时，必须准确遵循参考设计的组件值和布局。否则，可能会因巴伦失配导致RF性能下降，巴伦的幅度和相位平衡应分别小于1 dB和6度。此外，PCB堆叠也对正常运行至关重要，CC2651P3 EVM和表征板在顶层（RF信号）和第二层（接地平面）之间的成品厚度为175 µm，在最终产品中应使用相同或稍厚的基板厚度。

五、开发工具与支持

（一）开发套件

CC2651P3 LaunchPad™开发套件为开发高性能无线应用提供了便利，该套件基于CC2651P3 SimpleLink无线MCU，可快速评估和原型化2.4 - GHz无线应用，如蓝牙5低功耗、Zigbee和Thread等，并可与LaunchPad生态系统集成，轻松添加传感器、显示器等功能。

（二）软件开发套件

SimpleLink™ CC13XXCC26XX SDK为CC13XX / CC26XX系列设备的无线应用开发提供了完整的解决方案。它包含了多种协议栈，如蓝牙低功耗4和5.2、Thread（基于OpenThread）、Zigbee 3.0、Wi - SUN®、TI 15.4 - Stack（基于IEEE 802.15.4的Sub - 1 GHz和2.4 GHz星形网络解决方案）、专有RF（用于构建专有RF软件的大量构建块）以及多协议支持（通过动态多协议管理器（DMM）实现堆栈之间的并发操作）。

（三）开发工具

1. Code Composer Studio™

集成开发环境（IDE），支持TI的微控制器和嵌入式处理器系列。它包含优化的C/C++编译器、源代码编辑器、项目构建环境、调试器、分析器等功能，提供直观的用户界面，结合了Eclipse®软件框架和TI的高级嵌入式调试功能，支持所有SimpleLink无线MCU，并包括EnergyTrace™软件（应用能源使用分析）和TI - RTOS的实时对象查看器插件。

2. Code Composer Studio™ Cloud

基于Web的IDE，可创建、编辑和构建CCS和Energia™项目，构建成功后可下载并在连接的LaunchPad上运行，支持基本调试功能，如设置断点和查看变量值。

3. IAR Embedded Workbench® for Arm®

一套用于使用汇编器、C和C++构建和调试嵌入式系统应用的开发工具，提供完全集成的开发环境，包括项目管理器、编辑器和构建工具。支持所有SimpleLink无线MCU，提供广泛的调试器支持，如XDS110、IAR I - jet™和Segger J - Link™，并提供TI - RTOS的实时对象查看器插件，部分软件示例可直接支持IAR。

4. SmartRF™ Studio

Windows®应用程序，用于评估和配置TI的SimpleLink无线MCU。在设计过程的早期阶段，可帮助RF系统设计人员轻松评估无线电性能，特别适用于生成配置寄存器值以及进行实际测试和调试。

5. CCS UniFlash

独立工具，用于对TI MCU的片上闪存进行编程，提供GUI、命令行和脚本接口，免费使用。

（四）文档支持

TI提供了丰富的文档资源，包括TI Resource Explorer（提供软件示例、库、可执行文件和文档）、CC2651P3 Silicon Errata（描述设备每个硅版本的功能规格的已知例外情况）、应用报告（可在设备产品文件夹中找到）、技术参考手册（TRM）等，方便工程师进行开发和调试。

六、总结

CC2651P3无线MCU以其强大的性能、低功耗设计、丰富的外设和广泛的应用场景，成为了电子工程师在无线设计领域的得力助手。无论是在智能家居、工业自动化还是物联网等领域，它都能发挥出巨大的优势。然而，在使用过程