深入解析PN7462家族NFC Cortex - M0微控制器

在当今的电子世界中，NFC技术凭借其便捷性和高效性，在众多领域得到了广泛应用。NXP Semiconductors推出的PN7462家族NFC Cortex - M0微控制器，以其高性能、低功耗的特点，成为了众多工程师在设计相关应用时的理想选择。今天，我们就来深入剖析这款微控制器。

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一、总体概述

PN7462家族是基于32位Arm Cortex - M0的NFC微控制器家族，具有高性能和低功耗的显著优势。与现有架构相比，它拥有简单的指令集和内存寻址方式，同时代码尺寸更小。该家族提供了一站式解决方案，将NFC（支持所有NFC Forum模式）、微控制器、可选的接触式智能卡读卡器以及软件集成在单芯片中，CPU频率最高可达20 MHz。

家族成员包括PN7462AUHN、PN7462AUEV、PN7412AUHN、PN7362AUHN、PN7362AUEV、PN7360AUHN和PN7360AUEV。尽管它们在一些特性上存在差异，如接触式智能卡读卡器的支持情况、闪存内存大小等，但所有产品都配备了12 kB的SRAM数据内存和4 kB EEPROM，并且包含一个主机接口（高速模式 $I^{2} C$ - 总线、SPI、USB或高速UART）和两个主接口（SPI和Fast - mode Plus $I^{2} C$ - 总线），还具备四个通用计数器/定时器、一个随机数生成器、一个CRC协处理器以及最多21个通用I/O引脚。

二、特性与优势

（一）集成接触式接口前端

仅适用于具有接触式接口的产品。该前端支持Class A、B和C卡，可在1.8 V、3 V和5 V电源下工作。具备特定的ISO UART，可通过频率或分频比编程实现可变波特率，能在字符级别进行 $T = 0$ 错误管理，并设有额外的保护时间寄存器。还提供DC - DC转换器，从3 V开始支持Class A，从2.7 V开始支持Class B。此外，具有热和短路保护、自动激活和停用序列、增强的ESD保护（> 12 kV），符合ISO/IEC 7816和EMV接触协议规范，时钟生成最高可达13.56 MHz，支持同步卡，并且可以通过添加插槽扩展器（如TDA8026）来扩展接触式接口数量。

（二）集成ISO/IEC 7816 - 3&4 UART接口

同样适用于具有该集成接口的产品。PN7462家族可通过I/O辅助接口连接插槽扩展器（TDA8035 - 1插槽、TDA8020 - 2插槽和TDA8026 - 5插槽）来扩展接触式接口数量。支持Class A（5 V）、Class B（3 V）和Class C（1.8 V）智能卡供电，对智能卡提供保护，拥有三个受保护的半双工双向缓冲I/O线（C4、C7和C8），符合ISO/IEC 7816和EMVCo标准。

（三）集成非接触式接口前端

适用于具有集成非接触式接口的产品。该前端配备高RF输出功率前端IC，传输速度最高可达848 kbit/s，支持NFC IP1和NFC IP2，全面支持NFC Forum标签类型（类型1、类型2、类型3、类型4A、类型4B和类型5），支持P2P主动和被动、目标和发起者模式，以及卡模拟ISO14443类型A、ISO/IEC 14443类型A和类型B、使用Crypto 1的MIFARE产品、ISO/IEC 15693和ISO/IEC 18000 - 3模式3。具备低功耗卡检测功能，采用动态功率控制（DPC）、自适应波形控制（AWC）和自适应范围控制（ARC），符合EMV非接触式协议规范。

（四）Cortex - M0微控制器

1. 处理器核心：采用32位M0处理器，内置嵌套向量中断控制器（NVIC），具备不可屏蔽中断和24位系统滴答定时器，运行频率最高可达20 MHz，通过时钟管理实现低功耗。
2. 内存：包含160 kB / 80 kB的闪存、12 kB的SRAM和4 kB的EEPROM，还包括40 kB的引导ROM，其中包含USB大容量存储主引导加载器用于代码下载，支持串行线调试（SWD）接口进行调试。
3. 外设：
   • 主机接口：包括USB 2.0全速接口（具备USB 3.0集线器连接能力）、HSUART（支持9600 bauds至115200 bauds的标准速度，最高可达1.288 Mbit/s）、SPI（半双工和全双工能力，速度最高可达7 Mbit/s）和 $I^{2} C$（支持标准模式、快速模式和高速模式，支持多地址）。
   • 主接口：SPI（半双工能力，速度从1 Mbit/s到6.78 Mbit/s）和 $I^{2} C$（支持标准模式、快速模式、快速模式加和时钟拉伸）。
   • 通用I/O：最多21个通用I/O（GPIO），具有可配置的上拉/下拉电阻，GPIO1到GPIO12可作为边沿和电平敏感中断源。
   • 电源管理：具备两种低功耗模式（待机模式和硬电源关闭模式），支持USB主机接口的挂起模式，可通过主机接口、GPIOs、RF场检测从硬电源关闭模式、待机模式和挂起模式唤醒处理器，集成PMU自动调整内部稳压器以最小化功耗，具备上电复位功能，RF电源可外部供电或使用集成LDO（TX LDO，可配置为3 V、3.3 V、3.6 V、4.5 V和4.75 V），焊盘电压可外部提供3.3 V或1.8 V，也可使用集成LDO（3.3 V电源）。
4. 定时器：包含四个通用定时器和可编程看门狗定时器（WDT），以及CRC协处理器和随机数生成器。
5. 时钟：采用27.12 MHz晶体振荡器、专用的48 MHz USB PLL、集成的20 MHz HFO和365 kHz LFO，工作温度范围为 - 40 °C至 + 85 °C。

三、应用领域

PN7462家族微控制器的应用十分广泛，涵盖了物理访问控制、游戏、USB NFC读卡器（包括双接口智能卡读卡器）、家庭银行、符合EMVCo标准的支付读卡器、高集成度设备以及各种NFC应用。

四、快速参考数据

文档中提供了详细的快速参考数据，包括工作范围（ - 40 °C至 + 85 °C）、电源电压、电源电流、最大功耗等参数。例如，VDDP(VBUS)电源电压在不同模式和支持的卡类型下有不同的取值范围，IDD(TVDD)为非接触式接口支持的最大工作电流等。

五、订购信息

文档列出了PN7462家族的订购信息，包括不同型号的封装类型、描述、版本等详细内容，方便工程师根据实际需求进行选择。

六、功能描述

（一）Arm Cortex - M0微控制器

该微控制器针对低成本设计、高能效和简单指令集进行了优化，CPU基于内部时钟运行，可配置为20 MHz、10 MHz和5 MHz等频率。外设包括160 kB闪存、12 kB SRAM、4 kB EEPROM、一个可配置主机接口、两个主接口、4个定时器、12个通用I/O引脚、一个ISO/IEC 7816接触卡接口（仅PN7462AUHN）、一个ISO/IEC 7816 - 3&4 UART（仅PN7462AUHN和PN7462AUEV）和一个13.56 MHz NFC接口。

（二）存储器

1. 片上闪存编程存储器：根据版本不同，包含160 / 80 kB的片上闪存程序存储器，可通过片上引导加载器软件使用系统内编程（ISP）或应用内编程（IAP）进行编程。闪存分为两个80 kB的实例，每个扇区由64字节的页面组成。
2. EEPROM：嵌入4 kB的片上字节可擦除和字节可编程EEPROM数据存储器，可通过ISP进行编程。
3. SRAM：包含总共12 kB的片上静态RAM存储器。
4. ROM：包含40 kB的片上ROM存储器，其中包含引导加载器、USB大容量存储主下载以及一些应用编程接口（APIs），如闪存的应用内编程（IAP）支持、调试接口的生命周期管理、闪存的代码写保护和USB大容量存储主下载、USB描述符配置、超时和焊盘电源源配置等。
5. 内存映射：PN7462家族包含多个不同的内存区域，APB外设区域大小为512 kB，最多可划分32个外设，仅0到15号外设可访问，每个外设分配16 kB，简化了外设的地址解码。

（三）嵌套向量中断控制器（NVIC）

Cortex - M0包含NVIC，与CPU紧密耦合，可实现低中断延迟和高效处理迟到的中断。NVIC具有系统异常和外设中断控制功能，支持32个向量中断，四个中断优先级级别并带有硬件优先级级别屏蔽，一个与看门狗中断相连的不可屏蔽中断（NMI），以及软件中断生成功能。文档还列出了PN7462家族微控制器的中断源。

（四）GPIOs

该家族最多拥有21个通用I/O（GPIO），具有可配置的上拉和下拉电阻，最多9个GPIO与SPI主、 $I^{2} C$ - 总线主和AUX引脚复用（如果可用）。引脚可动态配置为输入或输出，通过专用寄存器进行读写操作，可读取输出寄存器的值和输入引脚的当前状态。GPIO具有动态配置、3.3 V和1.8 V信号、可编程弱上拉和弱下拉、独立中断、可配置为唤醒源、可编程尖峰滤波器、可编程压摆率和带禁用选项的迟滞接收器等特性。通过PCR模块进行配置，GPIO1到GPIO12可编程为在电平、上升或下降沿或两者上产生中断。

（五）CRC引擎16/32位

PN7462家族拥有可配置的16/32位并行CRC协处理器。16位CRC符合X.25（CRC - CCITT，ISO/IEC 13239）标准，生成多项式为 $g ( x ) = x ^ { 1 6 } + x ^ { 1 2 } + x ^ { 5 } + 1$；32位CRC符合以太网/AAL5（IEEE 802.3）标准，生成多项式为 $g(x)=x^{32}+x^{26}+x^{23}+x^{22}+x^{16}+x^{12}+x^{11}+x^{10}+x^{8}+x^{7}+x^{5}+x^{4}+x^{2}+x+1$。CRC计算并行进行，一个时钟周期完成一次计算，标准CRC 32多项式符合FIPS140 - 2。该引擎具有可配置的CRC预设值、可选的LSB或MSB优先、基于32位、16位和8位字的CRC 32和CRC16计算以及支持位顺序反转等特性。

（六）随机数生成器（RNG）

集成了随机数生成器，由模拟真随机数生成器（TRNG）和数字伪随机数生成器（PRNG）组成，TRNG用于为PRNG加载新种子。该随机数生成器可生成8位随机数，符合FIPS 140 - 2、BSI AIS20和SP800 - 22标准。

（七）主接口

1. $I^{2} C$ 主接口：支持标准 $I^{2} C$ 兼容总线接口（开漏引脚），支持标准模式、快速模式和快速模式加（最高1 Mbit/s），仅支持 $I^{2} C$ 主模式，具有可编程时钟以实现灵活的速率控制、时钟拉伸、7位和10位 $I^{2} C$ 从寻址、LDM/STM指令支持，最大数据帧大小可达1024字节。
2. SPI接口：包含一个SPI主控制器和一个SPI从控制器。SPI主控制器负责将系统RAM中的数据传输到SPI外部从设备，并将从设备的数据存储到系统RAM中，可对接收帧计算CRC并自动计算和附加CRC到输出帧（可选功能）。SPI主接口具有同步、半双工特性，支持摩托罗拉SPI帧格式，最大SPI数据速率为6.78 Mbit/s，支持多种数据速率，最多可选择两个从设备并可选择极性，可编程时钟极性和相位，仅支持8位传输，最大帧大小为511数据字节有效负载 + 1 CRC字节，可选对TX和RX缓冲区的所有数据进行1字节CRC计算，具备AHB主接口进行数据传输。

（八）主机接口

该家族嵌入了四个不同的主机连接接口：USB、HSUART、 $I^{2} C$ 和SPI，四个接口共享缓冲区管理器和引脚。接口选择通过配置电源时钟复位（PCR）寄存器完成，主机接口引脚不应悬空。

1. 高速UART：仅支持从模式，标准波特率为9600、19200、38400、57600、115200，最高可达1.288 Mbit/s，支持全双工通信，仅支持一种操作模式（起始位、8个数据位（LSB）和停止位），“停止位”数量可针对RX和TX编程为1或2个，EOF长度可配置为1位到122位。
2. $I^{2} C$ 主机接口控制器：支持从 $I^{2} C$ 总线，支持标准模式、快速模式（扩展到1 Mbit/s支持）和高速模式，仅支持7位寻址模式，通过两个引脚选择 $I^{2} C$ 地址，支持多个地址， $I^{2} C$ 从地址的高位硬编码，值为0101 0XXb，支持通用调用（仅软件复位）和软件复位（仅标准模式和快速模式）。
3. SPI主机/从接口：可作为SPI从接口使用，基于四线SSI（主进从出（MISO）、主出从进（MOSI）、串行时钟（SCK）和非从选择（NSS））操作，SPI从选择极性固定为正极性。具有SPI速度最高可达7 Mbit/s、仅支持从操作、仅支持8位数据格式、可编程时钟极性和相位、SPI从选择极性选择固定为正极性、HDLL模式下半双工、原生模式下全双工等特性，若没有数据可用，MISO线保持高电平（0xFF），切换NSS线表示新帧。
4. USB接口：由符合USB 2.0规范的全速设备控制器和片上PHY（物理层）组成，可与USB 3.0主机设备互操作。设备控制器可与USB主机控制器进行12 Mbit/s的数据交换，由寄存器接口、串行接口引擎和端点缓冲区内存组成，串行接口引擎对USB数据流进行解码并将数据写入相应的端点缓冲区。通过状态寄存器指示USB传输完成或错误状态，若启用则会生成中断。具有完全符合USB 2.0规范（全速）、专用USB PLL、支持14个物理（7个逻辑）端点（包括一个控制端点）、每个非控制端点支持批量、中断或等时端点类型、允许单或双缓冲、支持从挂起模式唤醒和远程唤醒以及软连接等特性。

（九）接触式接口

仅适用于PN7462AUHN、PN7412AUHN和PN7462AUEV。这些型号集成了ISO/IEC 7816接口，可与接触式智能卡通信，无需外部接触式前端，为卡提供了高水平的安全性。可通过I/O辅助接口连接插槽扩展器（TDA8035 - 1插槽、TDA8020 - 2插槽和TDA8026 - 5插槽）来扩展接触式接口数量，支持Class A（5 V）、Class B（3 V）和Class C（1.8 V）智能卡供电，对智能卡提供保护，拥有三个受保护的半双工双向缓冲I/O线（C4、C7和C8），符合ISO/IEC 7816和EMVCo 4.3标准。

1. 特性与优势：对智能卡提供保护，包括热和电流限制、 $VCC$ 调节（5 V、3 V和1.8 V）、硬件自动停用、增强的卡侧ESD保护（> 8 kV），支持Class A、B和C接触式智能卡，具备DC - DC转换器用于 $VCC$ 生成，内置卡存在接触去抖动功能，符合ISO/IEC 7816和EMVCo 4.3标准，使用外部晶体振荡器（27.12 MHz）可生成最高13.56 MHz的卡时钟，提供同步频率变化，具备特定的ISO/IEC UART，支持异步协议 $T