LPC1110/11/12/13/14/15 32 位 ARM Cortex - M0 微控制器：设计与应用指南

一、引言

在电子设计领域，微控制器是众多项目的核心。NXP 推出的 LPC1110/11/12/13/14/15 32 位 ARM Cortex - M0 微控制器凭借其高性能、低功耗等特性，在诸多应用场景中展现出强大的竞争力。本文将详细介绍这款微控制器的特点、功能以及实际应用中的注意事项，为电子工程师们提供全面的设计参考。

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二、产品概述

2.1 总体描述

LPC1110/11/12/13/14/15 是基于 ARM Cortex - M0 的低成本 32 位 MCU 系列，专为 8/16 位微控制器应用而设计。相比现有的 8/16 位架构，它在性能、功耗、指令集和代码大小等方面都有显著优势。该系列微控制器的 CPU 频率最高可达 50 MHz，具备丰富的外设资源，包括多达 64 kB 的闪存、8 kB 的数据内存、I2C 总线接口、UART、SPI 接口、通用计数器/定时器、10 位 ADC 以及多达 42 个通用 I/O 引脚。

2.2 产品系列

LPC111x 系列包含 LPC1100 系列、LPC1100L 系列和 LPC1100XL 系列。其中，LPC1100L 和 LPC1100XL 系列具有电源配置文件、窗口看门狗定时器和可配置的开漏模式等特点。

三、产品特性与优势

3.1 系统特性

• ARM Cortex - M0 处理器：运行频率最高可达 50 MHz，内置嵌套向量中断控制器（NVIC），支持 32 个向量中断，包括多达 13 个来自单个 GPIO 引脚的输入到启动逻辑。此外，LPC1100XL 系列还支持从多个输入源选择不可屏蔽中断（NMI）输入。
• 串行线调试：方便开发人员进行调试工作。
• 系统滴答定时器：可用于生成固定时间间隔的中断。

3.2 内存特性

• 闪存：不同型号的闪存容量有所不同，包括 64 kB（LPC1115）、56 kB（LPC1114/333）、48 kB（LPC1114/323）等多种选择。部分型号还支持 256 字节的页面擦除功能。
• SRAM：总容量有 8 kB、4 kB、2 kB 或 1 kB 可选。
• 编程方式：支持通过片上引导加载程序软件进行系统内编程（ISP）和应用内编程（IAP）。

3.3 数字外设特性

• 通用 I/O 引脚：多达 42 个通用 I/O 引脚，可配置上拉/下拉电阻。LPC1100L 和 LPC1100XL 系列还支持可配置的开漏模式。这些引脚可作为边沿和电平敏感的中断源，其中一个引脚具有 20 mA 的高电流输出驱动能力，两个 I2C 总线引脚在快速模式下具有 20 mA 的高电流灌电流驱动能力。
• 通用计数器/定时器：四个通用计数器/定时器，具有多达八个捕获输入和多达 13 个匹配输出。
• 看门狗定时器：LPC1100 系列具有可编程看门狗定时器（WDT），LPC1100L 和 LPC1100XL 系列则具有可编程窗口看门狗定时器。

3.4 模拟外设特性

• 10 位 ADC：具有输入多路复用功能，根据封装大小可在 5、6 或 8 个引脚之间进行选择。

3.5 串行接口特性

• UART：支持分数波特率生成、内部 FIFO 和 RS - 485 通信。
• SPI 控制器：LPC1100 和 LPC1100L 系列的 LQFP48 封装包含两个 SPI 控制器，其他封装包含一个 SPI 控制器；LPC1100XL 系列包含两个 SPI 控制器。这些控制器支持 SSP 功能，具有 FIFO 和多协议能力。
• I2C 总线接口：支持完整的 I2C 总线规范和快速模式 Plus，数据速率可达 1 Mbit/s，具有多地址识别和监控模式。

3.6 时钟生成与电源控制特性

• 时钟生成：包含 12 MHz 内部 RC 振荡器（精度为 1%）、工作范围为 1 MHz 至 25 MHz 的晶体振荡器和频率范围为 9.4 kHz 至 2.3 MHz 的可编程看门狗振荡器。PLL 允许 CPU 在无需高频晶体的情况下以最大 CPU 速率运行，时钟输出功能可反映系统振荡器时钟、IRC 时钟、CPU 时钟和看门狗时钟。
• 电源控制：集成电源管理单元（PMU），支持睡眠、深度睡眠和深度掉电三种低功耗模式。LPC1100L 和 LPC1100XL 系列还具有电源配置文件，可通过简单的函数调用优化性能和降低功耗。

四、应用领域

LPC1110/11/12/13/14/15 微控制器适用于多种应用场景，如电表、报警系统、照明和白色家电等。其高性能和低功耗的特点使其在这些领域中具有很大的优势。

五、订购信息

5.1 订购类型与封装

该系列微控制器提供多种封装形式，包括 SO20、TSSOP20、TSSOP28、DIP28、HVQFN24/33、LQFP48 和 TFBGA48 等。不同的封装适用于不同的应用需求，工程师可以根据实际情况进行选择。

5.2 订购选项

订购选项表详细列出了不同型号的系列、闪存容量、总 SRAM 大小、SPI 接口、ADC 通道、GPIO 数量、封装形式、温度范围和电源配置文件等信息，方便工程师根据项目需求进行选型。

六、功能描述

6.1 ARM Cortex - M0 处理器

ARM Cortex - M0 是一款通用的 32 位微处理器，具有高性能和极低的功耗。它为 LPC1110/11/12/13/14/15 微控制器提供了强大的计算能力。

6.2 片上闪存程序存储器和 SRAM

不同型号的微控制器具有不同容量的片上闪存和 SRAM，满足了不同应用对存储容量的需求。

6.3 内存映射

该系列微控制器的内存映射包含多个不同的区域，包括 AHB 外设区域、APB 外设区域、闪存、SRAM 和引导 ROM 等。这种内存映射结构有助于简化外设的地址解码。

6.4 嵌套向量中断控制器（NVIC）

NVIC 是 Cortex - M0 的一个重要组成部分，它与 CPU 紧密耦合，可实现低中断延迟和高效处理晚到的中断。NVIC 支持 32 个向量中断，每个外设设备都有一个中断线连接到 NVIC，并且任何 GPIO 引脚都可以被编程为产生电平、上升沿或下降沿中断。

6.5 IOCONFIG 块

IOCONFIG 块允许微控制器的选定引脚具有多种功能。通过配置寄存器控制多路复用器，可实现引脚与片上外设的连接。在激活外设和启用相关中断之前，应将外设连接到适当的引脚。

6.6 快速通用并行 I/O

未连接到特定外设功能的设备引脚由 GPIO 寄存器控制。这些引脚可以动态配置为输入或输出，多个输出可以在一次写操作中设置或清除。此外，任何提供数字功能的 GPIO 引脚都可以被编程为产生电平、上升沿或下降沿中断。

6.7 UART

LPC1110/11/12/13/14/15 包含一个 UART，支持 RS - 485/9 位模式，具有分数波特率生成器、16 字节的接收和发送 FIFO 以及寄存器位置符合 16C550 行业标准等特点。

6.8 SPI 串行 I/O 控制器

不同系列的微控制器包含不同数量的 SPI 控制器，这些控制器支持 SSP 功能，可在 SSP、4 线 SSI 或 Microwire 总线上运行，支持全双工传输，帧长为 4 位至 16 位。

6.9 I2C 总线串行 I/O 控制器

该系列微控制器包含一个 I2C 总线控制器（LPC1112FDH20/102 除外），支持标准 I2C 总线规范和快速模式 Plus，具有多主机总线、仲裁和串行时钟同步等功能。

6.10 10 位 ADC

ADC 是一个单通道 10 位逐次逼近型 ADC，具有八个通道，支持输入多路复用、掉电模式、测量范围为 0 V 至 VDD、10 位转换时间≥2.44 μs（最高 400 kSamples/s）等特点。

6.11 通用外部事件计数器/定时器

包含两个 32 位计数器/定时器和两个 16 位计数器/定时器，可对系统派生时钟的周期进行计数，并可根据四个匹配寄存器在指定的定时器值处生成中断或执行其他操作。

6.12 系统滴答定时器

ARM Cortex - M0 包含一个系统滴答定时器（SYSTICK），用于在固定时间间隔（通常为 10 ms）生成专用的 SYSTICK 异常。

6.13 看门狗定时器

LPC1100 系列具有普通看门狗定时器，LPC1100L 和 LPC1100XL 系列具有窗口看门狗定时器。看门狗定时器的作用是在可选择的时间周期内复位微控制器，以确保系统的可靠性。

6.14 时钟和电源控制

• 晶体振荡器：包含系统振荡器、内部 RC 振荡器和看门狗振荡器，每个振荡器可用于多种目的。复位后，微控制器将使用内部 RC 振荡器运行，直到通过软件切换到其他时钟源。
• 系统 PLL：PLL 接受 10 MHz 至 25 MHz 的输入时钟频率，可将输入频率倍增至高频，输出频率必须低于 100 MHz。
• 时钟输出：微控制器具有时钟输出功能，可将 IRC 振荡器、系统振荡器、看门狗振荡器或主时钟路由到输出引脚。
• 唤醒过程：上电或从深度掉电模式唤醒时，微控制器使用 12 MHz IRC 振荡器作为时钟源，以便快速恢复芯片操作。
• 电源控制：支持睡眠、深度睡眠和深度掉电三种低功耗模式，可通过改变时钟源、重新配置 PLL 值和/或改变 CPU 时钟分频值来控制 CPU 时钟速率，还可通过关闭单个片上外设的时钟来精细调整功耗。

6.15 系统控制

• 启动逻辑：将外部引脚连接到 NVIC 中的相应中断，可作为外部中断引脚，也可在芯片处于深度睡眠模式时唤醒芯片。
• 复位：复位源包括 RESET 引脚、看门狗复位、上电复位（POR）和欠压检测（BOD）电路。
• 欠压检测：可监测 VDD 引脚的电压，当电压低于选定的阈值时，BOD 会向 NVIC 发出中断信号。
• 代码安全（代码读取保护 - CRP）：允许用户在系统中启用不同级别的安全功能，限制对片上闪存的访问以及串行线调试器（SWD）和系统内编程（ISP）的使用。
• APB 接口和 AHBLite：APB 外设位于一个 APB 总线上，AHBLite 连接 ARM Cortex - M0 的 CPU 总线与闪存、主静态 RAM 和引导 ROM。
• 外部中断输入：所有 GPIO 引脚都可以是电平或边沿敏感的中断输入，启动逻辑输入也可作为外部中断。

6.16 仿真和调试

微控制器集成了调试功能，支持具有四个断点和两个观察点的串行线调试。

七、电气特性

7.1 限制值

文档中详细列出了微控制器的各种限制值，包括电源电压、输入电压、供应电流、接地电流、闩锁电流、存储温度、最大结温、总功耗和静电放电电压等。在设计过程中，必须确保微控制器的工作条件在这些限制值范围内，以保证其正常运行和可靠性。

7.2 热特性

可以使用公式 (T{j}= T{amb}+left(P{D} × R{th(j - a)}right)) 计算芯片的平均结温，其中 (T{amb}) 是环境温度，(R{th(j - a)}) 是封装的结到环境热阻，(P_{D}) 是内部和 I/O 功耗的总和。

7.3 静态特性

不同系列（LPC1100、LPC1100L 和 LPC1100XL）的微控制器具有不同的静态特性，包括电源电压、功耗、输入输出电流和电压等。这些特性在不同的工作模式（如活动模式、睡眠模式、深度睡眠模式和深度掉电模式）下有所不同，工程师在设计时需要根据实际需求进行选择。

7.4 动态特性

动态特性包括电源上升斜坡条件、闪存存储器特性、外部时钟特性、内部振荡器特性、I/O 引脚特性、I2C 总线特性和 SPI 接口特性等。了解这些动态特性对于确保微控制器在不同工作条件下的稳定性和可靠性非常重要。

八、应用信息

8.1 ADC 使用注意事项

为了在嘈杂环境中提高 ADC 的性能，应确保 ADC 输入走线短且尽可能靠近芯片，屏蔽 ADC 输入走线免受快速开关数字信号和嘈杂电源线的干扰，对电源线进行充分滤波，并在 ADC 转换期间将设备置于睡眠模式。

8.2 ADC 输入触发信号的使用

对于使用触发信号启动转换并需要精确采样频率的应用，应确保触发信号的周期是 ADC 时钟周期的整数倍。

8.3 XTAL 输入

片上振荡器的输入电压限制为 1.8 V。在从时钟源驱动振荡器时，建议通过一个 100 pF 的电容进行耦合，并选择一个额外的接地电容来衰减输入电压。

8.4 XTAL 印刷电路板（PCB）布局指南

晶体应尽可能靠近芯片的振荡器输入和输出引脚连接，负载电容和外部组件应连接到公共接地平面，尽量减小环路面积以降低 PCB 耦合的噪声，同时选择较小的 (C{X 1}) 和 (C{X 2}) 值以适应 PCB 布局的寄生效应。

8.5 标准 I/O 焊盘配置

标准 I/O 引脚具有多种可能的模式，包括数字输出驱动、数字输入（上拉/下拉启用/禁用、中继器模式启用/禁用）、数字输出（伪开漏模式启用/禁用）和模拟输入。

8.6 复位焊盘配置

复位引脚具有 20 ns 的毛刺滤波器，在深度掉电模式下，该引脚必须外部上拉。

8.7 电磁兼容性（EMC）

通过 TEM - cell 方法对 LPC1114FBD48/302 进行的辐射发射测量表明，该微控制器在不同的系统时钟频率和输入时钟源下具有一定的电磁兼容性。

8.8 ADC 有效输入阻抗

可以使用简化的 ADC 输入通道图来确定外部电压源看到的有效输入阻抗，公式为 (R{in }=left(frac{1}{f{s} × C{ia}}+R{mux }+R{sw}right) | left(frac{1}{f{s} × C_{io}}right)) 。

九、封装与焊接

9.1 封装概述

LPC1110/11/12/13/14/15 微控制器提供多种封装形式，包括 SO20、TSSOP20、TSSOP28、DIP28、HVQFN24/33、LQFP48 和 TFBGA48 等。文档详细给出了每种封装的尺寸、引脚配置和相关参考信息。

9.2 焊接信息

针对不同的封装形式，文档提供了相应的回流焊接信息，包括焊盘尺寸、占位面积和焊接精度等，以确保焊接质量。

十、总结

LPC1110/11/12/13/14/15 32 位 ARM Cortex - M0 微控制器具有高性能、低功耗、丰富的外设资源和多种封装形式等优点，适用于多种应用场景。电子工程师在设计过程中，应根据项目需求合理选择型号和封装，同时注意电气特性、应用信息和焊接要求等方面的问题，以确保设计的可靠性和稳定性。希望本文能为工程师们在使用这款微控制器时提供有益的参考。

在实际应用中，你是否遇到过类似微控制器的选型和设计难题呢？欢迎在评论区分享你的经验和