SHARP LH75400/01/10/11 系统级芯片深度解析

在嵌入式系统设计领域，一款性能卓越、功能丰富的系统级芯片（SoC）往往能为产品带来强大的竞争力。SHARP 的 LH75400/01/10/11 系列 SoC 就是这样一款值得深入研究的产品。本文将对该系列芯片的特性、功能模块、电气参数等方面进行详细解析，为电子工程师在设计过程中提供全面的参考。

文件下载：LH75400N0Q100C0.pdf

一、产品概述

SHARP 的 LH75400/01/10/11 系列由四款低成本的 16/32 位系统级芯片组成，分别为 LH75401、LH75411、LH75400 和 LH75410。它们在功能上各有特点：

• LH75401：具备最全的功能特性。
• LH75411：与 LH75401 类似，但不支持 CAN 2.0B。
• LH75400：与 LH75401 类似，不过仅配备灰度 LCDC。
• LH75410：与 LH75400 类似，同样不支持 CAN 2.0B。

二、核心特性

（一）高度集成

该系列芯片集成了 ARM7TDMI - S 内核，拥有高性能的处理能力，CPU 速度可达 84 MHz，可通过内部 PLL 驱动或外部时钟驱动。同时，芯片还集成了多种功能模块，如 32KB 的片上 SRAM（包括 16KB 的紧密耦合内存 TCM SRAM 和 16KB 的内部 SRAM）、时钟和电源管理模块、八通道 10 位模数转换器、集成触摸屏控制器等。

（二）丰富的接口

1. 串口接口：包含两个 16C550 型 UART，支持高达 921,600 波特的波特率（需 14.756 MHz 的晶体频率）；一个 82510 型 UART，支持高达 3,225,600 波特的波特率（需 70 MHz 的系统时钟）。
2. 同步串口：支持 Motorola SPI™、National Semiconductor Microwire™ 和 Texas Instruments SSI 三种同步串行通信协议。
3. CAN 控制器：LH75401 和 LH75400 支持 CAN 2.0B 协议，可实现可靠的 CAN 通信。

（三）显示控制

LH75401 和 LH75411 支持彩色和灰度液晶显示控制，可驱动多种类型的显示屏，如 STN、TFT、HR - TFT 和 AD - TFT 等，具备可编程的分辨率和多种颜色模式。而 LH75400 和 LH75410 则仅支持灰度 LCDC。

三、功能模块详解

（一）ARM7TDMI - S 处理器

该系列芯片采用 ARM7TDMI - S 内核，这是一款 16/32 位的嵌入式 RISC 处理器，属于 ARM7 Thumb 处理器家族。它通过 Advanced High - Performance Bus (AHB) 2.0 接口与其他模块进行通信，为系统提供强大的处理能力。

（二）总线架构

芯片采用 ARM Advanced Microcontroller Bus Architecture (AMBA) 2.0 内部总线协议，有三个 AHB 主设备控制对外部内存和片上外设的访问：

1. ARM 处理器：负责指令获取和数据传输。
2. 直接内存访问控制器（DMAC）：实现内存到内存、外设到内存以及内存到外设的数据传输。
3. LCDC：从外部内存或内部内存中获取数据，刷新 LCD 面板。

（三）电源供应

芯片采用 5V 容忍的 3.3V I/O，仅需单一的 3.3V 电源供应。核心逻辑需要 1.8V 电源，可由片上线性稳压器提供，也可外部供电以实现更高的系统速度。

（四）时钟源

芯片可使用两个晶体振荡器或外部提供的时钟，有两个时钟树：

1. 一个时钟树驱动内部锁相环（PLL）和三个 UART，支持 14 MHz 至 20 MHz 的晶体振荡器频率范围。
2. 另一个是 32.768 kHz 的振荡器，为实时时钟（RTC）生成 1 Hz 的时钟。

（五）复位生成

芯片有两种外部复位信号（nPOR 和 nRESETIN）和两种内部复位（系统复位和 RTC 复位）。复位延迟取决于 PLL 的锁定状态。

（六）内存接口架构

芯片提供了丰富的数据路径管理资源，包括 AHB 和 APB 数据总线、16KB 的零等待状态 TCM SRAM、16KB 的内部 SRAM、静态内存控制器（SMC）和 4 流通用 DMAC。所有外部和内部系统资源都进行了内存映射，内存映射分区有三种视图，可根据复位、时钟和电源控制器（RCPC）中的 REMAP 位设置进行切换。

（七）各功能模块特性

1. 静态随机存取内存控制器（SRAM）：有 32KB 的静态随机存取内存，分为两个 16KB 块，分别为 TCM SRAM 和内部 SRAM。
2. 静态内存控制器（SMC）：提供四个外部内存银行，支持多种内存映射设备，支持异步突发模式读取访问和可变的总线周转周期。
3. 直接内存访问控制器（DMAC）：有四个数据流，支持三种传输模式，具备内置的数据流仲裁器和可编程寄存器。
4. 彩色 LCD 控制器（CLCDC）：将像素编码数据转换为驱动 LCD 面板所需的格式和时序，支持多种显示类型和分辨率。
5. 通用异步收发器（UARTs）：包含三个 UART，UART0 和 UART1 功能类似于行业标准的 16C550，UART2 功能类似于 82510，支持多种波特率和字符格式。
6. 定时器：有三个 16 位定时器，支持 PWM 模式和捕获/比较功能，可生成中断。
7. 实时时钟（RTC）：提供基本的闹钟功能或作为长时间基计数器，可生成中断信号。
8. 控制器局域网（CAN）：支持 CAN 2.0B 协议，具备多种特性，如支持 11 位和 29 位标识符、高达 1Mbit/s 的比特率等。
9. 模数转换器（ADC）/欠压检测器：集成了 8 通道、10 位的模数转换器和触摸屏控制器，具备欠压检测功能。
10. 同步串口（SSP）：是一个主设备接口，支持三种同步串行通信模式，具备可编程的时钟比特率和数据帧大小。
11. 看门狗定时器（WDT）：由一个 32 位的递减计数器组成，可检测故障，支持 16 个可选的时间间隔。
12. 向量中断控制器（VIC）：处理所有内部和外部中断，确定中断优先级，生成相应的信号给处理器。
13. 复位、时钟和电源控制器（RCPC）：控制系统复位、时钟、电源管理和外部中断调节，支持多种电源模式和时钟生成。

四、电气参数

（一）绝对最大额定值

包括直流核心电源电压、直流 I/O 电源电压、直流 ADC 模拟电源电压、直流 PLL 模拟电源电压和存储温度等参数，操作时需注意不要超过这些额定值，以免影响设备可靠性和造成永久性损坏。

（二）推荐工作条件

给出了直流核心电源电压、直流 ADC 模拟电源电压、直流 I/O 电源电压、直流 PLL 模拟电源电压、时钟频率、时钟周期、晶体频率和工业工作温度等参数的推荐范围。

（三）时钟频率与电压、温度的关系

不同温度和电压下，芯片的时钟频率和时钟周期会有所变化。在设计时，需要根据实际应用场景选择合适的电压和温度条件，以确保芯片的性能稳定。

（四）直流特性

规定了 CMOS 输入高电压、CMOS 输入低电压、施密特触发器正阈值、施密特触发器负阈值、施密特触发器滞后、输出驱动电压、输入泄漏电流、有源电流、待机电流、睡眠电流、停止电流等参数。

（五）线性稳压器直流特性

包括静态电流、调节器禁用时的电流、输出电流范围、输出电压和上拉电阻等参数。

（六）模数转换器电气特性

在工业工作范围内，规定了 A/D 分辨率、吞吐量转换、采集时间、时钟频率、差分非线性、积分非线性、偏移误差、增益误差、片上电压参考、负参考输入、正参考输入、通道间串扰、模拟输入电压范围、模拟输入电流、参考输入电流、模拟输入电容、工作电源电压、工作电流、待机电流、停止电流、欠压跳闸点、欠压滞后和工作温度等参数。

五、操作模式

芯片支持三种操作模式：正常模式、PLL 旁路模式和嵌入式 ICE 模式。通过 TEST1、TEST2 和 nRESETIN 信号的状态可确定上电复位时进入的操作模式。

六、引脚复用

芯片的引脚具有复用功能，不同的 LCD 面板模式下，引脚的功能会有所不同。在设计时，需要根据实际使用的 LCD 面板类型和模式，合理配置引脚的功能。

七、电源供应和电流消耗

（一）电源供应顺序

使用外部 1.8V 电源时，外部 1.8V 电源必须在 3.3V 电源之前通电，否则 1.8V 电源滞后 3.3V 电源的时间不得超过 10µs。若需要更长的延迟时间，两个电源之间的电压差在电源上升期间必须在 1.5V 以内。

（二）电流消耗

不同操作模式下，芯片的电流消耗不同。包括有源模式、待机模式、睡眠模式、停止 1 模式和停止 2 模式（RTC 开启和关闭）的电流消耗。同时，还给出了各外设的典型电流消耗。

八、波形和时序图

文档中提供了内存接口信号、同步串口、电源上电稳定、静态内存控制器、DMA 控制器和彩色 LCD 控制器的波形和时序图，这些图对于理解芯片的工作原理和进行电路设计非常重要。

九、建议的外部组件

对于 32.768 kHz 和 14.7456 MHz 的晶体电路，文档给出了建议的外部组件，包括晶体、电阻和电容的参数和连接方式。在设计电路板时，应按照这些建议选择合适的外部组件，以确保芯片的正常工作。

十、总结

SHARP 的 LH75400/01/10/11 系列 SoC 是一款功能强大、性能卓越的系统级芯片，具有高度集成、丰富的接口和多种功能模块。在实际应用中，电子工程师需要根据具体的需求，合理选择芯片型号，正确配置各功能模块，注意电源供应和时钟源的选择，以及引脚复用和外部组件的使用。通过对这些方面的深入理解和合理设计，能够充分发挥该系列芯片的优势，开发出高性能、稳定可靠的嵌入式系统。你在使用这款芯片的过程中，遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。