Atmel SAM R21E / SAM R21G无线微控制器：低功耗与高性能的完美结合

在当今的电子设计领域，低功耗、高性能的微控制器是众多工程师追求的目标。Atmel推出的SAM R21系列无线微控制器，凭借其卓越的性能和丰富的功能，成为了许多应用场景的理想选择。今天，我们就来深入了解一下这款微控制器。

文件下载：ATSAMR21E18A-MFTA7.pdf

一、产品概述

Atmel® | SMART™ SAM R21系列采用32位ARM® Cortex® - M0+处理器，并集成了超低功耗的2.4GHz ISM频段收发器。该系列有32引脚和48引脚的封装可供选择，具备高达256KB的Flash和32KB的SRAM，最高运行频率可达48MHz，每MHz能达到2.14 Coremark。

其设计理念非常注重产品系列内的兼容性，所有设备具有相同的外设模块、十六进制兼容代码、相同的线性地址映射和引脚兼容的迁移路径，方便工程师进行简单直观的迁移。同时，该系列还包含智能灵活的外设、Atmel事件系统用于外设间信号传输，并支持电容式触摸按钮、滑块和滚轮用户界面。

二、产品特性

（一）处理器

• 高性能核心：ARM Cortex - M0+ CPU最高运行频率达48MHz，配备单周期硬件乘法器和Micro Trace Buffer（MTB），为数据处理提供强大动力。
• 丰富配置选项：支持32个外部中断、小端数据字节序、SysTick定时器、2个观察点比较器、4个断点比较器等，满足多样化的应用需求。

（二）存储器

• 大容量存储：提供256/128/64KB的片内自编程Flash和32/16/8KB的SRAM，可满足不同规模程序和数据的存储需求。

（三）系统特性

• 稳定的电源管理：具备上电复位（POR）和欠压检测（BOD）功能，保障系统在不同电源环境下的稳定运行。
• 灵活的时钟系统：内部和外部时钟选项丰富，包括48MHz数字锁频环（DFLL48M）和48MHz至96MHz分数数字锁相环（FDPLL96M），不同时钟域可独立配置运行频率，实现功耗优化。
• 便捷的调试接口：拥有外部中断控制器（EIC），支持多达15个外部中断和1个不可屏蔽中断，以及双引脚串行线调试（SWD）编程、测试和调试接口。

（四）低功耗设计

• 多种睡眠模式：具备空闲和待机两种软件可选睡眠模式。空闲模式下CPU停止运行，其他功能可继续工作；待机模式下除选定的功能外，所有时钟和功能停止运行。
• SleepWalking功能：外设能够自行唤醒并启动自身时钟，执行预定义任务而无需唤醒CPU，进一步降低功耗。

（五）外设功能

1. 通信接口丰富
   • 无线通信：集成超低功耗2.4GHz ISM频段收发器，数据速率达250kB/s，接收灵敏度为 - 99dBm，发射输出功率最高可达 + 4dBm，支持硬件辅助MAC（自动确认、自动重试）等功能。
   • 串行通信：多达五个串行通信模块（SERCOM），每个可配置为USART、UART、SPI、I2C（最高3.4MHz）和LIN从机，满足不同通信协议的需求。
   • USB接口：提供一个全速（12Mbps）的USB 2.0接口，支持嵌入式主机和设备功能，拥有八个端点。
2. 定时器与计数器
   • 普通定时器：三个16位定时器/计数器（TC），可配置为16位、8位或32位定时器，具备比较/捕获通道，可用于频率和波形生成、精确程序执行计时或数字信号的输入捕获。
   • 控制定时器：三个16位控制定时器/计数器（TCC），具有扩展功能，如多达四个比较通道、同步脉冲宽度调制（PWM）模式生成、确定性故障保护、快速衰减和可配置的互补输出死区时间等。
3. 模拟外设
   • ADC：一个12位、350ksps的模数转换器（ADC），最多支持八个外部通道，具备差分和单端输入、1/2x至16x可编程增益级、自动偏移和增益误差补偿，以及硬件过采样和抽取功能，支持13 - 16位分辨率。
   • 模拟比较器：两个具有窗口比较功能的模拟比较器（AC）。
   • 触摸控制器：外设触摸控制器（PTC）支持多达48通道的电容式触摸和接近感应。
4. 其他外设：32位实时计数器（RTC）具备时钟/日历功能、看门狗定时器（WDT）、CRC - 32生成器等。

三、产品配置

SAM R21系列包含SAM R21G和SAM R21E两个型号，它们在引脚数量、通用I/O引脚数、Flash和SRAM容量等方面存在一些差异。例如，SAM R21G为48引脚，有28个通用I/O引脚；而SAM R21E为32引脚，有16个通用I/O引脚。具体的配置信息可参考文档中的“Configuration Summary”部分。

四、引脚与复用

（一）引脚分布

SAM R21G采用QFN48封装，SAM R21E采用QFN32封装，两个封装的大中心焊盘均为金属材质且内部连接到GND，焊接时需连接到电路板的数字地以确保机械稳定性，但不建议用其替代常规GND引脚。

（二）引脚复用

每个引脚默认由PORT作为通用I/O控制，也可分配给外设功能A - H。要启用引脚的外设功能，需将PORT中对应引脚配置寄存器的外设复用使能位（PINCFGn.PMUXEN）置为1，并通过PORT中外设复用寄存器的奇偶位（PMUXn.PMUXE/O）选择外设功能。文档中的“PORT Function Multiplexing”表格详细描述了引脚与外设信号的复用关系。

五、产品映射

文档中的“Product Mapping”部分展示了Atmel | SMART SAM R21的全局内存空间布局，包括内部Flash、SRAM、AHB - APB桥接器以及各种外设的地址范围。这有助于工程师在开发过程中准确地进行内存访问和外设控制。

六、包装信息

（一）热阻数据

不同封装的热阻数据有所不同，32引脚QFN封装的θJA为37.2 °C/W，θJC为3.1 °C/W；48引脚QFN封装的θJA为33 °C/W，θJC为11.4 °C/W。通过热阻数据和相关公式，可计算芯片的平均结温，从而评估是否需要散热装置。

（二）封装图纸

文档提供了48引脚QFN和32引脚QFN封装的图纸，包括尺寸、公差等信息。同时，还给出了设备和封装的最大重量、封装特性（如湿度敏感度等级MSL3）以及封装参考（如JEDEC图纸参考）。

（三）焊接曲线

推荐的焊接曲线符合J - STD - 20标准，包括平均升温速率、预热温度、保持在217°C以上的时间、实际峰值温度附近的时间、峰值温度范围、降温速率以及从25°C到峰值温度的时间等参数。每个组件最多允许进行三次回流焊。

七、总结

Atmel SAM R21E / SAM R21G无线微控制器以其高性能、低功耗、丰富的外设功能和良好的兼容性，为电子工程师提供了一个强大而灵活的设计平台。无论是智能家居、工业自动化还是物联网应用，这款微控制器都能满足多样化的需求。在实际设计中，工程师需要根据具体的应用场景和需求，合理选择型号和配置，充分发挥其优势。你在使用类似微控制器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。