NuMicro? Mini51系列32位微控制器深度剖析

在工業(yè)控制領(lǐng)域，高性能、高集成度且低成本的微控制器一直是工程師們的追求。NuMicro? Mini51系列32位微控制器憑借其卓越的性能和豐富的功能，成為了眾多工業(yè)控制和應(yīng)用場景的理想選擇。

文件下載：MINI54ZAN.pdf

一、總體概述

NuMicro Mini51系列嵌入了ARM? Cortex? - M0核心，這種核心能以接近傳統(tǒng)8位微控制器的成本提供32位性能，非常適合對成本敏感但又需要高性能的工業(yè)控制和應(yīng)用。該系列最高運行頻率可達24 MHz，能夠支持各種對CPU性能要求較高的工業(yè)控制和應(yīng)用。它還提供了4K/8K/16K - byte的嵌入式程序閃存、可配置的數(shù)據(jù)閃存（與程序閃存共享）、2K - byte的ISP閃存以及2K - byte的嵌入式SRAM。同時，集成了眾多系統(tǒng)級外設(shè)功能，如I/O端口、定時器、UART、SPI、I2C、PWM、ADC、看門狗定時器和低壓檢測器等，有效減少了組件數(shù)量、電路板空間和系統(tǒng)成本。此外，它還具備ISP（在系統(tǒng)編程）和ICP（在線編程）功能，方便用戶在不拆除芯片的情況下更新程序內(nèi)存。

二、特性亮點

2.1 核心特性

• 高性能處理：ARM? Cortex? - M0核心，最高運行頻率24 MHz，配備24位系統(tǒng)定時器，支持低功耗空閑模式，還有單周期32位硬件乘法器。
• 中斷管理：NVIC支持32個中斷輸入，每個中斷有4級優(yōu)先級，支持帶2個觀察點/4個斷點的串行線調(diào)試（SWD）。
• 寬電壓范圍：內(nèi)置LDO，工作電壓范圍為2.5V至5.5V。

2.2 內(nèi)存特性

• 多樣化存儲：提供4KB/8KB/16KB的程序閃存（APROM）、可配置的數(shù)據(jù)閃存（Data Flash）、2KB的加載器閃存（LDROM）和2KB的內(nèi)部暫存SRAM。
• 便捷編程：支持在系統(tǒng)編程（ISP）和在線編程（ICP）。

2.3 時鐘控制特性

• 靈活時鐘源：可編程系統(tǒng)時鐘源，可實時切換時鐘源，包括4 ~ 24 MHz晶體振蕩器（HXT）、32.768K晶體振蕩器（LXT）用于空閑喚醒和系統(tǒng)操作時鐘、22.1184 MHz內(nèi)部振蕩器（HIRC，25°C、5V時精度為1%）以及10 KHz內(nèi)部低功耗振蕩器（LIRC）用于看門狗和空閑喚醒。
• 動態(tài)校準：可通過外部32.768K晶體振蕩器（LXT）將HIRC OSC動態(tài)校準到22.0 MHz ±1%（-40°C至85°C）。

2.4 I/O端口特性

• 豐富引腳：LQFP - 48封裝最多有30個GPIO引腳。
• 多種模式：軟件可配置I/O類型，包括準雙向輸入/輸出、推挽輸出、開漏輸出和僅輸入（高阻抗），還可選施密特觸發(fā)器輸入。

2.5 定時器特性

• 雙定時器：兩個24位定時器，帶8位預(yù)分頻器，支持事件計數(shù)器模式、Toggle輸出模式、脈沖寬度測量模式和脈沖寬度捕獲模式的外部觸發(fā)。

2.6 看門狗定時器特性

• 可編程設(shè)置：可編程時鐘源和超時周期，支持在掉電模式和空閑模式下的喚醒功能，超時時可選擇中斷或復(fù)位。

2.7 PWM特性

• 多輸出模式：最多三個內(nèi)置16位PWM發(fā)生器，有六個PWM輸出或三個互補配對PWM輸出，支持邊緣對齊或中心對齊，支持故障檢測。
• 獨立配置：每個PWM發(fā)生器有獨立的時鐘源、時鐘分頻器、8位預(yù)分頻器和死區(qū)發(fā)生器，PWM中斷與PWM周期同步。

2.8 UART特性

• 單通道設(shè)計：一個UART設(shè)備，帶有16字節(jié)FIFO的緩沖接收器和發(fā)送器，可選流控制功能（CTSn和RTSn），支持IrDA（SIR）功能和RS - 485功能，可編程波特率發(fā)生器最高可達1/16系統(tǒng)時鐘。

2.9 SPI特性

• 高速通信：一個SPI設(shè)備，主模式最高12 MHz，從模式最高4 MHz，支持SPI主/從模式，全雙工同步串行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸數(shù)據(jù)長度可變（1至32位），支持MSB或LSB先傳輸，可獨立在串行時鐘的上升或下降沿進行Rx和Tx，32位傳輸中有字節(jié)暫停模式。

2.10 I2C特性

• 多主模式：支持主/從模式，主從之間雙向數(shù)據(jù)傳輸，多主總線（無中央主設(shè)備），同時傳輸?shù)闹髟O(shè)備之間可進行仲裁，保證總線上串行數(shù)據(jù)不損壞，支持串行時鐘同步，允許不同比特率的設(shè)備通過一條串行總線通信，可編程時鐘實現(xiàn)靈活的速率控制，支持多地址識別（4個從地址，有掩碼選項）。

2.11 ADC特性

• 高精度轉(zhuǎn)換：10位SAR ADC，采樣率150K SPS，最多8通道單端輸入和一個來自帶隙的內(nèi)部輸入，可通過軟件或外部引腳啟動轉(zhuǎn)換。

2.12 模擬比較器特性

• 雙比較器：兩個模擬比較器，有可編程的16級內(nèi)部電壓參考，內(nèi)置CRV（比較器參考電壓）。

2.13 BOD復(fù)位特性

• 可編程閾值：三個可編程閾值電平：3.8V/2.7V/2.0V（默認2.0V），可選BOD中斷或復(fù)位。

2.14 其他特性

• 唯一ID：96位唯一ID。
• 寬溫范圍：工作溫度范圍為 - 40℃至85℃。
• 環(huán)保封裝：提供綠色封裝（RoHS），包括LQFP 48 - pin（7x7）、QFN 33 - pin（5x5）、QFN 33 - pin（4x4）。

三、產(chǎn)品選型與引腳配置

3.1 產(chǎn)品選型

NuMicro Mini51系列提供了多種型號供用戶選擇，不同型號在APROM、RAM、數(shù)據(jù)閃存等方面有所差異，用戶可以根據(jù)具體需求進行選型。例如，MINI51LAN具有4 KB APROM，適用于對存儲容量要求不高的場景；而MINI54LAN則擁有16 KB APROM，可滿足更復(fù)雜的應(yīng)用需求。

3.2 引腳配置

該系列有LQFP 48 - pin和QFN 33 - pin兩種封裝，不同封裝的引腳功能有所不同。詳細的引腳描述為工程師在電路設(shè)計時提供了重要參考，例如，某些引腳可作為數(shù)字GPIO引腳，某些引腳可作為ADC模擬輸入引腳等。

四、功能描述

4.1 內(nèi)存組織

• 地址空間：提供4G - byte地址空間，僅支持小端數(shù)據(jù)格式。
• 系統(tǒng)內(nèi)存映射：詳細列出了各個片上控制器的內(nèi)存位置，包括Flash和SRAM內(nèi)存空間、AHB控制器空間、APB1控制器空間和系統(tǒng)控制器空間等。

4.2 嵌套向量中斷控制器（NVIC）

• 功能概述：Cortex? - M0 CPU的NVIC是異常模式的一部分，支持嵌套和向量中斷，自動保存和恢復(fù)處理器狀態(tài)，可動態(tài)改變優(yōu)先級，減少和確定中斷延遲。
• 異常模型和系統(tǒng)中斷映射：支持多種異常，軟件可對部分異常和所有中斷設(shè)置四個優(yōu)先級級別。
• 向量表：中斷被接受時，處理器從向量表中自動獲取中斷服務(wù)程序（ISR）的起始地址。
• NVIC操作：可通過寫入相應(yīng)寄存器位來啟用或禁用中斷，設(shè)置中斷掛起或取消掛起狀態(tài)，通過更新8位字段對中斷進行優(yōu)先級排序。

4.3 系統(tǒng)管理器

• 功能概述：包括系統(tǒng)內(nèi)存映射、系統(tǒng)定時器（SysTick）、NVIC、產(chǎn)品ID的系統(tǒng)管理寄存器、芯片和模塊功能復(fù)位及多功能引腳控制的系統(tǒng)管理寄存器、欠壓和芯片雜項控制寄存器以及組合外設(shè)中斷源識別等功能。
• 系統(tǒng)復(fù)位：包括上電復(fù)位（POR）、/RESET引腳低電平復(fù)位、看門狗超時復(fù)位（WDT）、欠壓檢測復(fù)位（BOD）、Cortex? - M0 CPU復(fù)位和軟件單次復(fù)位等。
• 系統(tǒng)電源分配：電源分配分為模擬電源、數(shù)字電源和內(nèi)置電容三部分，內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器的輸出LDO_CAP需要外接電容。
• 內(nèi)存映射表：詳細展示了4GB地址空間的內(nèi)存映射情況。

4.4 時鐘控制器

• 功能概述：為整個芯片生成時鐘，包括系統(tǒng)時鐘和所有外設(shè)時鐘，實現(xiàn)電源控制功能，可單獨控制時鐘的開關(guān)、選擇時鐘源和進行4位時鐘分頻。
• 時鐘生成器：由一個外部12 MHz（HXT）或32 KHz（LXT）晶體、一個內(nèi)部22.1184 MHz RC振蕩器（HIRC）和一個內(nèi)部10 KHz振蕩器（LIRC）組成。
• 系統(tǒng)時鐘和SysTick時鐘：系統(tǒng)時鐘有3個時鐘源，可通過寄存器HCLK_S切換；SysTick時鐘可使用CPU時鐘或外部時鐘，通過寄存器STCLK_S切換。
• AHB時鐘源選擇和外設(shè)時鐘源選擇：AHB時鐘源和外設(shè)時鐘源可根據(jù)不同的寄存器設(shè)置進行選擇。
• 掉電模式時鐘：進入掉電模式時，部分時鐘源和外設(shè)時鐘會被禁用，但內(nèi)部10 KHz RC振蕩器（LIRC）時鐘和外部32.768 KHz晶體振蕩器（LXT）時鐘（在特定條件下）仍可保持活動。
• 頻率分頻器輸出：配備2的冪次方頻率分頻器，可通過16選1多路復(fù)用器選擇16個移位寄存器輸出之一，輸出頻率公式為Fout = Fin/2(N + 1)。

4.5 比較器控制器（CMPC）

• 功能概述：包含兩個比較器，可用于多種配置，當正輸入大于負輸入時輸出邏輯1，否則輸出0，每個比較器可配置在輸出值變化時產(chǎn)生中斷。
• 特性：模擬輸入電壓范圍為0 ~ 5.0V，支持遲滯功能，兩個模擬比較器可選擇內(nèi)部參考電壓輸入，一個比較器中斷可由其中一個比較器請求。

4.6 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）

• 功能概述：包含一個10位逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器（SAR A/D轉(zhuǎn)換器），有8個輸入通道，可通過軟件和外部STADC/P3.2引腳啟動。
• 特性：模擬輸入電壓范圍為0 ~ Vref（最大5.0 V），10位分辨率和8位精度，最多8個單端模擬輸入通道，最大ADC時鐘頻率為6 MHz，轉(zhuǎn)換率最高150K SPS，可在指定通道上進行一次A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在數(shù)據(jù)寄存器中，可與指定值比較并選擇是否產(chǎn)生中斷，通道7支持外部模擬電壓和內(nèi)部固定帶隙電壓兩個輸入源。

4.7 閃存內(nèi)存控制器（FMC）

• 功能概述：配備4K/8K/16K字節(jié)的片上嵌入式Flash EPROM用于應(yīng)用程序內(nèi)存（APROM），可通過ISP程序更新，還提供數(shù)據(jù)閃存區(qū)域，其起始地址可由用戶在Config1中配置。
• 特性：兼容AHB接口，最高運行頻率24 MHz，無等待狀態(tài)的不連續(xù)地址讀取訪問，4K/8K/16KB應(yīng)用程序內(nèi)存（APROM），2KB在系統(tǒng)編程（ISP）加載器程序內(nèi)存（LDROM），可編程數(shù)據(jù)閃存起始地址和內(nèi)存大小，以512字節(jié)頁擦除為單位，支持在系統(tǒng)編程（ISP）更新片上Flash EPROM。

4.8 通用I/O

• 功能概述：有30個通用I/O引腳，分布在6個端口（P0、P1、P2、P3、P4和P5），每個引腳可獨立控制引腳模式功能和數(shù)據(jù)，復(fù)位后所有引腳的I/O類型為輸入模式，端口數(shù)據(jù)寄存器Px_DOUT[n]復(fù)位為“1”。
• 特性：支持四種I/O模式（準雙向、推挽輸出、開漏輸出、高阻抗僅輸入），可選擇TTL/施密特觸發(fā)器輸入，I/O引腳可配置為中斷源，支持高驅(qū)動和高灌電流IO模式。

4.9 I2C串行接口控制器（主/從）

• 功能概述：I2C是一種兩線雙向串行總線，支持多主模式，具有碰撞檢測和仲裁功能，可實現(xiàn)設(shè)備之間的高效數(shù)據(jù)交換。
• 特性：支持主/從模式，主從之間雙向數(shù)據(jù)傳輸，多主總線無中央主設(shè)備，同時傳輸?shù)闹髟O(shè)備之間可進行仲裁，支持串行時鐘同步，內(nèi)置14位超時計數(shù)器，外部需要上拉電阻以提高輸出上拉速度，可編程時鐘實現(xiàn)靈活的速率控制，支持7位尋址模式和多地址識別。

4.10 增強型PWM發(fā)生器

• 功能概述：專門為電機驅(qū)動控制應(yīng)用設(shè)計，支持6個PWM發(fā)生器，可配置為6個獨立PWM輸出或3個互補PWM對，帶有3個可編程死區(qū)發(fā)生器。
• 特性：六個獨立的16位PWM占空比控制單元，支持單觸發(fā)（僅支持邊緣對齊模式）或自動重載模式，最高16位分辨率，支持邊緣對齊和中心對齊模式，可編程死區(qū)插入，每個PWM引腳有獨立的極性設(shè)置控制，具有硬件故障制動保護，有兩種中斷源類型。

4.11 串行外設(shè)接口（SPI）控制器

• 功能概述：SPI是一種同步串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，工作在全雙工模式，支持主/從模式操作。
• 特性：支持主或從模式操作，支持MSB或LSB先傳輸，支持字節(jié)或字暫停模式，主模式下可變輸出串行時鐘頻率，支持兩種可編程串行時鐘頻率。

4.12 定時器控制器

• 功能概述：包括兩個通道（TIMER0 ~ TIMER1），可實現(xiàn)頻率測量、間隔測量、時鐘生成、延遲定時等功能，可在超時時產(chǎn)生中斷信號或提供當前計數(shù)值。
• 特性：兩組32位定時器，帶24位向上定時器和一個8位預(yù)分頻計數(shù)器，每個通道有獨立的時鐘源，提供單觸發(fā)、周期、Toggle和連續(xù)計數(shù)操作模式，超時周期可通過公式計算，內(nèi)部24位向上定時器可通過TDR讀取，支持事件計數(shù)和輸入捕獲功能。

4.13 UART接口控制器

• 功能概述：提供一個通用異步接收器/發(fā)送器（UART）通道，支持正常速度UART和流控制功能，還支持IrDA SIR功能和RS - 485模式功能。
• 特性：全雙工異步通信，有獨立的16字節(jié)接收/發(fā)送FIFO，支持硬件自動流控制/流控制功能和可編程RTSn流控制觸發(fā)水平，支持可編程接收器緩沖觸發(fā)水平，支持可編程波特率發(fā)生器，支持CTSn喚醒功能，支持7位接收器緩沖超時檢測功能，可編程發(fā)送數(shù)據(jù)延遲時間，支持多種錯誤檢測功能，可編程串行接口特性，支持IrDA SIR功能模式、3/16位持續(xù)時間的正常模式、RS - 485功能模式和RS - 485 9位模式，支持硬件或軟件RTSn控制或軟件GPIO控制傳輸方向。

4.14 看門狗定時器

• 功能概述：用于在軟件出現(xiàn)問題時執(zhí)行系統(tǒng)復(fù)位，防止系統(tǒng)無限期掛起，還支持從掉電模式喚醒CPU的功能。
• 特性：18位自由運行計數(shù)器，可選擇超時間隔（24 ~ 218），超時間隔為104 ms ~ 26.3168 s（如果fWDT_CLK = 10 KHz），復(fù)位周期為（1 / 10 KHz） * 63（如果WDT_CLK = 10 KHz）。

五、ARM? Cortex? - M0核心

5.1 概述

Cortex? - M0處理器是一個可配置的多級32位RISC處理器，具有AMBA AHB - Lite接口和NVIC組件，可選硬件調(diào)試功能，可執(zhí)行Thumb代碼，與其他Cortex - M系列處理器兼容，支持線程模式和處理模式。

5.2 特性

• 低門數(shù)設(shè)計：低門數(shù)處理器，功耗低。
• 指令集豐富：支持ARMv6 - M Thumb?指令集和Thumb - 2技術(shù)。
• 定時器功能：ARMv6 - M兼容的24位SysTick定時器。
• 硬件乘法器：32位硬件乘法器。
• 數(shù)據(jù)訪問：支持小端數(shù)據(jù)訪問。
• 中斷處理：確定性、固定延遲的中斷處理，支持負載/存儲多指令和多周期乘法，可中斷和重啟以實現(xiàn)快速中斷處理。
• 異常模型：符合C應(yīng)用二進制接口（C - ABI）的異常模型，允許使用純C函數(shù)作為中斷處理程序。
• 低功耗模式：支持低功耗空閑模式，可使用Wait For Interrupt（WFI）、Wait For Event（WFE）指令或中斷返回睡眠退出功能。
• NVIC功能：32個外部中斷輸入，每個有四個優(yōu)先級級別，專用非屏蔽中斷（NMI）輸入，支持電平敏感和脈沖敏感中斷線，支持超低功耗空閑模式