NuMicro? Mini51系列32位微控制器：高性能與低成本的完美結(jié)合

在工業(yè)控制和各類應(yīng)用中，一款性能卓越、成本合理的微控制器至關(guān)重要。NuMicro? Mini51系列32位微控制器憑借其強大的功能和出色的性價比，成為了眾多工程師的首選。今天，我們就來深入了解一下這款微控制器。

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一、總體概述

NuMicro Mini51系列嵌入式ARM? Cortex? - M0核心，專為工業(yè)控制和應(yīng)用而設(shè)計，具備高性能、高集成度和低成本的特點。Cortex? - M0作為最新的ARM嵌入式處理器，以相當于傳統(tǒng)8位微控制器的成本提供32位性能。該系列最高運行頻率可達24 MHz，能支持各種對CPU性能要求較高的工業(yè)控制和應(yīng)用。同時，它提供4K/8K/16K字節(jié)的嵌入式程序閃存、可配置大小的數(shù)據(jù)閃存（與程序閃存共享）、2K字節(jié)的ISP閃存以及2K字節(jié)的嵌入式SRAM。此外，還集成了多個系統(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。并且，該系列還配備了ISP（系統(tǒng)內(nèi)編程）和ICP（在線編程）功能，方便用戶在不拆卸芯片的情況下更新程序內(nèi)存。

二、產(chǎn)品特性

核心特性

• 高性能核心：ARM? Cortex? - M0核心，最高運行頻率24 MHz，擁有一個24位系統(tǒng)定時器，支持低功耗空閑模式。
• 強大運算能力：具備單周期32位硬件乘法器，能快速完成復(fù)雜運算。
• 中斷管理：NVIC支持32個中斷輸入，每個中斷有4級優(yōu)先級，還支持帶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，支持2.5V至5.5V的寬工作電壓范圍。

內(nèi)存特性

• 豐富的存儲資源：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）以及2KB的內(nèi)部暫存SRAM。
• 便捷的編程方式：支持系統(tǒng)內(nèi)編程（ISP）和在線編程（ICP），方便程序更新。

時鐘控制特性

• 靈活的時鐘源：可編程系統(tǒng)時鐘源，可動態(tài)切換時鐘源。支持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 - 40°C至85°C范圍內(nèi)的22.0 MHz ± 1%。

I/O端口特性

• 豐富的I/O引腳：LQFP - 48封裝最多有30個通用I/O（GPIO）引腳。
• 靈活的I/O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。

定時器特性

• 雙定時器設(shè)計：兩個24位定時器，帶有8位預(yù)分頻器。
• 多種工作模式：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)。

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。
• 喚醒功能：支持在掉電模式和空閑模式下的喚醒功能，超時發(fā)生時可選擇中斷或復(fù)位。

PWM特性

• 多通道PWM：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。
• 靈活的配置：支持邊緣對齊或中心對齊，支持故障檢測，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。

UART特性

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

SPI特性

• 單SPI設(shè)備：一個SPI設(shè)備，主模式最高12 MHz，從模式最高4 MHz。
• 靈活的數(shù)據(jù)傳輸：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，Rx和Tx可獨立在串行時鐘的上升或下降沿進行，32位傳輸時支持字節(jié)暫停模式。

I2C特性

• 主/從模式支持：支持主/從模式，主從之間雙向數(shù)據(jù)傳輸。
• 多主總線：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，保證串行數(shù)據(jù)不損壞。
• 時鐘同步：串行時鐘同步允許不同比特率的設(shè)備通過一個串行總線通信，可作為握手機制暫停和恢復(fù)串行傳輸，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，帶掩碼選項）。

ADC特性

• 高精度轉(zhuǎn)換：10位SAR ADC，采樣率可達150K SPS。
• 多通道輸入：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。

模擬比較器特性

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

其他特性

• 掉電檢測復(fù)位：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。
• 唯一ID：96位唯一ID。
• 寬溫度范圍：工作溫度范圍為 - 40°C ~ 85°C。
• 環(huán)保封裝：提供綠色封裝（RoHS），有LQFP 48 - pin（7x7）、QFN 33 - pin（5x5）、QFN 33 - pin（4x4）等多種封裝形式。

三、產(chǎn)品選型與引腳配置

產(chǎn)品選型

NuMicro Mini51系列提供多種型號供用戶選擇，不同型號在APROM、RAM、數(shù)據(jù)閃存、I/O數(shù)量、定時器、連接性等方面有所差異。例如，MINI51LAN具有4 KB APROM、2 KB可配置數(shù)據(jù)閃存、2 KB ISP加載器ROM，最多30個I/O引腳，適用于一些對存儲容量要求不高的應(yīng)用場景；而MINI54LAN則擁有16 KB APROM，能滿足對程序存儲要求較高的應(yīng)用。

引腳配置

該系列有LQFP 48 - pin和QFN 33 - pin兩種封裝，不同引腳具有不同的功能。例如，/RESET引腳為硬件設(shè)備復(fù)位的施密特觸發(fā)器輸入引腳，低電平可復(fù)位設(shè)備；SDA和SCL引腳用于I2C數(shù)據(jù)和時鐘的輸入輸出；AINx引腳為ADC模擬輸入引腳等。詳細的引腳描述可參考數(shù)據(jù)手冊中的引腳描述表。

四、功能描述

內(nèi)存組織

NuMicro Mini51系列提供4G字節(jié)的地址空間，支持小端數(shù)據(jù)格式。系統(tǒng)內(nèi)存映射包括閃存和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，不同的地址空間分配給不同的片上模塊，如Flash Memory Space（16 KB）、SRAM Memory Space（2 KB）等。

嵌套向量中斷控制器（NVIC）

• 特性：支持嵌套和向量中斷，自動保存和恢復(fù)處理器狀態(tài)，動態(tài)優(yōu)先級更改，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，如Reset、NMI、Hard Fault等，軟件可對部分異常和所有中斷設(shè)置四個優(yōu)先級級別。系統(tǒng)中斷映射明確了各個中斷的來源和功能，如BOD_OUT中斷為掉電低電壓檢測中斷，WDT_INT為看門狗定時器中斷等。
• 向量表：中斷被接受時，處理器從內(nèi)存中的向量表自動獲取中斷服務(wù)程序（ISR）的起始地址。向量表包含復(fù)位時棧指針的初始值和所有異常處理程序的入口點地址。
• NVIC操作：可通過寫入相應(yīng)的中斷使能或清除使能寄存器位來啟用或禁用NVIC中斷，還可使用設(shè)置掛起寄存器和清除掛起寄存器來掛起或取消掛起中斷。NVIC中斷通過更新32位寄存器中的8位字段進行優(yōu)先級排序。

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）、嵌套向量中斷控制器（NVIC）、產(chǎn)品ID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、掉電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：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）、掉電檢測復(fù)位（BOD）、Cortex? - M0 CPU復(fù)位和軟件單次復(fù)位等，可通過RSTSRC寄存器讀取復(fù)位事件標志。
• 系統(tǒng)電源分配：電源分配分為三個部分，模擬電源由AVDD和AVSS為模擬模塊供電，數(shù)字電源由VDD和VSS為內(nèi)部穩(wěn)壓器供電，內(nèi)部穩(wěn)壓器提供固定的1.8V電源用于數(shù)字操作和I/O引腳，內(nèi)部穩(wěn)壓器的輸出LDO_CAP需要一個靠近相應(yīng)引腳的外部電容器。

時鐘控制器

• 功能概述：時鐘控制器為整個芯片生成時鐘，包括系統(tǒng)時鐘和所有外設(shè)時鐘，還實現(xiàn)了電源控制功能，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。芯片進入掉電模式需CPU設(shè)置掉電使能位（PWR_DOWN_EN）并執(zhí)行WFI指令，掉電模式下時鐘控制器關(guān)閉外部晶體和內(nèi)部22.1184 MHz振蕩器以降低系統(tǒng)功耗。
• 時鐘源：時鐘發(fā)生器有三個來源，分別是一個外部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）。
• 系統(tǒng)時鐘和SysTick時鐘：系統(tǒng)時鐘有三個時鐘源，時鐘源切換取決于寄存器HCLK_S（CLKSEL0[2:0]）；SysTick時鐘源可使用CPU時鐘或外部時鐘，時鐘源切換取決于寄存器STCLK_S（CLKSEL0[5:3]）。
• AHB和外設(shè)時鐘源選擇：AHB時鐘源和外設(shè)時鐘源的選擇有不同的設(shè)置，不同外設(shè)的時鐘源切換設(shè)置也不同，具體可參考相關(guān)寄存器描述。
• 掉電模式時鐘：進入掉電模式時，部分時鐘源和外設(shè)時鐘及系統(tǒng)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）仍保持活動，一些采用10 KHz作為時鐘源的外設(shè)時鐘（如看門狗時鐘、定時器0/1時鐘）也保持活動。
• 頻率分頻器輸出：該設(shè)備配備一個2的冪次頻率分頻器，由16個級聯(lián)的二分頻移位寄存器組成，通過十六選一多路復(fù)用器選擇其中一個移位寄存器的輸出反射到P3.6引腳，可提供16種2的冪次分頻時鐘，輸出頻率公式為Fout = Fin/2(N + 1)，其中Fin為輸入時鐘頻率，F(xiàn)out為分頻器輸出頻率，N為FREQDIV.FSEL[3:0]的4位值。

比較器控制器（CMPC）

• 功能概述：NuMicro Mini51系列包含兩個比較器，可用于多種不同配置。比較器輸出在正輸入大于負輸入時為邏輯1，否則為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在負端輸入內(nèi)部參考電壓，一個比較器中斷可由其中一個比較器請求。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）

• 功能概述：NuMicro Mini51系列包含一個10位逐次逼近型模數(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引腳啟動轉(zhuǎn)換。
• 特性：模擬輸入電壓范圍為0 ~ Vref（最大5.0 V），保證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)換率可達150K SPS，可對指定通道進行一次A/D轉(zhuǎn)換，可通過軟件寫入“1”到ADST位或外部引腳STADC啟動轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在數(shù)據(jù)寄存器中，帶有有效和溢出指示，可將轉(zhuǎn)換結(jié)果與指定值進行比較，用戶可選擇在轉(zhuǎn)換結(jié)果等于比較寄存器設(shè)置時是否產(chǎn)生中斷，通道7支持兩個輸入源：外部模擬電壓和內(nèi)部固定帶隙電壓。

閃存內(nèi)存控制器（FMC）

• 功能概述：NuMicro Mini51系列配備4K/8K/16K字節(jié)的片上嵌入式閃存EPROM用于應(yīng)用程序內(nèi)存（APROM），可通過ISP程序更新。系統(tǒng)編程（ISP）功能允許用戶在芯片焊接在PCB上時更新程序內(nèi)存，芯片上電后，Cortex - M0 CPU根據(jù)Config0中的引導(dǎo)選擇（CBS）從APROM或LDROM中獲取代碼。此外，該系列還提供DATA Flash Region，數(shù)據(jù)閃存與原始程序內(nèi)存共享，起始地址可由用戶在Config1中配置，數(shù)據(jù)閃存大小根據(jù)應(yīng)用需求由用戶定義。
• 特性：與AHB接口兼容，不連續(xù)地址讀取訪問時最高運行頻率可達24 MHz且無等待狀態(tài)，有4K/8K/16KB應(yīng)用程序內(nèi)存（APROM）、2KB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，支持系統(tǒng)編程（ISP）更新片上閃存EPROM。

通用I/O

• 功能概述：該MCU有30個通用I/O引腳，與特殊功能共享，分布在6個端口（P0、P1、P2、P3、P4和P5）。每個引腳獨立，有相應(yīng)的寄存器位控制引腳模式功能和數(shù)據(jù)。
• 特性：支持四種I/O模式，即準雙向、推挽輸出、開漏輸出和高阻抗僅輸入，可選擇TTL/施密特觸發(fā)器輸入，I/O引腳可配置為中斷源并設(shè)置邊緣/電平觸發(fā)，支持高驅(qū)動和高灌電流IO模式。

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，提供設(shè)備間簡單高效的數(shù)據(jù)交換方法。該設(shè)備的片上I2C邏輯符合I2C總線標準模式規(guī)范，通過SDA（P3.4）和SCL（P3.5）兩個引腳與I2C總線連接，使用時需設(shè)置引腳功能為I2C，并為P3.4和P3.5引腳添加外部上拉電阻。
• 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，保證串行數(shù)據(jù)不損壞，串行時鐘同步允許不同比特率的設(shè)備通過一個串行總線通信，可作為握手機制暫停和恢復(fù)串行傳輸，內(nèi)置14位超時計數(shù)器，在I2C總線掛起且定時器溢出時請求I2C中斷，需要外部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，支持多地址識別（四個從地址寄存器，帶掩碼選項）。

增強型PWM發(fā)生器

• 功能概述：NuMicro Mini51系列內(nèi)置一個PWM單元，專為電機驅(qū)動控制應(yīng)用設(shè)計。該PWM單元支持6個PWM發(fā)生器，可配置為6個獨立的PWM輸出（PWM0 ~ PWM5）或3個互補PWM對（PWM0, PWM1）、（PWM2, PWM3）和（PWM4, PWM5），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，最多6個端口引腳，支持6個獨立PWM輸出或3個互補PWM對，每個對中的引腳相互互補且可插入可編程死區(qū)，還有3個同步PWM對，PWM2和PWM4與PWM0同步，支持單觸發(fā)（僅支持邊緣對齊模式）或自動重載模式PWM，最高16位分辨率，支持邊緣對齊和中心對齊模式，可編程在互補配對PWM之間插入死區(qū)，PWM0到PWM5的每個引腳有獨立的極性設(shè)置控制，具備硬件故障制動保護，有兩種中斷源類型，即PWM頻率下向下計數(shù)器比較匹配時（邊緣和中心對齊模式）或下溢時（邊緣對齊模式）同步請求，以及外部故障制動斷言時請求。

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，設(shè)備以主/從模式通過4線雙向接口通信。NuMicro Mini51系列包含一組SPI控制器，可對從外設(shè)設(shè)備接收的數(shù)據(jù)進行串并轉(zhuǎn)換，對發(fā)送到外設(shè)設(shè)備的數(shù)據(jù)進行并串轉(zhuǎn)換，SPI控制器可設(shè)置為主模式或由片外主設(shè)備控制的從模式