LPC800前生今世 第一章-概述

LPC800是恩智浦公司于2012年開發(fā)的以ARM Cortex-M0+為核心的32位MCU系列，這個系列的產(chǎn)品是面向傳統(tǒng)的8位和16位MCU的升級市場。她的配置特點十分鮮明，首先迎合了上一代8/16位MCU所具有的特點：小引腳封裝、小存儲容量、易于編程等。在此基礎(chǔ)上又為更高端的應(yīng)用配置了豐富的外設(shè)，例如多通道的快速ADC、模擬比較器、豐富的多速率串行通信接口、靈活的SCT(狀態(tài)可配置定時器)、DMA控制器和低功耗控制等。為了便于用戶將原有的8/16位項目，快速地遷移至32位的LPC800上面，節(jié)省研發(fā)和物料成本，LPC800還集成了先進的調(diào)試手段和一些獨特的外設(shè)，例如用于靈活引腳配置的開關(guān)矩陣（Switch Matrix）、用于故障檢測和恢復(fù)的窗口看門狗定時器、用于檢測組合邏輯的外部中斷模式匹配引擎、用于可靠通信的循環(huán)冗余檢查(CRC)計算器等。

另外，LPC800系列延續(xù)了所有LPC微控制器的傳統(tǒng)，每個型號都配置了一個ROM區(qū)，內(nèi)置常用外設(shè)的底層驅(qū)動，如ADC、SPI、I2C、USART等(每個子系列的內(nèi)容不盡相同)；還內(nèi)置了通過串口UART燒寫Flash的ISP(在系統(tǒng)中編程In-System Programming)程序，和IAP(在應(yīng)用中編程In-Application Programming)程序，方便用戶燒錄和升級片內(nèi)程序。

最新的LPC86x系列集成了新一代的高速串行通信外設(shè)I3C，也繼承了FlexTimer專注于電機驅(qū)動應(yīng)用。

1.1.LPC800系列介紹

LPC800采用ARM Cortex-M0+為核心，最高運行主頻30MHz(LPC86x系列可以達到60MHz)，可以滿足很多低端不需要很多計算能力，以控制為主的應(yīng)用需要。她天然地繼承了Cortex-M0+內(nèi)核所帶來的優(yōu)勢：

■支持低代碼密度、高性能的Thumb-2指令集

■支持IO口單周期訪問

■硬件單周期乘法（32*32）

■內(nèi)核集成了多種低功耗模式

■優(yōu)化的代碼存取更能降低Flash或ROM的功耗

■精準高效的中斷處理

■確定的指令時鐘周期

■支持SWD調(diào)試接口

LPC800自推出之后，目前已經(jīng)有五個子系列：LPC80x、LPC81x、LPC82x、LPC83x，LPC84x和LPC86x系列，下表列出了它們之間的主要差別，同時給出了對應(yīng)的型號：

表1.LPC800五個子系列產(chǎn)品一覽

在“型號”一欄，給出了產(chǎn)品的完整型號，用戶向恩智浦或恩智浦的代理商訂貨時要使用這個完整的型號。但一般我們在談產(chǎn)品的特性而不關(guān)心某個具體型號時，往往只使用前面幾位，例如LPC812、LPC824等。

這里要特別注意的是，HVQFN33有兩種尺寸，在LPC800中使用的都是5x5x0.85mm(長x寬x高)的封裝。這可以由芯片型號的后四位為“HI33”分辨出來。HVQFN33的另一種尺寸是7x7x0.85mm，芯片型號的后四位是“HN33”。

1.2.子系列的一些特色

LPC800的各個子系列，除了本章開頭介紹的一些特點外，還分別有一些特色的功能，本節(jié)給出一個非常簡要的介紹。

1.2.1 LPC8N04的特色功能

LPC8N04的最高主頻是8MHz，它集成了一個NFC的接口，適合于簡單的但需要經(jīng)常改變配置的應(yīng)用產(chǎn)品，例如變換圣誕樹的燈光模式、物流貨物的倉儲條件(溫濕度、震動等)跟蹤、萬能遙控器的配置等。

LPC8N04還有其它一些特色：

·具有4KB的片上EEPROM，其中256字節(jié)可以設(shè)置為寫保護。

·片上內(nèi)置一個溫度傳感器。

·能夠直接由NFC接口供電而不需額外電源。

1.2.2 LPC802的特色功能

LPC802子系列的最高主頻是15MHz。

在TSSOP20封裝，型號為LPC802M011JDH20的器件上有一個VDDIO引腳，可以接工作電壓范圍內(nèi)的任意電壓，允許多至9個IO口工作于VDDIO的電壓，這樣相當于省卻一個外部的電壓轉(zhuǎn)換器。

1.2.3 LPC804的特色功能

LPC804子系列的最高主頻是15MHz，有如下一些特色功能：

·除了20引腳的封裝以外，其它型號都有一路10位DAC的輸出。

·一個可編程邏輯單元(PLU：Programmable Logic Unit)：可以實現(xiàn)很多需要分立邏輯器件實現(xiàn)的多種布爾邏輯組合，例如一個簡單的狀態(tài)機。

·具有一個電容觸摸接口。

·型號為LPC804M111JDH24的器件有一個VDDIO引腳，可以接工作電壓范圍內(nèi)的任意電壓，允許多至11個IO口工作于VDDIO的電壓。

1.2.4 LPC84x的特色功能

LPC84x中新增加了一些非常好的功能模塊：

·快速初始化陣列(FAIM)：這個模塊允許芯片在上電后快速地配置好狀態(tài)，例如IO口的方向和模式等。

·具有一個電容觸摸接口。

·兩個10位DAC輸出。

另外LPC84x具有5個UART串口，在同等級別的MCU中是很難得的。

1.2.5 LPC86x的特色功能

LPC86x中新增加了一些全新的功能模塊：

·I3C，新一代高速串行通信外設(shè)，兼容I2C并且提升通信速率，支持多主多從，支持低目標電壓。

·FTM，支持兩個FlexTimer，一路FlexTimer可以支持驅(qū)動BLDC和PMSM電機，一路可以用于做編碼器解碼。

1.2.6 適合IoT應(yīng)用場景的超小型封裝

在LPC800系列中還有一些非常適合IoT應(yīng)用場景的超小型封裝產(chǎn)品，它們是：

· LPC802UK：WLCSP16晶片級封裝，面積僅有1.86x1.86mm2，厚度僅有0.3mm；

· LPC804UK：WLCSP20晶片級封裝，面積僅有2.50x1.84mm2，厚度僅有0.5mm；

· LPC812M101JTB16：XSON16封裝，面積為2.5x3.2 mm2，厚度僅有0.5mm。

除此之外，大部分系列都有HVQFN33的封裝，體積也非常小巧，僅有5x5x0.85mm3。

1.3.LPC800的應(yīng)用實例

自從推出市場以來，LPC800受到了廣泛的關(guān)注和好評，迅速地應(yīng)用到工業(yè)、家電、PC周邊配件、汽車等各個領(lǐng)域，以下這些應(yīng)用實例都是我們客戶的真實案例，從這些實例的簡單分析中，讀者可以更加深入地體會LPC800的優(yōu)勢和廣泛的適應(yīng)性。

1.3.1 電池包管理

在現(xiàn)代社會，到處都要用到可移動的，使用電池供電的設(shè)備，從手機平板電腦，到電動工具、電動自行車、無人機，再到電動汽車、大型機器人等，都需要容量、材質(zhì)不同的電池，這些電池都需要是可反復(fù)充電循環(huán)使用的，因此就需要對電池進行各種管理，從充電到儲存，再到放電的使用過程。

不管使用哪種材質(zhì)的充電電池，每個單體電池的電壓都不是很高，常見的鎳氫、鎳鎘電池大約為1.2V，鋰離子電池大約在3.6V~3.7V左右。一般的用電設(shè)備，所需的電壓都要比單個電池能夠提供的電壓高。由于制造的限制，一般每個單體電池的容量也不是很大。所以通常的場合都是使用多個單體電池并聯(lián)為一組，獲得更高的容量，再多個電池組串聯(lián)獲得更高的電壓。例如我的戴爾電腦里面的鋰離子電池組的輸出電壓是11.1V，顯然里面是由三組電池串聯(lián)組成。

在很多應(yīng)用中，是把串并聯(lián)構(gòu)成的電池組和電池管理的電路同時放在一個封裝中，成為一個獨立的組件——電池包，這樣的電池包在電動工具、電動自行車、電動汽車等應(yīng)用中基本是標準配置。

LPC800非常適合于放在這樣的電池包里，做充電、放電的管理。

電池包的充放電管理按照控制的精細化程度，需要不同級別的MCU配置，大體可分為以下一些要求：

▲低功耗和快速喚醒。
低功耗的要求是保證電池在不使用時，盡量減少電量的消耗，延長電池的待機壽命。
快速喚醒的要求則是保證電池從待機到全力輸出電量的時間間隔盡可能地短。

▲多個ADC的測量通道：

■在充電時需要監(jiān)測和控制電池的充電電壓和充電電流；

■為了均衡串并聯(lián)的單體電池間的個體差異，可能需要監(jiān)測施加到每個單體電池的狀況，并實現(xiàn)分別控制；

■在實際使用中，需要監(jiān)視電池放電的電壓和電流，防止超大電流放電或短路時損壞電池；

■在充放電時監(jiān)視電池的溫度，防止過熱甚至爆炸；

■對于某些電池，可能需要在充電前，需要把電池殘存的電量放空，此時也需要進行有效地監(jiān)控。

▲多個PWM的輸出通道：

■有效地控制充電的電壓和電流；

■有效地控制實際使用過程中的電流，防止過載；

■寒冷地區(qū)，有時需要適當加熱以保持電池的正常體溫；

■有時需要控制指示燈的視覺效果等。

▲多個通信通道

■需要和其它設(shè)備通信，例如藍牙模塊(UART或SPI)，其它電池包(I2C或UART)；

■實現(xiàn)用于電池管理的SMBus；

■擴展其它模組的通道等。

▲多個GPIO控制引腳等。

▲一些高檔的電池包，本身還會配有顯示屏，以顯示各種參數(shù)。

下面的框圖是LPC824用在一個電池包里，實現(xiàn)綜合管理和控制的實際案例。

這是一個高端的電池包，內(nèi)有10節(jié)串聯(lián)的鋰離子電池，整體輸出36V電壓。使用了一個專用的電池管理芯片，充電時精細地控制到每節(jié)電池，LPC824通過I2C控制這個管理芯片的操作。

在各種監(jiān)測和控制回路之外，電池包還包含一個藍牙模組，可以與手機進行通信，對電池包的工作進行監(jiān)視和管理，同時可以實現(xiàn)用戶的注冊登記，實行授權(quán)管理，SPI Flash中可以用來存放相關(guān)的信息。可以設(shè)想在共享單車、共享電動車、共享汽車等應(yīng)用中，通過這種對電池的注冊管理，實現(xiàn)租用和解鎖等操作。

1.3.2 手機耳機口擴展器(QuickJack)

手機已經(jīng)成為現(xiàn)代人不可或缺的工具，通話已經(jīng)退化為一種輔助功能，手機越來越多地承載起人與物、物與物互相交互的終端或中繼器的作用。充分地利用手機的交互終端或中繼器的功能，人們自然地希望能夠把各種各樣的東西和手機連接起來，藍牙、WiFi、USB都是現(xiàn)成的通信接口，相對于這些接口，還有一種更加簡單方便且成本低廉的方案——利用耳機插口。

恩智浦發(fā)布過一個使用LPC812實現(xiàn)的方案——Quick-Jack，利用手機的耳機插口與手機進行低速數(shù)據(jù)交換。此方案完全開源，用戶可以在恩智浦的網(wǎng)站上下載到相應(yīng)的文檔、線路圖和源代碼，也包括手機端(iOS和Android)的源代碼；還可以買到做好的開發(fā)板，開發(fā)板的編號是OM13069。

恩智浦提供的Quick-Jack方案，可以實現(xiàn)1400波特的數(shù)據(jù)傳輸率；開發(fā)板上預(yù)置了四個可以通過手機端控制的LED燈，一個五方向按鍵(俗稱游戲棒)，和一個通過I2C連接的溫度傳感器，手機端可以讀取到游戲棒和穩(wěn)度傳感器的狀態(tài)和數(shù)值。開發(fā)板的功耗大約為10mW，一般智能手機的耳機輸出功率可以達到15mW，使用者可以利用擴展接口再外接5mW以內(nèi)的其它器件。開發(fā)板上還有一個電池，在手機不能提供足夠電量，或用戶自己外擴得器件需要較大的功率時，可以通過跳線使用板載電池供電。

該方案充分地利用了LPC812的低功耗和快速GPIO的特性，可以直接使用耳機信號的微弱電量工作，并利用簡單的GPIO操作實現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)的曼徹斯特編解碼，在此基礎(chǔ)上用戶可以使用LPC812所提供的串行通信通道(2~3個UART、1~2個SPI、1個I2C等)或GPIO，連接各種傳感器或控制器件。

現(xiàn)在所有智能手機的耳機口都有四個信號端，左右兩個音頻輸出通道、一個麥克風輸入通道和一個地線。LPC812的方案是通過耳機的右聲道獲取電量，再通過一個LDO得到穩(wěn)定的3.3V給MCU和其它電路供電；手機端的Apps利用耳機的左聲道向LPC812發(fā)送數(shù)據(jù)和命令，LPC812則通過耳機口中的麥克風信號線向Apps發(fā)送數(shù)據(jù)和響應(yīng)，實現(xiàn)完整的命令/數(shù)據(jù)交換鏈。下面是方案的開發(fā)板系統(tǒng)的框圖。

關(guān)于該方案的更多細節(jié)，讀者可以在恩智浦官網(wǎng)下載相應(yīng)的文檔。

已經(jīng)有很多客戶采用上述參考方案，設(shè)計出自己的產(chǎn)品，以下是幾個典型的案例：

▲使用LPC824的皮膚含水測試儀
此方案非常簡單，基本原理不再贅述。

1.3.3 玩具無人機控制

在這個簡易的無人機控制中，基本上使用了LPC824的所有資源，達到了最佳性價比。

1.3.4BLDC/PMSM電機控制

該方案是使用LPC865實現(xiàn)一個BLDC/PMSM電機控制的應(yīng)用。通過LPC865片上的FlexTimer定時器和ADC模塊，可以配合FRDM-MC-LVPMSM和FRDM-MC-BLDC驅(qū)動板來驅(qū)動電機，亦可以配合FreeMASTER上位機工具快速完成電機的配置和調(diào)試。

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