NuMicro™ M058/M0516：32位微控制器的卓越之选

在工业控制和各类需要丰富通信接口的应用领域中，NuMicro™ M058/M0516这款32位微控制器凭借其强大的性能和丰富的功能脱颖而出。今天，我们就来深入了解一下这款产品。

文件下载：M0516LAN.pdf

一、总体概述

NuMicro M051™ 系列是一款采用ARM® Cortex™ - M0内核的32位微控制器。Cortex™ - M0作为最新的ARM嵌入式处理器，具备32位性能，成本却与传统8位微控制器相当。该系列包含M052、M054、M058和M0516等家族。其中，M058/M0516最高运行频率可达50 MHz，能够支持各种对CPU性能要求较高的工业控制和应用。它拥有32K/64K字节的嵌入式闪存、4K字节的数据闪存、4K字节用于ISP的闪存以及4K字节的嵌入式SRAM。同时，集成了众多系统级外设功能，如I/O端口、EBI（外部总线接口）、定时器、UART、SPI、I2C、PWM、ADC、看门狗定时器和欠压检测器等，有效减少了组件数量、电路板空间和系统成本，适用于广泛的应用场景。此外，还具备ISP（系统内编程）和ICP（在线编程）功能，方便用户在不拆除芯片的情况下更新程序内存。

二、产品特性

（一）内核特性

• 高性能运行：ARM® Cortex™ - M0内核最高运行频率达50 MHz，具备单周期32位硬件乘法器，提升运算效率。
• 低功耗模式：支持低功耗睡眠模式，可有效降低系统功耗。
• 中断管理：拥有NVIC（嵌套向量中断控制器），支持32个中断输入，每个中断有4级优先级，还具备专用的非屏蔽中断（NMI）输入，支持电平敏感和脉冲敏感中断线。
• 调试功能：支持串行线调试（SWD）接口，具备4个硬件断点和2个观察点，还有程序计数器采样寄存器（PCSR）用于非侵入式代码分析，支持单步执行和向量捕获功能。

  （二）内存配置

• 拥有32KB/64KB的程序闪存（APROM）、4KB的数据闪存（DataFlash）、4KB的加载器闪存（LDROM）以及4KB的内部暂存SRAM，满足不同的数据存储和程序运行需求。

  （三）时钟控制

• 多时钟源选择：具备可编程系统时钟源，支持外部4 - 24 MHz高速晶体输入、内部22.1184 MHz高速振荡器（精度达1%）以及内部10 kHz低速振荡器（用于看门狗定时器）。
• PLL支持：PLL可使CPU最高运行至50MHz，灵活满足不同的性能需求。

  （四）I/O端口

• 丰富的I/O引脚：LQFP - 48封装最多提供40个通用I/O（GPIO）引脚。
• 多种I/O模式：支持准双向、推挽输出、开漏输出和高阻抗输入四种模式，可选择TTL/施密特触发器输入，I/O引脚还可配置为具有边沿/电平设置的中断源，支持高驱动和高灌电流IO模式。

  （五）定时器

• 提供四个通道的32位定时器，每个定时器配备一个8位预分频计数器和24位向上定时器，每个定时器有独立的时钟源，24位定时器值可通过TDR（定时器数据寄存器）读取，支持单次、周期性和翻转操作模式。

  （六）看门狗定时器

• 具备多个时钟源，支持从掉电或空闲模式唤醒，可选择在看门狗超时时间触发中断或复位。

  （七）PWM

• 内置最多四个16位PWM发生器，可提供八个PWM输出或四个互补配对PWM输出。每个PWM发生器有独立的时钟源、时钟分频器、8位预分频器和死区发生器，PWM中断与PWM周期同步，还具备16位数字捕获定时器（与PWM定时器共享），支持捕获中断。

  （八）UART

• 最多提供两组UART设备，具备可编程波特率发生器、15字节FIFO的缓冲接收器和发送器，可选流控制功能（CTS和RTS），支持IrDA（SIR）功能和RS485功能。

  （九）SPI

• 最多两组SPI设备，支持主/从模式，主模式时钟速率最高达20 MHz，从模式时钟速率最高达10 MHz，全双工同步串行数据传输，传输数据长度可变（1 - 32位），支持MSB或LSB先传输，接收数据可在串行时钟的上升沿或下降沿锁存，发送数据也可在相应边沿发送，支持32位传输中的字节暂停模式。

  （十）I2C

• 支持主/从模式，主从之间双向数据传输，为多主总线（无中央主设备），可在多个主设备同时传输时进行仲裁，防止总线上串行数据损坏，支持串行时钟同步，允许不同比特率的设备通过一条串行总线通信，可编程时钟实现灵活的速率控制，支持多个地址识别（四个从地址带掩码选项）。

  （十一）ADC

• 12位SAR ADC，采样率达600k SPS，最多支持8通道单端输入或4通道差分输入，支持单模式、突发模式、单周期扫描模式和连续扫描模式，每个通道有独立的结果寄存器，支持转换值监测（或比较）以进行阈值电压检测，转换可通过软件触发或外部引脚触发。

  （十二）EBI（外部总线接口）

• 可访问64KB（8位模式）或128KB（16位模式）的外部内存映射设备，支持8位/16位数据宽度。

  （十三）其他特性

• 编程功能：具备ISP和ICP功能，方便程序更新。
• 欠压检测：欠压检测器有4个级别（4.5V/3.8V/2.7V/2.2V），支持欠压中断和复位选项。
• 低电压复位：阈值电压为2.0V，工作温度范围为 - 40 ~ 85℃。
• 封装形式：采用绿色封装（RoHS），有48引脚LQFP和33引脚QFN两种封装。

三、产品选型

NuMicro M051™ 系列提供了不同型号的产品供用户选择，具体选型可参考以下表格：	Part No.	APROM	RAM	Data Flash	LDROM	I/O	Timer	Connectivity（UART、SPI、I2C）	PWM	ADC	EBI	ISP ICP	Package
M058LAN	32KB	4KB	4KB	4KB	40	4x32 - bit	2、2、1	8	8x12 - bit	v	v	LQFP48
M058ZAN	32KB	4KB	4KB	4KB	24	4x32 - bit	2、1、1	5	5x12 - bit		v	QFN 33
M0516LAN	64KB	4KB	4KB	4KB	40	4x32 - bit	2、2、1	8	8x12 - bit	v	v	LQFP48
M0516ZAN	64KB	4KB	4KB	4KB	24	4x32 - bit	2、1、1	5	5x12 - bit		v	QFN 33

用户可以根据自身的应用需求，如内存大小、I/O数量、外设功能等，选择合适的型号。

四、引脚配置

（一）QFN 33引脚

QFN 33引脚配置有其特定的功能分布，如XTAL1和XTAL2用于连接外部晶体，VDD和AVDD分别为数字和模拟电源，VSS和AVSS为相应的地，/RST为硬件复位引脚等。

（二）LQFP 48引脚

LQFP 48引脚同样具备丰富的功能，不同引脚承担着不同的任务，如P0、P1、P2、P3、P4端口的引脚可用于多种功能，包括UART、SPI、I2C、PWM、ADC等外设的连接。

（三）引脚详细描述

每个引脚都有其特定的功能和类型，如输入（I）、输出（O）、准双向（I/O）、开漏（D）、电源引脚（P）、施密特触发器输入（ST）等。例如，XTAL1为内部反相放大器的输入引脚，XTAL2为输出引脚；P0端口的引脚有多种复用功能，可用于UART、SPI等通信功能，同时在外部内存接口（EBI）启用时还有替代功能。

五、功能描述

（一）ARM® Cortex™ - M0内核

Cortex™ - M0处理器是一款可配置的多级32位RISC处理器，具有AMBA AHBLite接口和NVIC组件，支持Thumb代码，与其他Cortex - M系列处理器兼容，具备低功耗睡眠模式，NVIC支持32个外部中断输入，每个中断有4级优先级，还具备硬件调试功能，如4个硬件断点和2个观察点等。

（二）系统管理器

• 系统复位：包括上电复位（POR）、/RESET引脚低电平复位、看门狗超时复位（WDT）、低电压复位（LVR）、欠压检测复位（BOD）、CPU复位和系统复位等，复位事件标志可通过RSTRC寄存器读取。
• 系统电源架构：电源架构分为模拟电源和数字电源两部分，模拟电源由AVDD和AVSS提供，为模拟模块供电；数字电源由VDD和VSS提供，通过内部稳压器提供2.5V的固定电源用于数字操作和I/O引脚。
• 系统内存映射：提供4G字节的地址空间，不同的内存区域分配给不同的片上模块，如Flash和SRAM内存空间、AHB模块空间、EBI空间、APB模块空间和系统控制空间等。
• 系统定时器（SysTick）：Cortex - M0集成了SysTick系统定时器，是一个24位的可清零、递减、归零循环计数器，可作为实时操作系统（RTOS）的滴答定时器或简单计数器使用。
• 嵌套向量中断控制器（NVIC）：负责处理所有支持的异常，支持嵌套和向量中断，自动保存和恢复处理器状态，动态改变优先级，减少和确定中断延迟，支持“尾链”和“迟到到达”功能，提高中断处理效率。

  （三）时钟控制器

• 时钟生成：时钟控制器为整个芯片生成时钟，包括系统时钟和所有外设时钟，具备4个时钟源，分别为外部4 - 24 MHz高速晶体、内部22.1184 MHz高速振荡器、可编程PLL（由外部晶体或内部高速振荡器提供源）和内部10 kHz低速振荡器。
• 时钟选择：系统时钟和SysTick时钟有多种时钟源可供选择，通过相应的寄存器进行切换。在电源管理方面，芯片进入掉电模式时，时钟控制器会关闭部分时钟源以降低功耗。
• 频率分频器：配备以2为幂的频率分频器，由16个级联的除2移位寄存器组成，可通过16选1的多路复用器选择其中一个移位寄存器的输出，输出频率范围为 (F{in } / 2^{1}) 到 (F{in } / 2^{17}) 。

  （四）通用I/O

• 该MCU共有40个通用I/O引脚，分布在P0、P1、P2、P3和P4五个端口，每个端口最多8个引脚。引脚的I/O类型可通过软件单独配置为输入、输出、开漏或准双向模式。复位后，所有引脚默认为准双向模式，端口数据寄存器Px_DOUT[7:0]复位为0x000_00FF，每个I/O引脚配备约110KΩ - 300KΩ的弱上拉电阻。

  （五）I2C串行接口控制器

  I2C是一种两线双向串行总线，用于设备之间的数据交换。该芯片的I2C接口符合I2C总线标准模式规范，支持主/从模式，具备仲裁和串行时钟同步功能，内置14位超时计数器，支持7位寻址模式和多个地址识别。

  （六）PWM发生器和捕获定时器

• PWM功能：NuMicro M051™ 系列有2组PWM组，支持4组PWM发生器，可配置为8个独立的PWM输出或4个互补PWM对，每个PWM发生器有独立的时钟源、预分频器、时钟分频器、定时器、比较器和死区发生器，支持单次或自动重载模式。
• 捕获功能：PWM定时器还具备数字输入捕获功能，8个捕获输入通道与8个PWM输出通道共享，每个通道支持上升沿和下降沿捕获，可产生捕获中断。

  （七）SPI控制器

  SPI是一种同步串行数据通信协议，该芯片最多有两组SPI控制器，支持主/从模式操作，可配置传输字的位长度和事务的字数，支持突发模式操作、MSB或LSB先传输、字节或字暂停模式，主模式下输出串行时钟频率可变。

  （八）定时器控制器

  定时器控制器包含四个32位定时器，可实现频率测量、间隔测量、时钟生成、延迟定时等功能，每个定时器有独立的时钟源，支持单次、周期性、翻转和连续计数操作模式。

  （九）看门狗定时器

  看门狗定时器用于在系统进入未知状态时进行系统复位，防止系统无限期挂起，还支持从掉电模式唤醒芯片。它包含一个18位的自由运行计数器，具有可编程的超时时间间隔，超时后可触发中断或复位。

  （十）UART接口控制器

• 提供最多两个通道的UART设备，支持正常速度UART和流控制功能，具备15字节的发送和接收FIFO，支持多种中断类型，如发送FIFO空中断、接收阈值到达中断等。
• 可编程波特率发生器，支持IrDA SIR功能和RS - 485模式功能，可通过硬件或软件实现自动流控制和方向控制。

  （十一）ADC

• 包含一个12位逐次逼近型模拟 - 数字转换器（SAR A/D转换器），支持8个输入通道，可在单、突发、单周期扫描和连续扫描四种模式下工作，转换可通过软件或外部引脚触发。
• 模拟输入电压范围为0 - AVDD（最大5.0V），分辨率为12位，精度达10位，最高转换速率为600k SPS，支持自校准以减少转换误差。

  （十二）外部总线接口（EBI）

  EBI用于连接外部设备，支持地址总线和数据总线复用模式，通过地址锁存使能（ALE）信号区分地址和数据周期，可支持最大64K字节（8位数据宽度）或128K字节（16位数据宽度）的外部设备，支持可变的外部总线基时钟、数据宽度、数据访问时间等。

  （十三）闪存内存控制器（FMC）

• 配备64K/32K/16K/8K字节的片上嵌入式闪存作为应用程序内存（APROM），可通过ISP/IAP程序更新。
• 还提供4K字节的DATA Flash用于存储应用相关数据，支持零等待状态的连续地址读取访问，运行频率最高可达50 MHz。

六、典型应用电路和电气特性

（一）典型应用电路

文档中虽未详细描述典型应用电路，但在实际设计中，可根据芯片的功能和引脚配置，结合具体的应用需求，设计出合适的电路。

（二）电气特性

• 绝对最大额定值：规定了芯片正常工作的极限条件，如电源电压范围、输入电压范围、振荡器频率范围、工作温度范围、最大电流等，超出这些范围可能会影响芯片的寿命和可靠性。
• 直流电气特性：包括工作电压、电源地、LDO输出电压、带隙模拟输入、模拟工作电压、工作电流（正常运行模式、空闲模式、掉电模式）、输入电流、输入泄漏电流、逻辑电平转换电流、输入高低电压等参数，这些参数在不同的工作条件下有不同的取值。
• 交流电气特性：涉及外部4 - 24 MHz高速晶体和振荡器的时钟参数，如时钟高时间、低时间、上升时间、下降时间等，以及内部22.1184 MHz高速振荡器和10 kHz低速振荡器的频率精度、工作电流等特性。
• 模拟特性：包括600 kHz sps 12位SARADC的分辨率、非线性误差、偏移误差、增益误差、采样率等参数，LDO和电源管理的输入输出电压、静态电流等参数，以及欠压检测器、低电压复位、上电复位的相关参数。
• SPI动态特性：给出了SPI主模式和从模式在不同电源电压和负载电容下的数据建立时间、保持时间和输出有效时间等参数。