NuMicro™ Mini51系列32位微控制器：高性能与低成本的完美结合

在工业控制和各类应用中，一款性能卓越、成本合理的微控制器至关重要。NuMicro™ Mini51系列32位微控制器凭借其强大的功能和出色的性价比，成为了众多工程师的首选。今天，我们就来深入了解一下这款微控制器。

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一、总体概述

NuMicro Mini51系列嵌入式ARM® Cortex™ - M0核心，专为工业控制和应用而设计，具备高性能、高集成度和低成本的特点。Cortex™ - M0作为最新的ARM嵌入式处理器，以相当于传统8位微控制器的成本提供32位性能。该系列最高运行频率可达24 MHz，能支持各种对CPU性能要求较高的工业控制和应用。同时，它提供4K/8K/16K字节的嵌入式程序闪存、可配置大小的数据闪存（与程序闪存共享）、2K字节的ISP闪存以及2K字节的嵌入式SRAM。此外，还集成了多个系统级外设功能，如I/O端口、定时器、UART、SPI、I2C、PWM、ADC、看门狗定时器和低压检测器等，有效减少了组件数量、电路板空间和系统成本。并且，该系列还配备了ISP（系统内编程）和ICP（在线编程）功能，方便用户在不拆卸芯片的情况下更新程序内存。

二、产品特性

核心特性

• 高性能核心：ARM® Cortex™ - M0核心，最高运行频率24 MHz，拥有一个24位系统定时器，支持低功耗空闲模式。
• 强大运算能力：具备单周期32位硬件乘法器，能快速完成复杂运算。
• 中断管理：NVIC支持32个中断输入，每个中断有4级优先级，还支持带2个观察点/4个断点的串行线调试（SWD）。
• 宽电压范围：内置LDO，支持2.5V至5.5V的宽工作电压范围。

内存特性

• 丰富的存储资源：提供4KB/8KB/16KB的程序闪存（APROM）、可配置的数据闪存（Data Flash）、2KB的加载器闪存（LDROM）以及2KB的内部暂存SRAM。
• 便捷的编程方式：支持系统内编程（ISP）和在线编程（ICP），方便程序更新。

时钟控制特性

• 灵活的时钟源：可编程系统时钟源，可动态切换时钟源。支持4 ~ 24 MHz晶体振荡器（HXT）、32.768K晶体振荡器（LXT）用于空闲唤醒和系统操作时钟、22.1184 MHz内部振荡器（HIRC）（25°C、5V时精度为1%）以及10 KHz内部低功耗振荡器（LIRC）用于看门狗和空闲唤醒。
• 动态校准：可通过外部32.768K晶体振荡器（LXT）将HIRC OSC动态校准到 - 40°C至85°C范围内的22.0 MHz ± 1%。

I/O端口特性

• 丰富的I/O引脚：LQFP - 48封装最多有30个通用I/O（GPIO）引脚。
• 灵活的I/O模式：软件可配置I/O类型，包括准双向输入/输出、推挽输出、开漏输出和仅输入（高阻抗），还可选施密特触发器输入。

定时器特性

• 双定时器设计：两个24位定时器，带有8位预分频器。
• 多种工作模式：支持事件计数器模式、Toggle输出模式、脉冲宽度测量模式和脉冲宽度捕获模式的外部触发。

看门狗定时器特性

• 可编程设置：可编程时钟源和超时周期。
• 唤醒功能：支持在掉电模式和空闲模式下的唤醒功能，超时发生时可选择中断或复位。

PWM特性

• 多通道PWM：最多三个内置16位PWM发生器，有六个PWM输出或三个互补配对PWM输出。
• 灵活的配置：支持边缘对齐或中心对齐，支持故障检测，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。

UART特性

• 单通道UART：一个UART设备，带有16字节FIFO的缓冲接收器和发送器。
• 多功能支持：可选流控制功能（CTSn和RTSn），支持IrDA（SIR）功能，可编程波特率发生器最高可达1/16系统时钟，支持RS - 485功能。

SPI特性

• 单SPI设备：一个SPI设备，主模式最高12 MHz，从模式最高4 MHz。
• 灵活的数据传输：支持SPI主/从模式，全双工同步串行数据传输，传输数据长度可变（1至32位），支持MSB或LSB先传输，Rx和Tx可独立在串行时钟的上升或下降沿进行，32位传输时支持字节暂停模式。

I2C特性

• 主/从模式支持：支持主/从模式，主从之间双向数据传输。
• 多主总线：多主总线（无中央主设备），同时传输的主设备之间可进行仲裁，保证串行数据不损坏。
• 时钟同步：串行时钟同步允许不同比特率的设备通过一个串行总线通信，可作为握手机制暂停和恢复串行传输，可编程时钟实现灵活的速率控制，支持多地址识别（4个从地址，带掩码选项）。

ADC特性

• 高精度转换：10位SAR ADC，采样率可达150K SPS。
• 多通道输入：最多8通道单端输入和一个来自带隙的内部输入，可通过软件或外部引脚启动转换。

模拟比较器特性

• 双比较器设计：两个模拟比较器，可编程16级内部电压参考，内置CRV（比较器参考电压）。

其他特性

• 掉电检测复位：三个可编程阈值电平（3.8V/2.7V/2.0V，默认2.0V），可选BOD中断或复位。
• 唯一ID：96位唯一ID。
• 宽温度范围：工作温度范围为 - 40°C ~ 85°C。
• 环保封装：提供绿色封装（RoHS），有LQFP 48 - pin（7x7）、QFN 33 - pin（5x5）、QFN 33 - pin（4x4）等多种封装形式。

三、产品选型与引脚配置

产品选型

NuMicro Mini51系列提供多种型号供用户选择，不同型号在APROM、RAM、数据闪存、I/O数量、定时器、连接性等方面有所差异。例如，MINI51LAN具有4 KB APROM、2 KB可配置数据闪存、2 KB ISP加载器ROM，最多30个I/O引脚，适用于一些对存储容量要求不高的应用场景；而MINI54LAN则拥有16 KB APROM，能满足对程序存储要求较高的应用。

引脚配置

该系列有LQFP 48 - pin和QFN 33 - pin两种封装，不同引脚具有不同的功能。例如，/RESET引脚为硬件设备复位的施密特触发器输入引脚，低电平可复位设备；SDA和SCL引脚用于I2C数据和时钟的输入输出；AINx引脚为ADC模拟输入引脚等。详细的引脚描述可参考数据手册中的引脚描述表。

四、功能描述

内存组织

NuMicro Mini51系列提供4G字节的地址空间，支持小端数据格式。系统内存映射包括闪存和SRAM内存空间、AHB控制器空间、APB1控制器空间和系统控制器空间等，不同的地址空间分配给不同的片上模块，如Flash Memory Space（16 KB）、SRAM Memory Space（2 KB）等。

嵌套向量中断控制器（NVIC）

• 特性：支持嵌套和向量中断，自动保存和恢复处理器状态，动态优先级更改，减少和确定中断延迟。
• 异常模型和系统中断映射：支持多种异常，如Reset、NMI、Hard Fault等，软件可对部分异常和所有中断设置四个优先级级别。系统中断映射明确了各个中断的来源和功能，如BOD_OUT中断为掉电低电压检测中断，WDT_INT为看门狗定时器中断等。
• 向量表：中断被接受时，处理器从内存中的向量表自动获取中断服务程序（ISR）的起始地址。向量表包含复位时栈指针的初始值和所有异常处理程序的入口点地址。
• NVIC操作：可通过写入相应的中断使能或清除使能寄存器位来启用或禁用NVIC中断，还可使用设置挂起寄存器和清除挂起寄存器来挂起或取消挂起中断。NVIC中断通过更新32位寄存器中的8位字段进行优先级排序。

系统管理器

• 功能概述：包括系统内存映射、系统定时器（SysTick）、嵌套向量中断控制器（NVIC）、产品ID系统管理寄存器、芯片和模块功能复位及多功能引脚控制的系统管理寄存器、掉电和芯片杂项控制寄存器以及组合外设中断源识别等功能。
• 系统复位：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）、掉电检测复位（BOD）、Cortex™ - M0 CPU复位和软件单次复位等，可通过RSTSRC寄存器读取复位事件标志。
• 系统电源分配：电源分配分为三个部分，模拟电源由AVDD和AVSS为模拟模块供电，数字电源由VDD和VSS为内部稳压器供电，内部稳压器提供固定的1.8V电源用于数字操作和I/O引脚，内部稳压器的输出LDO_CAP需要一个靠近相应引脚的外部电容器。

时钟控制器

• 功能概述：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，还实现了电源控制功能，可单独控制时钟的开关、选择时钟源和进行4位时钟分频。芯片进入掉电模式需CPU设置掉电使能位（PWR_DOWN_EN）并执行WFI指令，掉电模式下时钟控制器关闭外部晶体和内部22.1184 MHz振荡器以降低系统功耗。
• 时钟源：时钟发生器有三个来源，分别是一个外部12 MHz（HXT）或32 KHz（LXT）晶体、一个内部22.1184 MHz RC振荡器（HIRC）和一个内部10 KHz振荡器（LIRC）。
• 系统时钟和SysTick时钟：系统时钟有三个时钟源，时钟源切换取决于寄存器HCLK_S（CLKSEL0[2:0]）；SysTick时钟源可使用CPU时钟或外部时钟，时钟源切换取决于寄存器STCLK_S（CLKSEL0[5:3]）。
• AHB和外设时钟源选择：AHB时钟源和外设时钟源的选择有不同的设置，不同外设的时钟源切换设置也不同，具体可参考相关寄存器描述。
• 掉电模式时钟：进入掉电模式时，部分时钟源和外设时钟及系统时钟会被禁用，但内部10 KHz RC振荡器（LIRC）时钟和外部32.768 KHz晶体振荡器（LXT）时钟（在特定条件下）仍保持活动，一些采用10 KHz作为时钟源的外设时钟（如看门狗时钟、定时器0/1时钟）也保持活动。
• 频率分频器输出：该设备配备一个2的幂次频率分频器，由16个级联的二分频移位寄存器组成，通过十六选一多路复用器选择其中一个移位寄存器的输出反射到P3.6引脚，可提供16种2的幂次分频时钟，输出频率公式为Fout = Fin/2(N + 1)，其中Fin为输入时钟频率，Fout为分频器输出频率，N为FREQDIV.FSEL[3:0]的4位值。

比较器控制器（CMPC）

• 功能概述：NuMicro Mini51系列包含两个比较器，可用于多种不同配置。比较器输出在正输入大于负输入时为逻辑1，否则为0，每个比较器可配置在输出值变化时产生中断。
• 特性：模拟输入电压范围为0 ~ 5.0V，支持迟滞功能，两个模拟比较器可选择在负端输入内部参考电压，一个比较器中断可由其中一个比较器请求。

模数转换器（ADC）

• 功能概述：NuMicro Mini51系列包含一个10位逐次逼近型模数转换器（SAR A/D转换器），有8个输入通道，可通过软件和外部STADC/P3.2引脚启动转换。
• 特性：模拟输入电压范围为0 ~ Vref（最大5.0 V），保证10位分辨率和8位精度，最多8个单端模拟输入通道，最大ADC时钟频率为6 MHz，转换率可达150K SPS，可对指定通道进行一次A/D转换，可通过软件写入“1”到ADST位或外部引脚STADC启动转换，转换结果保存在数据寄存器中，带有有效和溢出指示，可将转换结果与指定值进行比较，用户可选择在转换结果等于比较寄存器设置时是否产生中断，通道7支持两个输入源：外部模拟电压和内部固定带隙电压。

闪存内存控制器（FMC）

• 功能概述：NuMicro Mini51系列配备4K/8K/16K字节的片上嵌入式闪存EPROM用于应用程序内存（APROM），可通过ISP程序更新。系统编程（ISP）功能允许用户在芯片焊接在PCB上时更新程序内存，芯片上电后，Cortex - M0 CPU根据Config0中的引导选择（CBS）从APROM或LDROM中获取代码。此外，该系列还提供DATA Flash Region，数据闪存与原始程序内存共享，起始地址可由用户在Config1中配置，数据闪存大小根据应用需求由用户定义。
• 特性：与AHB接口兼容，不连续地址读取访问时最高运行频率可达24 MHz且无等待状态，有4K/8K/16KB应用程序内存（APROM）、2KB系统编程（ISP）加载器程序内存（LDROM），可编程数据闪存起始地址和内存大小，以512字节页擦除为单位，支持系统编程（ISP）更新片上闪存EPROM。

通用I/O

• 功能概述：该MCU有30个通用I/O引脚，与特殊功能共享，分布在6个端口（P0、P1、P2、P3、P4和P5）。每个引脚独立，有相应的寄存器位控制引脚模式功能和数据。
• 特性：支持四种I/O模式，即准双向、推挽输出、开漏输出和高阻抗仅输入，可选择TTL/施密特触发器输入，I/O引脚可配置为中断源并设置边缘/电平触发，支持高驱动和高灌电流IO模式。

I2C串行接口控制器（主/从）

• 功能概述：I2C是一种两线双向串行总线，提供设备间简单高效的数据交换方法。该设备的片上I2C逻辑符合I2C总线标准模式规范，通过SDA（P3.4）和SCL（P3.5）两个引脚与I2C总线连接，使用时需设置引脚功能为I2C，并为P3.4和P3.5引脚添加外部上拉电阻。
• 特性：支持主/从模式，主从之间双向数据传输，多主总线（无中央主设备），同时传输的主设备之间可进行仲裁，保证串行数据不损坏，串行时钟同步允许不同比特率的设备通过一个串行总线通信，可作为握手机制暂停和恢复串行传输，内置14位超时计数器，在I2C总线挂起且定时器溢出时请求I2C中断，需要外部上拉电阻以提高输出上拉速度，可编程时钟实现灵活的速率控制，支持7位寻址模式，支持多地址识别（四个从地址寄存器，带掩码选项）。

增强型PWM发生器

• 功能概述：NuMicro Mini51系列内置一个PWM单元，专为电机驱动控制应用设计。该PWM单元支持6个PWM发生器，可配置为6个独立的PWM输出（PWM0 ~ PWM5）或3个互补PWM对（PWM0, PWM1）、（PWM2, PWM3）和（PWM4, PWM5），带有3个可编程死区发生器。
• 特性：六个独立的16位PWM占空比控制单元，最多6个端口引脚，支持6个独立PWM输出或3个互补PWM对，每个对中的引脚相互互补且可插入可编程死区，还有3个同步PWM对，PWM2和PWM4与PWM0同步，支持单触发（仅支持边缘对齐模式）或自动重载模式PWM，最高16位分辨率，支持边缘对齐和中心对齐模式，可编程在互补配对PWM之间插入死区，PWM0到PWM5的每个引脚有独立的极性设置控制，具备硬件故障制动保护，有两种中断源类型，即PWM频率下向下计数器比较匹配时（边缘和中心对齐模式）或下溢时（边缘对齐模式）同步请求，以及外部故障制动断言时请求。

串行外设接口（SPI）控制器

• 功能概述：SPI是一种同步串行数据通信协议，工作在全双工模式，设备以主/从模式通过4线双向接口通信。NuMicro Mini51系列包含一组SPI控制器，可对从外设设备接收的数据进行串并转换，对发送到外设设备的数据进行并串转换，SPI控制器可设置为主模式或由片外主设备控制的从模式