探秘MCXE315/316/317/31B：5V強(qiáng)勁Arm Cortex M7 MCU的卓越性能

在電子工程師的世界里，不斷尋求高性能、高可靠性的微控制器（MCU）是永恒的追求。今天，我們就來(lái)深入剖析NXP Semiconductors推出的MCXE315/316/317/31B系列，一款具備強(qiáng)大功能和出色特性的5V Arm Cortex M7 MCU，且符合SIL2標(biāo)準(zhǔn)。

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一、產(chǎn)品概述

MCXE31系列是對(duì)Arm? Cortex? - M4F MCX E24系列芯片的進(jìn)一步拓展。它采用了更高頻率的Arm Cortex - M7核心，擁有更多的內(nèi)存、SIL 2評(píng)級(jí)以及先進(jìn)的安全模塊，專注于商業(yè)和工業(yè)環(huán)境的穩(wěn)健性。這使得該系列設(shè)備非常適合在電氣惡劣環(huán)境下的廣泛應(yīng)用，并且針對(duì)成本敏感型應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，提供了節(jié)省空間的新封裝選項(xiàng)。同時(shí)，系列內(nèi)的設(shè)備共享通用外設(shè)和引腳布局，方便開(kāi)發(fā)者在芯片系列內(nèi)或不同芯片系列間輕松遷移，以利用更多的內(nèi)存或功能集成。

二、關(guān)鍵特性

（一）核心性能

• 高頻率處理：搭載160 MHz的Arm? Cortex? - M7核心，擁有846 CoreMark?（5.28 CoreMark/MHz）的出色性能，能夠高效處理復(fù)雜任務(wù)。
• 安全認(rèn)證：符合EC61508安全標(biāo)準(zhǔn)，目標(biāo)獲得SIL 2認(rèn)證，為安全關(guān)鍵型應(yīng)用提供了可靠保障。
• 安全防護(hù)：具備EdgeLock? Secure Enclave高級(jí)配置文件，提供平臺(tái)安全防護(hù)。
• 寬溫度范圍：工作溫度范圍為 - 40 °C至 + 135 °C，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。

（二）運(yùn)行特性

• 寬電壓范圍：電壓范圍為2.97 V至5.5 V，為不同電源環(huán)境提供了靈活性。
• 全功率模式溫度范圍：環(huán)境溫度范圍在 - 40 °C至135 °C之間，適用于所有功率模式。

（三）時(shí)鐘接口

提供多種時(shí)鐘源選擇，包括8 - 40 MHz的快速外部振蕩器（FXOSC）、48 MHz的快速內(nèi)部RC振蕩器（FIRC）、32 kHz的低功耗振蕩器（SIRC）、32 kHz的慢速外部振蕩器（SXOSC）以及系統(tǒng)鎖相環(huán)（SPLL），滿足不同應(yīng)用的時(shí)鐘需求。

（四）I/O和封裝

提供LQFP48、HDQFP100、HDQFP172等多種封裝選項(xiàng)，并且支持多達(dá)32通道的DMA，擁有多達(dá)128個(gè)請(qǐng)求源，通過(guò)DMAMUX實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)傳輸。

（五）內(nèi)存和內(nèi)存接口

• 大容量閃存：具備高達(dá)4 MB的程序閃存內(nèi)存，并帶有ECC糾錯(cuò)功能，確保數(shù)據(jù)的完整性。
• 靈活數(shù)據(jù)閃存：高達(dá)128 KB的靈活程序或數(shù)據(jù)閃存內(nèi)存，滿足不同數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。
• 高速SRAM：高達(dá)512 KB的SRAM并帶有ECC，其中包括96 KB的TCM RAM，可確保快速控制回路的最大CPU性能，減少延遲。
• 緩存機(jī)制：每個(gè)核心都配備數(shù)據(jù)和指令緩存，減少內(nèi)存訪問(wèn)延遲對(duì)性能的影響。
• QuadSPI支持：支持QuadSPI接口，提高數(shù)據(jù)傳輸速度。

（六）混合信號(hào)模擬

• 多通道ADC：多達(dá)三個(gè)12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），每個(gè)模塊最多可提供24個(gè)通道的模擬輸入。
• 溫度傳感器：內(nèi)置一個(gè)溫度傳感器（TempSense），可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)芯片溫度。
• 模擬比較器：多達(dá)三個(gè)模擬比較器（CMP），每個(gè)比較器都有一個(gè)內(nèi)部8位DAC。

（七）人機(jī)接口（HMI）

• 豐富GPIO引腳：多達(dá)145個(gè)GPIO引腳，提供了豐富的輸入輸出接口。
• 非屏蔽中斷：具備非屏蔽中斷（NMI）功能，確保關(guān)鍵信號(hào)的及時(shí)響應(yīng)。
• 喚醒功能：多達(dá)59個(gè)引腳具有喚醒功能，可實(shí)現(xiàn)低功耗模式下的快速喚醒。
• 中斷支持：多達(dá)32個(gè)引腳支持中斷功能，方便處理外部事件。

（八）電源管理

• 低功耗核心：采用低功耗的Arm Cortex - M7核心，在保證性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了出色的能源效率。
• 電源管理控制器：配備電源管理控制器（PMC），支持簡(jiǎn)化的模式管理（RUN和STANDBY），并支持外設(shè)特定的時(shí)鐘門(mén)控，僅在低功耗模式下讓特定外設(shè)保持工作。

（九）通信接口

• 串口通信：多達(dá)16個(gè)串行通信接口（LPUART）模塊，支持LIN、UART和DMA，滿足不同串口通信需求。
• SPI接口：多達(dá)六個(gè)低功耗串行外設(shè)接口（LPSPI）模塊，支持DMA，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。
• I2C接口：多達(dá)兩個(gè)低功耗內(nèi)部集成電路（LPI2C）模塊，支持DMA，方便與其他I2C設(shè)備通信。
• CAN接口：多達(dá)六個(gè)FlexCAN模塊（可選CAN - FD支持），適用于汽車和工業(yè)通信。
• FlexIO模塊：FlexIO模塊提供靈活和高性能的串行接口，可根據(jù)需求自定義功能。
• 以太網(wǎng)接口：多達(dá)一個(gè)以太網(wǎng)模塊，支持網(wǎng)絡(luò)通信。
• 音頻接口：多達(dá)兩個(gè)同步音頻接口（SAI）模塊，可用于音頻處理。

（十）可靠性、安全性和保障

• 軟件看門(mén)狗：多達(dá)兩個(gè)內(nèi)部軟件看門(mén)狗定時(shí)器（SWT），確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
• 糾錯(cuò)碼：所有內(nèi)存都采用糾錯(cuò)碼（ECC），提高數(shù)據(jù)的可靠性。
• 錯(cuò)誤檢測(cè)碼：數(shù)據(jù)路徑采用錯(cuò)誤檢測(cè)碼（EDC），及時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。
• 循環(huán)冗余校驗(yàn)：配備循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）模塊，用于數(shù)據(jù)校驗(yàn)。
• 唯一標(biāo)識(shí)符：擁有120位的唯一標(biāo)識(shí)符（ID）號(hào)碼，方便設(shè)備識(shí)別。
• 跨域保護(hù)：擴(kuò)展的跨域域控制器（XRDC），為核心訪問(wèn)權(quán)限提供保護(hù)。
• I/O保護(hù)：虛擬化包裝器（VIRT_WRAPPER），提供I/O保護(hù)。

（十一）調(diào)試功能

提供豐富的調(diào)試功能，包括串行線JTAG調(diào)試端口（SWJ - DP）、調(diào)試觀察點(diǎn)和跟蹤（DWT）、串行線輸出（SWO）、儀器跟蹤宏單元（ITM）、CoreSight AHB跟蹤宏單元（HTM）、閃存補(bǔ)丁和斷點(diǎn)（FPB）以及串行線查看器（SWV），方便開(kāi)發(fā)者進(jìn)行調(diào)試和故障排查。

三、產(chǎn)品對(duì)比

該系列中的不同型號(hào)芯片在內(nèi)存、頻率、通信接口等方面存在差異，以滿足不同應(yīng)用的需求。例如，MCXE31B擁有4 MB的程序閃存內(nèi)存、512 KB的SRAM、32個(gè)DMA通道、6個(gè)FlexCAN實(shí)例、1個(gè)以太網(wǎng)模塊和2個(gè)SAI實(shí)例等，而MCXE315的配置則相對(duì)較低。開(kāi)發(fā)者可以根據(jù)具體項(xiàng)目需求選擇合適的芯片。

四、電氣特性

（一）絕對(duì)最大額定值

在使用MCU時(shí)，需要注意絕對(duì)最大額定值。當(dāng)MCU處于未供電狀態(tài)時(shí)，通過(guò)芯片引腳注入的電流可能會(huì)偏置內(nèi)部芯片結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)的芯片行為。絕對(duì)最大額定值表示內(nèi)部電路承受這種情況而不造成物理?yè)p壞的能力，但并不意味著芯片在這些條件下能正常工作。

（二）電壓和電流工作要求

該MCU的電壓和電流工作要求涵蓋了多個(gè)方面，如主I/O和模擬電源電壓、閃存內(nèi)存電源、核心邏輯電壓等。同時(shí)，對(duì)不同電壓下的連續(xù)直流輸入電流和注入電流總和也有明確規(guī)定。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，需要嚴(yán)格遵循這些要求，以確保芯片的正常工作。

（三）熱工作特性

芯片的環(huán)境溫度范圍為 - 40 °C至135 °C，結(jié)溫最大為135 °C。在實(shí)際應(yīng)用中，需要考慮芯片的功耗、封裝熱阻、PCB屬性、環(huán)境條件等因素對(duì)結(jié)溫的影響，以確保芯片在安全溫度范圍內(nèi)工作。

（四）ESD和閂鎖保護(hù)特性

該MCU具備一定的靜電放電（ESD）和閂鎖保護(hù)能力，如人體模型（HBM）的靜電放電電壓為 - 2000至2000 V，帶電設(shè)備模型（CDM）的靜電放電電壓也有相應(yīng)規(guī)定。在設(shè)計(jì)和使用過(guò)程中，需要采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)保護(hù)芯片免受ESD和閂鎖的影響。

（五）熱屬性

芯片的結(jié)溫不僅取決于封裝熱阻，還與芯片功耗、PCB屬性、環(huán)境條件以及PCB上其他發(fā)熱IC的累積效應(yīng)有關(guān)。在進(jìn)行熱設(shè)計(jì)時(shí)，需要采取適當(dāng)?shù)拇胧?，如添加散熱解決方案、改善PCB熱性能和環(huán)境條件等，以確保芯片能夠安全地散發(fā)熱量，不超過(guò)最大結(jié)溫。同時(shí)，建議使用封裝模型進(jìn)行設(shè)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

五、電源管理

（一）電源模式轉(zhuǎn)換操作行為

該MCU支持RUN和STANDBY等電源模式，不同模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間有所不同。例如，RUN到STANDBY的轉(zhuǎn)換時(shí)間為955 ns，STANDBY到RUN的快速退出時(shí)間為53 μs，正常退出時(shí)間為80 μs。此外，還給出了不同情況下的啟動(dòng)時(shí)間和HSE固件內(nèi)存驗(yàn)證時(shí)間的示例。

（二）電源監(jiān)控

該MCU具備多種電源監(jiān)控功能，如低電壓檢測(cè)（LVD）、高電壓檢測(cè)（HVD）、欠壓復(fù)位（LVR）等，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電源電壓的變化，并在異常時(shí)采取相應(yīng)措施。

（三）推薦的去耦電容

為了保證電源的穩(wěn)定性，推薦在每個(gè)電源引腳附近使用適當(dāng)?shù)娜ヱ?a href="http://m.brongaenegriffin.com/tags/電容/" target="_blank">電容。例如，每個(gè)電源引腳需要一個(gè)70 - 100 nF的去耦電容，輸入電源需要一個(gè)4.7 μF的大容量電容等。同時(shí)，建議使用低ESR的陶瓷電容，并將其盡可能靠近相應(yīng)的電源和接地引腳。

（四）V15調(diào)節(jié)器

MCXE31B支持線性調(diào)節(jié)器級(jí)，帶有一個(gè)專用引腳來(lái)控制外部NPN雙極晶體管。文檔中給出了V15調(diào)節(jié)器的電氣規(guī)格，如輸出電壓、輸入電壓、源電流、吸收電流等。

（五）電源電流

文檔提供了不同芯片在STANDBY、低速RUN和RUN等模式下的電源電流數(shù)據(jù)。需要注意的是，這些數(shù)據(jù)是初步的，基于首批樣品，實(shí)際電流可能會(huì)因硅片分布和用戶配置的不同而有所變化。

（六）操作模式

該MCU提供了多種操作模式的配置選項(xiàng)，如STANDBY、低速RUN和FIRC模式等。在不同模式下，核心、振蕩器、閃存、外設(shè)等的工作狀態(tài)和頻率有所不同，開(kāi)發(fā)者可以根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的模式，以實(shí)現(xiàn)低功耗和高性能的平衡。

（七）循環(huán)喚醒電流

循環(huán)喚醒電流是指設(shè)備在RUN模式和STANDBY模式之間周期性切換時(shí)的平均電流消耗。可以通過(guò)公式ICYCL = RUN Current According to Ratio + STANDBY Current According to Ratio來(lái)計(jì)算。文檔中給出了一個(gè)具體的示例，展示了如何計(jì)算循環(huán)喚醒電流。

六、I/O參數(shù)

（一）GPIO直流電氣規(guī)格

該MCU的GPIO引腳在3.3V范圍（2.97V - 3.63V）和5.0V（4.5V - 5.5V）下的直流電氣規(guī)格包括輸入高、低電平閾值、輸入泄漏電流、輸入電容、上拉/下拉電阻、輸出高/低電流等。泄漏電流與引腳類型和復(fù)用的模擬功能數(shù)量有關(guān)，在設(shè)計(jì)電路時(shí)需要根據(jù)具體情況進(jìn)行考慮。

（二）GPIO輸出交流規(guī)格

文檔給出了5.0V（4.5V - 5.5V）和3.3V（2.97V - 3.63V）下GPIO輸出的交流規(guī)格，如上升/下降時(shí)間等。這些規(guī)格與負(fù)載電容、驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度等因素有關(guān)，在進(jìn)行信號(hào)完整性設(shè)計(jì)時(shí)需要參考這些參數(shù)。

（三）毛刺濾波器

毛刺濾波器參數(shù)適用于WKPU引腳和TRGMUX輸入60 - 63的濾波器。脈沖在最大濾波和最小未濾波之間可能會(huì)或可能不會(huì)通過(guò)，小于最大濾波值的脈沖將被過(guò)濾，大于最小未濾波值的脈沖將不會(huì)被過(guò)濾。

七、閃存內(nèi)存規(guī)格

（一）閃存內(nèi)存編程和擦除規(guī)格

文檔給出了閃存內(nèi)存的編程和擦除規(guī)格，如雙字（64位）、頁(yè)（256位）、四頁(yè)（1024位）等的編程時(shí)間，以及8 KB扇區(qū)、256 KB塊、512 KB塊、1 MB塊、2 MB塊等的擦除時(shí)間。這些時(shí)間在不同的溫度和使用周期下會(huì)有所變化。

（二）閃存內(nèi)存陣列完整性和邊緣讀取規(guī)格

閃存內(nèi)存陣列完整性和邊緣讀取時(shí)間取決于系統(tǒng)頻率和每次讀取的時(shí)鐘數(shù)，需要通過(guò)特定的公式進(jìn)行計(jì)算。

（三）閃存內(nèi)存模塊壽命規(guī)格

閃存內(nèi)存模塊的壽命規(guī)格包括每個(gè)塊的編程/擦除周期數(shù)和數(shù)據(jù)保留時(shí)間。不同大小的塊在不同的編程/擦除條件下，其壽命有所不同。例如，256 KB和512 KB塊使用扇區(qū)擦除時(shí)，每個(gè)塊的編程/擦除周期數(shù)可達(dá)100,000次；1 MB和2 MB塊使用扇區(qū)擦除時(shí)，每個(gè)塊的編程/擦除周期數(shù)為1,000次。

（四）閃存內(nèi)存AC時(shí)序規(guī)格

閃存內(nèi)存的AC時(shí)序規(guī)格包括從啟動(dòng)編程/擦除到完成的時(shí)間、從中止編程/擦除到完成的時(shí)間、退出低功耗模式后的恢復(fù)時(shí)間等。這些時(shí)間與系統(tǒng)時(shí)鐘周期有關(guān)。

（五）閃存內(nèi)存讀取時(shí)序參數(shù)

根據(jù)閃存頻率的不同，需要設(shè)置不同的RWSC值，以確保正確的讀取操作。例如，當(dāng)250 KHz < 頻率 ≤ 66 MHz時(shí)，RWSC設(shè)置為1。

八、模擬模塊

（一）SAR_ADC

SAR_ADC的規(guī)格包括電源電壓、輸入電壓范圍、時(shí)鐘頻率、采樣時(shí)間、轉(zhuǎn)換時(shí)間等。在使用ADC時(shí)，最佳性能可以通過(guò)僅使一個(gè)ADC同時(shí)對(duì)一個(gè)通道進(jìn)行采樣來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（二）電源診斷

電源診斷規(guī)格包括對(duì)內(nèi)部監(jiān)控電源的偏移、開(kāi)關(guān)時(shí)間、所需的ADC采樣時(shí)間等。在使用時(shí)需要注意，當(dāng)V15 > VDD_HV_A + 100mV時(shí)，通過(guò)模擬多路復(fù)用器對(duì)V15的測(cè)量可能不準(zhǔn)確。

（三）低功耗比較器（LPCMP）

低功耗比較器的規(guī)格包括不同模式下的電源電流、傳播延遲、初始化延遲、模擬輸入偏移電壓、模擬比較器滯后等。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮輸入信號(hào)的交叉耦合和噪聲過(guò)濾問(wèn)題，以及不同參考電壓下的線性度。

（四）溫度傳感器

溫度傳感器的規(guī)格包括監(jiān)測(cè)的結(jié)溫范圍、V25上的導(dǎo)通狀態(tài)電流消耗、溫度輸出誤差、電路啟動(dòng)時(shí)間、所需的ADC采樣時(shí)間等。需要注意的是，溫度傳感器測(cè)量的是芯片上特定位置的結(jié)溫，其誤差不包括ADC轉(zhuǎn)換和溫度計(jì)算公式帶來(lái)的誤差。

九、時(shí)鐘模塊

（一）FIRC

FIRC的標(biāo)稱頻率為48 MHz，頻率偏差在 - 5%至5%之間，啟動(dòng)時(shí)間為10 - 25 μs。

（二）SIRC

SIRC的標(biāo)稱頻率為32 KHz，頻率偏差在 - 10%至10%之間，啟動(dòng)時(shí)間不超過(guò)3 ms，占空比為30% - 70%。

（三）PLL

PLL的輸入頻率為8 - 40 MHz，輸出頻率為25 - 320 MHz，VCO頻率范圍為640 - 1280 MHz。PLL的鎖定時(shí)間不超過(guò)1 ms，在不同模式下的周期抖動(dòng)和累積抖動(dòng)也有相應(yīng)規(guī)定。需要注意的是，抖動(dòng)值僅適用于FXOSC參考時(shí)鐘輸入，并且在使用SSCG時(shí)，累積抖動(dòng)規(guī)格無(wú)效。

（四）FXOSC

FXOSC在旁路模式下的輸入時(shí)鐘頻率不超過(guò)50 MHz，上升/下降時(shí)間不超過(guò)5 ns，占空比為47.5% - 52.5%。在晶體模式下，輸出時(shí)鐘頻率為8 - 40 MHz。FXOSC內(nèi)部集成了反饋電阻，以確保穩(wěn)定振蕩。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意晶體的選擇和負(fù)載電容的匹配，以確保啟動(dòng)時(shí)間和振蕩穩(wěn)定性。

（五）SXOSC

SXOSC支持單一頻率32.768 KHz，啟動(dòng)時(shí)間取決于電路板和晶體模型，不超過(guò)2 s，模擬電路的電源電流為2.1 - 10 μA，NMOS放大器的跨導(dǎo)為3 - 40 μA/V。

十、通信接口

（一）LPSPI

LPSPI提供同步串行總線，支持主從操作。其外設(shè)頻率在主、從和主回環(huán)模式下有所不同，操作頻率也根據(jù)不同的配置有相應(yīng)規(guī)定。文檔還給出了SPSCK周期、數(shù)據(jù)設(shè)置和保持時(shí)間、數(shù)據(jù)有效和無(wú)效時(shí)間等時(shí)序特性。

（二）I2C

I2C的規(guī)格可參考I/O參數(shù)部分，支持的波特率可在參考手冊(cè)的“芯片特定LPI2C信息”部分查看。

（三）FlexCAN特性

FlexCAN的規(guī)格可參考I/O參數(shù)部分，支持的波特率可在參考手冊(cè)的“協(xié)議時(shí)序”部分查看