下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
本书以 144 引脚MAPBGA封装的MK60N512VMD100 芯片为例介绍K60 系列MCU的编程和应用。若没有特殊说明，本书的K60 都是指MK60N512VMD100 芯片。
图2-4 是K60 的 144 引脚MAPBGA封装分布图，每个引脚都有多个复用功能，有的引脚有 2个、4 个甚至 6 个复用功能，系统设计时必须注意，在某一时刻最多只能使用其中的一个功能。
图 2-4 K60 的 144 引脚MAPBGA封装分布图
下面从需求与供给的角度把MCU的引脚分为“硬件最小系统引脚”与“I/O端口资源类引脚”两大类。
K60 硬件最小系统引脚包括电源类引脚、复位引脚、晶振引脚等，如表 2-6 所示。
K60 芯片电源类引脚，BGA封装 22 个，LQFP封装 27 个，其中MAPBGA封装的芯片有五个引脚未使用（A10、B10、C10、M5 和L5）。芯片使用多组电源引脚分别为内部电压调节器、I/O引脚驱动、A/D转换电路等电路供电，内部电压调节器为内核和振荡器等供电。为了提供稳定的电源，MCU内部包含多组电源电路，同时给出多处电源引出脚，便于外接滤波电容。为了电源平衡，MCU提供了多处在内部相连的接地引出脚，供电路设计使用。
表 2-6 K60 硬件最小系统引脚表
注*：本书介绍的为 144 引脚MAPBGA封装的MK60N512VMD100 芯片，使用 50 MHz的外部有源晶振，PTA18（EXTAL引脚）外接有源晶振的输出引脚CLK_OUT，RTC模块的晶振引脚（EXTAL32、XTAL32）外接的是外部 32.768 kHz的无源晶振的两个引脚。具体内容详见 14.1 节。
复位引脚
是一个专用引脚，内部含有上拉电阻。空闲状态为高电平，低电平迫使芯片复位。在写入器电路中，该引脚被连接到标准的 10 芯JTAG接口，以便写入器可以使MCU复位。
除去需要服务的引脚外，其他引脚可以为实际系统提供I/O服务。芯片提供服务的引脚也可称为I/O端口资源类引脚。K60（144 引脚MAPBGA和LQFP封装）具有多达 100 个I/O引脚。其中A口 26 个，B口 20 个，C口 20 个，D口 16 个，E口 18 个，每个引脚均具有多个功能，有关这些引脚的简单说明参见表 2-7 和表 2-8，详细说明见网上光盘“…\WYH-K60-BookA-CD(V1.0)\分章阅读资料\Ch02-DOC\K60 引脚复用功能.PDF”。这些引脚在复位后，立即被配置为高阻状态，且为通用输入引脚，没有内部上拉电阻。需要注意的是，为了避免来自浮空输入引脚额外的漏电流，应用程序中的复位初始化例程需尽快使能上拉或下拉，也可改变不常用引脚的方向为输出，以使该引脚不再浮空。
表 2-7 K60 I/O端口资源类引脚表
表 2-8 ADC、DAC和USB引脚
注 1：ADC模块带有 4 对差分输入引脚，详细介绍具体参见 7.1 节。
MCU的硬件最小系统是指可以使内部程序运行所必须的最低规模的外围电路，也可以包括写入器接口电路。使用一个芯片，必须完全理解其硬件最小系统。当MCU工作不正常时，首先就要查找最小系统中可能出错的元件。一般情况下，MCU的硬件最小系统由电源、晶振及复位等电路组成。芯片要能工作，必须有电源与工作时钟；至于复位电路则提供不掉电情况下MCU重新启动的手段。由于Flash存储器制造技术的发展，大部分芯片提供了在板或在线系统（On System）的写入程序功能，即把空白芯片焊接到电路板上后，再通过写入器把程序下载到芯片中。这样，硬件最小系统应该把写入器的接口电路也包含在其中。基于这个思路，K60 芯片的硬件最小系统包括电源电路、复位电路、晶振电路及与写入器相连的JTAG接口电路。下面分别对这些电路给出简明分析，完整的K60 最小系统原理图见网上光盘“.. \WYH-K60-BookA-CD(V1.0)\整体资料\ K60_Core_HW_Project”。
电路中需要大量的电源类引脚用来提供足够的电流容量。所有的电源引脚必须外接适当的滤波电容抑制高频噪音。图 2-5 为K60 硬件最小系统的电源和地连接图。
图 2-5 K60 电源电路
电源（VDDx）与地（VSSx）包括很多引脚，如VDDA、VSSA、VDD1～VDD6、VSS1～VSS8、VREFH和VREFL等。一些电源与地引脚仅用于外接滤波电容，内部已经连接到电源与地，芯片参考手册指出不需要再外接电源。至于外接电容，是由于集成电路制造技术所限，无法在IC内部通过光刻的方法制造这些电容。电源滤波电路，用于改善系统的电磁兼容性，降低电源波动对系统的影响，增强电路工作的稳定性。为标识系统通电与否，可以增加一个电源指示灯。
复位电路见图 2-6，其中网标RESET_B连接芯片的
引脚。复位，意味着MCU一切重新开始。复位引脚为
。若
信号有效（低电平）则会引起MCU复位。复位电路原理如下：正常工作时复位输入引脚
通过一个 10 kΩ的电阻接到电源正极，所以应为高电平。若按下复位按钮，则
脚接地为低电平，导致芯片复位。K60 的复位引脚是双向引脚，作为输入引脚，拉低可使芯片复位，作为输出引脚，上电复位期间有低脉冲输出，表示芯片已经复位完成。
图 2-6 K60 的复位电路
从引起MCU复位的内部与外部因素来区分，复位可分为外部复位和内部复位两种。外部复位有上电复位、按下“复位按钮”复位。内部复位有看门狗定时器复位、低电压复位、低漏唤醒（LLWU）复位、MCG（Multipurpose Clock Generator）丢失时钟复位、软件复位、锁定复位、EzPort复位等。
从复位时芯片是否处于上电状态来区分，复位可分为冷复位和热复位。芯片从无电状态到上电状态的复位属于冷复位，芯片处于带电状态时的复位叫热复位。冷复位后，MCU内部RAM的内容是随机的。而热复位后，MCU内部RAM的内容会保持复位前的内容，即热复位并不会引起RAM中内容的丢失。
从CPU响应快慢来区分，复位还可分为异步复位与同步复位。异步复位源提出的复位请求一般表示一种紧要的事件，因此复位控制逻辑不等到当前总线周期结束，复位立即有效。异步复位源有上电、丢失时钟、低压检测LVD、失去锁定等。同步复位的处理方法与异步复位不同：当一个同步复位源提出复位请求时，复位控制器并不使之立即起作用，而是等到当前总线周期结束之后，这是为了保护数据的完整性。在该总线周期结束后的下一个系统时钟的上升沿时，复位才有效。同步复位源有看门狗定时器、软件等。
晶振电路为芯片提供准确的工作时钟。作为振荡源的晶体振荡器分为无源晶振（Crystal）和有源晶振（Oscillator）两种类型。有源晶振需要外接电源。无源晶振有两个引脚，由于无极性元件自身无法起振，因此需要借助辅助电路才能产生振荡信号。
K60 内部集成了多用途时钟产生器（Multipurpose Clock Generator，MCG）模块，用于将晶振输入时钟倍频至系统所需时钟。K60 共需要两个晶振，一个是芯片的主晶振，用于产生芯片和外设的工作时钟，另一个是实时定时器（RTC）的晶振。苏州大学飞思卡尔嵌入式中心开发的核心板的主晶振使用 50 MHz的有源晶振，RTC模块使用 32.768 kHz的无源晶振，见图 2-7。在硬件布线时需要注意晶振附近不要走高频信号；晶振应该尽量靠近芯片的晶振输入引脚。晶振一旦不能正常工作，芯片将无法启动，实际上晶振可以被比喻成负责给芯片提供“心跳”的器件。
图 2-7 K60 的晶振电路
Kinetis系列芯片使用的是ARM Cortex-M4 内核，该内核内部集成了联合测试行为组织（Joint Test Action Group，JTAG）接口，通过JTAG接口可以实现程序下载和调试功能。图 2-8 为JTAG接口电路。JTAG的对外引脚TMS，TCK，TDO，TDI分别如图 2-8 接K60 的PTA0～PTA3 四个引脚。
图2-8 K60 JTAG电路
开发人员可以通过 10 芯标准JTAG接口对K60 目标板中的Flash进行擦除、写入等操作。通过写入器将机器码下载到Flash后，可以执行程序并调试。图 2-9 给出了写入器电路板及实物图。使用该写入器时，一端连接PC的USB接口，一端连接目标板的JTAG接口。
图 2-9 Kinetis写入器
K60 核心板如图 2-10 所示，该核心板上搭载的K60 芯片使用 144 引脚的MAPBGA封装，电源可通过USB mini口、JTAG接口或扩展板引入。
图 2-10 SD-K60 核心板
K60 核心板上提供了 1 个JTAG接口、4 个可编程的LED指示灯、2 个TTL电平的UART接口（UART_3 和UART_5）和 1 个miniUSB接口，单独使用K60 核心板可进行指示灯、串口通信（TTL电平）、USB通信和Flash在线编程等实验。除此之外，K60 核心板还设计了与苏州大学飞思卡尔嵌入式中心设计制作的SD-ExtBoard-D型扩展板的接口，配合扩展板还可完成LED数码管显示、液晶显示、4×4 键盘、蜂鸣器、A/D转换、继电器控制、CAN总线通信、I2C总线通信和PWM输出等实验，并提供了丰富的接口供再次扩展。同时在K60核心板外侧还设计了与扩展板引脚相同的并行扩展测试端口，供扩展或测试使用。
前面介绍了硬件最小系统的设计，给出了硬件最小系统元件的参考值。硬件最小系统的详细电路原理图参见网上光盘。
根据原理图制作了印刷电路板后，就开始硬件电路板的焊接和测试了。由于主芯片是MAPBGA封装，手工无法焊接，所以最小系统可交由工厂焊接。最小系统的测试步骤如下。
（1）在确保电源和地未短路的情况下接通电源，测量电压是否正常，检查按下复位按钮是否能够复位（观察复位指示灯）。
（2）将写入器与电路板连接，启动开发环境对目标MCU进行擦除，如果成功则说明最小系统工作正常。
（3）将第一个样例程序下载到Flash中，观察小灯闪烁情况。
（4）若自己学习之用，硬件最小系统测试通过以后就可以进行其他模块的焊接。正确的做法是，焊完一个模块后，应紧接着测试该模块工作是否正常，切忌焊接多个模块后再进行测试，因为一旦出现问题，就很难定位具体是哪个模块的问题。