PUBLIC USE
刘维峰工程师FTF-DES-N1967
Sep. 28, 2016
利用恩智浦LPC微控制器在始终开启的应用中实现最大能效
恩智浦LPC系列微控制器
PUBLIC USE1 PUBLIC USE1
议程• LPC微控制器概述
• LPC5411x产品介绍
• 低功耗技术
• LPC5411x应用
• 总结
PUBLIC USE2
LPC微控制器概述
PUBLIC USE3
Cortex-M3
Cortex-M7
Cortex-M4F
Cortex-M0/M0+
Kinetis LLow-power
8KB – 512KB Flash1KB – 128K RAM
Kinetis KHigh performance,
up to 180MHz32KB – 2MB Flash8KB – 256KB RAM
LPC800Low cost
4KB - 32K Flash1KB – 8KB RAM
LPC1100, 1200Low power,Rich feature
8KB - 256K Flash2KB – 32KB RAM
LPC1500/1700/1800Scalability with up to 180MHz
0KB, 32KB – 1MB Flash8KB – 264KB RAM
LPC4000/4300High performance,
up to 204MHz, M4/M0Flash-less, 512KB – 1MB Flash
128KB – 264KB RAM
LPC1300Low power,Connectivity
16KB - 64K Flash4KB – 32KB RAM
Performance, Integration & Security
LPC54000Low power, scalability
100MHz, M4/M0+256KB – 512KB Flash
104KB RAM
General
Purpose
Families
Cortex-M3
Cortex-M7
Cortex-M4F
Cortex-M0/M0+
Application
Specific
Families
Kinetis VMotor Control
Power ConversionFast peripherals
16KB – 1MB Flash8 KB – 256KB RAM
Kinetis WBLE, Sub-GHz, 15.4
128KB - 512KB Flash
16KB - 128KB RAM
Kinetis MMetrology, 24b SD ADC
64KB – 256KB Flash16KB – 32KB RAM
Kinetis E5V Robust
16KB – 128KB Flash2KB – 16KB RAM
Performance, Integration & Security
恩智浦微控制器系列Kinetis + LPC
PUBLIC USE4
LPC系列微控制器
Performance
Mainstream
Low Power
Low Cost
Cortex-M0/M0+ Cortex-M3 Cortex-M4F
LPC8008-bit Alternative
LPC1200Robust & Reliable
LPC1800Performance & Integration
LPC4300High Performance
& Integration
LPC1300Entry Level
LPC54000Power Efficiency
LPC4000Mid-Range
Performance & Integration
LPC1700Breadth & Scalability
LPC1500Motion Control
LPC1100Scalable Entry Level
PUBLIC USE5
LPC54000低功耗微处理器介绍
Dual Core(Cortex-M4F
Cortex-M0+) at 100 MHz
1.62 V to 3.6 V
256-512 KB Flash
104 KB RAM
Two product families
Optional coprocessor
Dual Core(Cortex-M4F
Cortex-M0+) at 100 MHz
1.62 V to 3.6 V
128-256 KB Flash
96-192 KB RAM
FRO, FS USB, DMIC
Two product families
Optional coprocessor
Cortex-M4F at 100 MHz
1.62 V to 3.6 V
512-704 KB Flash
256-320 KB RAM
FRO, FS USB, DMIC
&
Three product families
Optional coprocessor,
Optional security
Cortex-M4F at 180 MHz
1.62 V to 3.6 V
256-512 KB Flash
136-200 KB RAM
FRO, FS/HS USB, DMIC
Six product families,
Optional TFT-LCD
Controller,
Ethernet, CAN FD,
& Security
C
LPC5410x LPC5411x LPC542xx LPC546xx
entry levelmass market
appealadded performance
& integration
extended memory
& added security
PUBLIC USE6
LPC5411x产品介绍
PUBLIC USE7
CPU• 100MHz Cortex-M4F
• Cortex-M0+ Co-processor
存储单元• 256 KB Flash, 192 KB RAM
接口• 立体数字DMIC接口
• (PDM, decimator, HW VAD)
• 8 SPI, 8 I2C, 8 UART, 2 I2S channels.
最大8个通道
• 无需外部晶振全速USB
• 高能效5.0 Msps, 12-bit ADC
时钟与定时器• 12/48/96 MHz FRO, 100 kHz-1.5MHz WDOG
OSC, 32 Xtal OSC, 外部输入时钟
• 基本增强型的定时器包括 SCTimer/PWM
• 异步外设总线
封装• LQFP64 (10 x 10 mm)
• WLCSP49 (3.45 x 3.45 mm)
其他• 供电电压: 1.62 ~ 3.6V
• 温度范围: -40 ~ 105 C
LOW POWER INTERFACES
Up to 8-ch
TIMERS
SYSTEM
LOW-POWER ANALOG
ADC 12 bit, 12 ch, 5 Msps
MEMORY
Mu
ltila
yer
Bu
s M
atri
x
Flash256 KB
RAM192 KB
ROMBootloader, SPI/I2C Drivers
ARM Cortex-M4F(100 MHz, MPU)
DMA
SCTimer/PWM
RTC/Alarm
32-bit General Purpose (5)
WWDT
24-bit Multi-Rate(4)
Clock Generation Unit(12/48/96) MHz FRO, System PLL
Low-Power ManagementSingle VDD power supply, Integrated
PMU, POR, BOD, reduced power modes, automatic voltage scaling
ARM Cortex-M0+Co-processor
Micro-TickRepetitive Interrupt
Temp Sensor
UART (8)
I2C Fm+ (8) SPI (8)
I2S(2)
ADVANCED CONNECTIVITY
Crystal-less USB 2.0
DMIC Subsystem
GPIO (Up to 50)
可用资源
LPC5411x Silicon
LPCXpresso 54114 开发板(OM13089)
LPC54114 Audio & Voice Recognition Kit开发板(OM13090)
应用范围
消费/可穿戴/健康管理
• 可穿戴、体质监测、家庭医疗、病人监护
游戏/ 娱乐
• 控制台、用户运动控制与定位、语音识别与触发、智能玩具
家庭/楼宇自动控制
• 照明控制, 空调控制, 消防, 安全
• 语音控制
LPC5411x: 100MHz Cortex-M4F/M0+ with 256 KB FlashBlock Diagram and Key Features
PUBLIC USE8
双核微控制器的优势
• 高性能总线矩阵
− 每个核都可操作3段独立的内部SRAM
− FlexComm可以分为两个接口部分,允许在一个核上有高达5个外设接口,另一个核上有3个接口。两个核可以访问所有FlexComm接口。
• 低功耗一直在线操作
− 提供低功耗对模拟/数字传感器一直在线监听,并且可以唤醒两个核进行数据处理。
− 数字麦克外设在监听状态下的功耗小于50uA,并且能够唤醒相关外设进行处理。
• 第二个核可以处理特定的任务
− Cortex-M0+ 可以处理系统级的任务,Cortex-M4F 可以被唤醒处理集中的数据任务。
− SCTimer可以产生复杂的PWM波形和其他高级时序,并且这些操作尽可能的不去消耗CPU的资源。
• 软件容易开发
− 软件人员可以独立的开发每一个核。
ARM®
Cortex® M4F
LPC54114
I2C SPI0GPIO
Advanced High-Performance Bus
(AHB) Matrix
USARTSPI1
FlexComm Interfaces
ARM®
Cortex® M0+
SRAM
(64/64/32/32KB)
Flash
(256KB)
Push
ButtonsSensors
OLED
Display
Serial
FlashRadio
PUBLIC USE9
低功耗与灵活性
所有功耗模式下RTC都可以工作RTC的功耗为390 nA
无需外部晶振全速USB
FRO内部晶体振荡器的频率从12MHz到96MHz
(全温度/全电压范围内±1% 精度,功耗为100uA)
在深度睡眠模式下,保持64Kbytes
的SRAM,只需7uA的电流
LPC5411x
内部集成USB,I2C与SPI驱动,并且内部有bootloader
异步外设总线与DMA
数据交换无需CPU干预
可对RAM进行断电以减少功耗拥有独立的电源控制选项
传感器与数字麦克的扩展RAM
数字麦克(立体声与硬件声音监测)
支持通过USB进行Firmware更新
PUBLIC USE10
LPC5411x的能耗
12 MHz
48 MHz
96 MHz
108 µA/MHz
81 µA/MHz
97 µA/MHz
Note: * without RTC / with RTC
RUN CURRENTS
96 MHz
48 MHz
12 MHz
EXTENDED POWER MODES
96 MHz – 3.0 mA
48 MHz – 1.6 mA
12 MHz – 900 µA
(64 KB retained) – 7 µA
1.2 ms 300 nA/390 nA *
2.0 µs
19 µs
Deep Power Down
Deep Sleep
Sleep
Wake-up times
Active
PUBLIC USE11
差异化的数字外设
• 外设可运行在Deep-Sleep模式下
−可以通过USART, SPI and I2C外设唤醒CPU.
−使用开门狗振荡器的Micro-Tick 定时器可用于唤醒设备。
• FlexComm接口允许最多选择 8个USART或者SPI或者I2C接口,也可用于最多2个 I2S
接口
• 数字麦克支持立体声,并且支持硬件声音监测。
• FRO可进行频率调整,USB外设无需外部晶振。
PUBLIC USE12
定时器、晶体振荡器、智能模拟外设
• 12-bit ADC,采样率5 Msps (12个通道)
−独立触发可配置的转换序列
−单个或者多个输入突发转换模式
−极低的数据采集功耗(1.65 uA/MHz)
• 内部集成了温度传感器,并且连接到ADC通道
• 多个 32位定时器, 包括SCT定时器
−无需两个16位定时器串联
− Sleep模式下计数保持,唤醒后继续计数
−用于电机控制的高分辨率SCT定时器 (<1ns)
PUBLIC USE13
LPC5411x 资源
Docs &
Training
OM13089:
LPCXpresso54114
Board
Silicon 64LQFP (10x10x1.54mm)
49CSP (3.54x3.54x0.54mm)
SW Development Kit
LPCXpresso IDE
Software
Datasheet
Reference Manual
Errata*
‘Getting Started’ OOB
SW/HW Docs
Application Notes
Tools
Project Creator
Pins, Clocks, Peripherals
Power Analyzer
Power Estimator
Kit
OM13090: Audio and Voice
Recognition
Toolchain IDE Support
(IAR, Keil)
LPCOpenV3
Unified SDK
Q3Q2Available Now
2016
Basic Type M4F M0+ Freq.Flash
(KB)
RAM
(KB)
Serial I/F
(FlexComm)
X-less
FS USBPackage
LPC54113
J128BD64Y - 100 128 96 Up to 8 Yes 64LQFP
LPC54113
J256BD64Y - 100 256 192 Up to 8 Yes 64LQFP
LPC54113
J256UK49Y - 100 256 192 Up to 8 Yes 49CSP
LPC54114
J256BD64Y Y 100 256 192 Up to 8 Yes 64LQFP
LPC54114
J256UK49Y Y 100 256 192 Up to 8 Yes 49CSP
PUBLIC USE14
低功耗技术
PUBLIC USE15
低功耗: 只是工业应用的一个流行语吗?
Size
Computational
Power
1. 每个人都想要:“低功耗” …
… 可是这意味着,取决于不同的应用
2. 芯片/系统的实现与选择是不同的,这主要取决于想要的优化点
3. 工业上,有许多的“工程基准”
PUBLIC USE16
微控制器的典型应用P
ow
er
Time
Sleep
Ac
tive
Ac
tive
瞬间功耗很重要设备不能要求大于供电电源的电流
可是更重要的是整体功耗 (整体功耗是一段时间内的总的功耗,也就是左图曲线下方的面积)
整体功耗决定了电池的寿命
TPeriod
TON
“Duty Cycle” is the ratio of “Active” time
(TON) over the period (Tperiod)
PUBLIC USE17
多个区域优化:唤醒时间P
ow
er
Time
Sleep
Ac
tive
Ac
tive
TPeriod
TON
进入与退出低功耗模式的功耗减少时间很重要
唤醒时间缩小了10倍
Example of FRO
FRO
Example of RC oscillator
IRC + PLL
PLL
PUBLIC USE18
多个区域优化: 工作与睡眠模式的优化
工作与睡眠模式下,功耗优化的一些技术
• 时钟产生器• (自动)门控时钟• 低功耗稳压器• 低功耗振荡器• 极低功耗稳压器• 电源偏置RAM
• …
Po
wer
Time
Sleep
Ac
tive
Ac
tive
PUBLIC USE19
时钟产生器
LPC5410x LPC5411xx LPC next gen
IRC 12MHz
+/-2%
150uA
FRO 12/48/96MHz
+/-1%
60uA
FRO 12/48/96MHz
+/-1%
60uA
LPOSC 6.144MHz
+/-2%
1.5uA
32kHz RTC
oscillator + dividers
= 200nA
32kHz RTC
oscillator + dividers
= 200nA
32kHz RTC
oscillator + dividers
= 200nA
PLL
500-700uA
PLL
500-700uA
PLL
500-700uA
12MHz = 150uA
48MHz ~ 650uA
96MHz ~ 750uA
12MHz = 60uA
48MHz ~ 60uA
96MHz ~ 60uA
2.5x-12.5x
reductionlow power
listening mode
PUBLIC USE20
什么是门控时钟?
• 门控时钟是一种减少时钟树的同步电路技术,从而减少动态功耗
• 门控时钟禁能电路的部分时钟,从而减少不必要的时钟开关
• 门控时钟通过寄存器的使能位控制相关时钟的开关
• 由于门控时钟会改变时钟树的结构,因此门控时钟属于时钟树
PUBLIC USE21
软件可以控制门控时钟
• 最通用的动态功耗控制方法就是操作相关时钟寄存器的使能位
• 软件只需使能需要使用的模块时钟
• 门控时钟同样适用于外设时钟的使能
• 软件不能控制芯片的一些基本模块时钟,具体模块如下:
−总线桥接
−总线
− RAM/ROM/FLASH控制器
−芯片的主门控时钟
PUBLIC USE22
Flops in ARM
Flops in InfraARM address generation
and AHB Matrix decode
delay
自动门控时钟
• 自动门控时钟需要能够动态的决定一个时钟什么时候能够关闭或者打开。
• 当某个模块不需要的时候,自动关闭时钟
Making a live decision can limit circuit speed, in this case to 13ns!!
PUBLIC USE23
自动门控时钟动态功耗
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
9.00
10.00
11.00
12.00
0 10 20 30 40 50
Idd
_m
ain
[m
A]
freq [MHz]
running CoreMark with different gating options(room temp, Vdd_main = 3.3V, low current API)
0x3FF
0x3FE
0x3FC
0x3F8
0x3F0
0x3E0
0x3C0
0x380
0x300
0x200
0x000
Clock gating control bits
(‘0’ to enable auto gating)
0 – RAM0
1 – ROM0
2 – RAM1
3 – ROM1
4 – RAM2
5 – FLASH VPB
6 – FLASH AHB
7 – AHB MATRIX
8 – AHB2VPB BRIDGE
9 – SYCON REGBANK
PUBLIC USE24
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
0 10 20 30 40 50
Idd
_m
ain
[m
A]
freq [MHz]
Idd_main in sleep mode w different gating options (room temp, Vdd_main = 3.3V, low current API)
0x3FF
0x3FE
0x3FC
0x3F8
0x3F0
0x3E0
0x3C0
0x380
0x300
0x200
0x000
睡眠模式下,自动门控时钟
Clock gating control bits
(‘0’ to enable auto gating)
0 – RAM0
1 – ROM0
2 – RAM1
3 – ROM1
4 – RAM2
5 – FLASH VPB
6 – FLASH AHB
7 – AHB MATRIX
8 – AHB2VPB BRIDGE
9 – SYCON REGBANK
PUBLIC USE25
低功耗稳压器: 提供多种的优质电压规格
• 使用最小的VDD。
• 支持多种电源域,允许每个任务使用最小功耗。
• 分离电压供电不同的芯片功能模块 (RAM, SB-RAM, ROM, FLASH, CORE, IO, retention domains,
analog, RF)
• 电源架构灵活并且拥有最小开销
• 提供多种供电域,无需并联电容提高稳定性(稳定, 相应时间快, 低功耗)
𝑃 = 𝑓𝑐𝑙𝑘𝑎𝐶𝑡𝑜𝑡𝑉𝐷𝐷2 + 𝑉𝐷𝐷𝐼𝑆𝐶 𝑉𝐷𝐷 + 𝑉𝐷𝐷𝐼𝑙𝑒𝑎𝑘𝑎𝑔𝑒 𝑉𝐷𝐷
PUBLIC USE26
低功耗LDO设计说明
Symbol Parameter Conditions Min Typ Max Unit
Vdda Unregulated DC input voltage 1.5 3.6 V
Vout Output range 0.65 1.40 V
Vout_step Output step size 50 mV
Vout_acc Output accuracyIncluding bandgap,
regular mode-5% 5%
Vout_acc_lp Output accuracyIncluding bandgap, low-
power mode-10% 10%
Vout_acc Output accuracy Excluding bandgap -2% 2%
IQ Quiescent currentDisabled, at 27°C, no
load5 nA
IQ Quiescent currentLow-power, at 27°C, no
load100 nA
IQ Quiescent current Regular (per slice) 50 uA
Imax Maximum load current200mA output stage
(magellan version)200 mA
Vclamp_h1 Voltage at which high-side clamp
activatesRelative to Vout +100 mV
Vlcamp_l1Voltage at which low-side clamp
activatesRelative to Vout -100 mV
Symbol Parameter Conditions Min Typ Max Unit
Tstart Startup time Vout within 5% settled 10u 25 us
Cload-max Max load capacitance 25mA output stage 5 nF
Islope Load step slope
25mA output stage
Iload>100μA, regular
power mode, ΔVout<10%
10 mA/μs
PSRR Power supply rejection ratio 20 dB
Static specs
Dynamic specs
PUBLIC USE27
模块化LDO阶梯输出概念
ulp
bandgap
ulp
booster
ulp
ota
load
reference block regulator core output stage
replica stage
New regulator output stage
voltage control loop
analog mux
n*vref
• 可编程(vref ladder)
• 自适应偏置• 使用分离的bandgap升压器,从而节省功耗
PUBLIC USE28
电源偏置RAM,以减小漏电流
• 提高memory的地电压的电源偏置方案,可以大幅的减小漏电流。
Temperature (C)
Leakage c
urr
ent
PUBLIC USE29 #NXPFTF
下一代微控制器技术
PUBLIC USE30
下一代28nm FD-SOI技术
− 定制的极低功耗系列
− 电压范围 <.7V ~ 1.1V
• 随需应变的性能功耗
• 低成本
比28LPP更低的漏电流
PUBLIC USE31
空前未有的低功耗性能
Cortex-M4 performance: test chip results (Q1-16)
• <10uA/MHz @ 300MHz with DCDC
• 从deep sleep模式唤醒到运行100MHz的时间<5us
• Deep Sleep模式下,保持 256k byte SRAM的功耗为 2.4uW
• 运行模式下的功耗@ 300MHz <10uW
PUBLIC USE32 #NXPFTF
LPC5411X 低功耗模式
PUBLIC USE33
LPC5411x 低功耗模式
Note 1: sleep模式下,仅仅CPU停止运行,其他的不受影响
2 : 不管哪个CPU核进入此模式,两个核都受影响
CPU SRAM Peripherals Flash OscillatorsWakeup
Behavior
Run Active Configurable Configurable Active Configurable N/A
Sleep Stopped(1) Configurable Configurable Active Configurable Resume
Deep Sleep Stopped(2) Configurable OFF Standby OFF Resume
Deep Power Down OFF(2) OFF OFF OFF OFF Reset
PUBLIC USE34
外设功耗控制
Digital
PeripheralsAHBCLKCTRLx
ASYNCAPBCLKCTRL
CLK Mem &
Peripherals
PDRUNCFG0
Vdd
RTC BOD, WDT, ADCUART- , SPI-, I2C-
slaveOthers
Run Configurable Configurable Configurable Configurable
Sleep Configurable Configurable Configurable Configurable
Deep Sleep Configurable Configurable Configurable OFF
Deep Power Down Configurable OFF OFF OFF
PUBLIC USE35
• LPC5411x拥有192KB的SRAM,分为3个连续的存储空间
− 4个电源开关控制SRAM的电源
独立时钟的SRAM块
SRAM2
(32KB)
SRAM1
(64KB)
SRAM0
(64KB)
SRAMX
(32KB)
Vdd
PUBLIC USE36
I/O 引脚电源控制
除了Deep Power Down模式,其他所有模式下I/O引脚的状态都保持不变
Pin States
Run Retained
Sleep Retained
Deep Sleep Retained
Deep Power Down Tri-stated
PUBLIC USE37
不同模式下的唤醒源
RTCBOD, WDT,
ADC
UART- , SPI-,
I2C- slaves,
DMIC, USB
Ext INT Others
Run Configurable Configurable Configurable Configurable Configurable
Sleep Configurable Configurable Configurable Configurable Configurable
Deep Sleep Configurable Configurable Configurable Configurable No
Deep Power Down Configurable No No No No
Wakeup
Behavior
Sleep Resume
Deep Sleep Resume
Deep Power Down RESET
PUBLIC USE38
LPC5411x 低功耗模式下的功耗及唤醒时间
Sleep Deep Sleep Deep Power Down
Current Wakeup Time900uA @ 12MHz
2µs
19µs
1.2ms
7µA
0.3µA
Logarithmic scale
PUBLIC USE39
降低功耗的注意事项
• 进入低功耗模式前,切换到FRO时钟并且关掉PLL
• IO引脚配置完成后,关闭IOCON的时钟
• 为了减小漏电流,应把不使用的引脚设置为内部下拉并且输出低
• 除了Sleep 模式,其他的低功耗模式下,调试接口不可用
PUBLIC USE40
LPC5411x应用
PUBLIC USE41
数字麦克子系统
PUBLIC USE42
数字麦克(DMIC)子系统与硬件语音监测(VAD)
• 立体声硬件PDM转PCM,直流滤波, 饱和度
• 硬件语音监测与噪声监测
• 应用实例: 一直睡眠态
−数字麦克(DMIC)触发唤醒DMA传输
−数据批量进入audio缓冲
−从缓冲中复制数据,然后进入睡眠态
语音监测阶段 Uses Average current
Stage 1
Always on listening
• Detects audio envelope change
• No audio batching
• Runs only under quiet environment
• DMIC at lowest sample rate
• VAD
• WD osc (600 kHz)
*<50µA
Stage 2Detects possible speech
• Audio data batching
• Speech envelope detection
• FRO (12 MHz) and nominal
DMIC sample rate (800kHz)
• M4
• DMA
*<300µA
Stage 3 Recognizer
• Trigger command recognition
• FRO (84 MHz)
• M4*<1.5mA
400 KHz (Listener)
800 kHz (Recognizer)
PDM
data Capture
Cascade
Integrator
Filter
Saturation Filter
Decimation Filter
VAD
DC Filter
PCM
(16 kHz)
UART/USB/I2S
FIFO
(*)Preliminary Power numbers provided for a specific voice recognition application with a trigger phrase followed by command set
PUBLIC USE43
数字麦克(DMIC)子系统
• PDM接口支持2个通道的麦克,或者一个立体声通道麦克
• 支持外部解码
HWVAD
DMIC
Channel 0
DMIC
Channel 1
clock
data
clock
dataSTEREO_DATA0
CLK_BYPASS0
PDM_CLK0
PDM_DATA0
PDM_CLK1
PDM_DATA1
CLK_BYPASS1
IO Muxing
0
1
1
1
0
0
Flexcomm 7 I2S
Bus
interface
PUBLIC USE44
数字麦克(DMIC)子系统DMIC功能框图
PDM
capture
CIC
filterFIR
filter
Half band
decimatorFIR
filter
IIR
filter
DC
block
filter
F
I
F
O
PDM
data
PD
MS
RC
CF
G OS
R
GA
INS
HIF
T
PR
EA
C4
FR
SC
OE
F
Half band
decimator
4FS
PCM
PR
EA
C2F
RS
CO
EF
To HWVAD
(DMIC channel 0 only)
2FS
PCM
0
1
Bus
interface
To Flexcomm I2S
DCCTRL
1FS
PCM
USE2FS
Example: DMIC clock = 800 kHz, OSR = 25, 2 FS is used:
The 800 kHz DMIC data is down-sampled by 25 times to 32 kHz.
With the 2FS half-band filter the final PCM sample rate is 16 kHz
PUBLIC USE45
数字麦克(DMIC)子系统
• 每个通道有16个FIFO
• 无需ARM核干预,数据批量从FIFO进入SRAM
• DMA处理完数据后,发送中断给ARM核
DC
block
filter
DMIC FIFO
16 samples
1 FS or 2 FS
PCM data 16 bit PCM
SRAM
SRAM
Voice chunk buffer
Software processing
16 x 16 bit PCM
DMA
PUBLIC USE46
硬件语音监测 (HWVAD)
• 实现语音波形及噪声的监测
• 分析来自DMIC通道0的PCM数据
• 与软件语音监测比较,具有极低的功耗
• 可从Deep-Sleep模式下唤醒
16-bit PCM signal
shifted by
HWVADGAIN
Wave envelope and
floor noise envelope
detector
(z8. (THGS+1))>(z7.(THGN+1))
16-bit
PCM data
HWVADGAINHWVADST10 HWVADRSTT
HWVADTHGS HWVADTHGN
HWVAD
Interrupt
request
PUBLIC USE47
总结: 数字麦克(DMIC)子系统
• LPC5411x 拥有一个数字麦克子系统,此子系统包括立体声数字麦克接口与硬件语音监测功能。
• 全硬件处理,PDM转PCM,直流滤波,饱和度
• 每个通道有16个FIFO,可进行批量数据处理
• 系统时钟关闭状态下,可触发语音处理
• 多大192KB的SRAM可用于语音缓冲及普通应用
• 固定的时钟结构,无需PLL或者更高频率
PUBLIC USE48
语音处理
PUBLIC USE49
数字麦克(DMIC)数据流
• PCM批量处理周期取决于DMIC的采样率,可选的过采样率及DMIC FIFO的大小。
• 举例: 800kHz DMIC 采样率, OSR = 25 plus one halfband filter results in DMA
activity every 1ms (800kHz/50 = 16kHz, FIFO is full after 16 samples, 16 * 1/16kHz
= 1ms)
• DMA不需要Cortex-M的参与,Cortex-M可在低功耗模式下接受DMIC的数据
DMA
copies
PCM
data
from
FIFO to
SRAM
DMA
copies
PCM
data
from
FIFO to
SRAM
DMA
copies
PCM
data
from
FIFO to
SRAM
PCM data period Nr of PCM samples
per DMA request
PUBLIC USE50
PCM数据流
• 数据处理周期取决于语音数据的处理算法。
• 在语音监测或者识别阶段,每隔一段时间进行数据处理
• 举例: 每1ms处理32个字节, 每15ms处理480个字节
32
byte
s
Data processing
480 bytes stored
in SRAM
Data processing
Data processing period
480 bytes stored
in SRAM
PUBLIC USE51
无需外部晶振的USB Audio
PUBLIC USE52
无需外部晶振产生+/- 0.25%精度的时钟
• 在USB总线上SOF帧的捕获进行自动USB时钟调整。
• 硬件技术SOF帧事件
• 硬件定期的产生新的时钟修正值
• FRO定期与USB时钟进行同步
SO
F
SO
F
1ms
Trim Register
USB Rate
Adj. in HW
48MHz
FRO
PUBLIC USE53
FRO内部振荡器
• 低功耗内部振荡器 (~100 uA, 代替以前的“IRC”)
• 提供两种可选输出:
− 48 MHz 或者 96 MHz (选择其一作为高频输出)
− 12 MHz.
• 出厂时对48 MHz和96 MHz晶振进行了修正
• 全温度/电压范围+/- 1%精度
• 有些外设可以使用FRO的异步时钟,而不是CPU的主时钟
• FRO 可以用于主时钟或者PLL的时钟源
• 减少对系统PLL的依赖性
−好处1: CPU在低功耗下,可以快速的唤醒。
−好处2: 低功耗
• 上电复位,默认使用的是12 MHz FRO作为时钟源
PUBLIC USE54
片上USB 设备ROM驱动
• 容易操作,快速进入市场
• 通过使用ROM驱动,可以减少客户代码的复杂度
−包括HID, MSC, CDC, DFU类驱动
−提供API接口函数
• 可通过MSC和DFU进行Flash的编程
• 容易添加新的设备类接口 (e.g.
Audio)
PUBLIC USE55
利用USB的同步的I2S
• 简单的audio缓冲管理
• I2S,USB还有其他外设自动同步,通过FRO时钟
Automatic
USB Rate
Adjustment
48MHz
FRO
USB
I2S
CPU +
Peripherals
PUBLIC USE56
总结
PUBLIC USE57
LPC5411x的低功耗与低成本
• 低电压/电流下,运行复杂的算法
• 使用大RAM,增加吞吐量还能运行复杂的算法
• 无需外部晶振,节省基本并且减小板子面积
• 硬件语音触发可以延长电池寿命
• I2C作为从机,最高波特率可达3.4Mbps,节省功耗并且增加吞吐量。
• FlexComm接口可灵活配置与预留串行接口
PUBLIC USE59
ATTRIBUTION STATEMENT
NXP, the NXP logo, NXP SECURE CONNECTIONS FOR A SMARTER WORLD, CoolFlux, EMBRACE, GREENCHIP, HITAG, I2C BUS, ICODE, JCOP, LIFE VIBES, MIFARE, MIFARE Classic, MIFARE
DESFire, MIFARE Plus, MIFARE FleX, MANTIS, MIFARE ULTRALIGHT, MIFARE4MOBILE, MIGLO, NTAG, ROADLINK, SMARTLX, SMARTMX, STARPLUG, TOPFET, TrenchMOS, UCODE, Freescale,
the Freescale logo, AltiVec, C 5, CodeTEST, CodeWarrior, ColdFire, ColdFire+, C Ware, the Energy Efficient Solutions logo, Kinetis, Layerscape, MagniV, mobileGT, PEG, PowerQUICC, Processor Expert,
QorIQ, QorIQ Qonverge, Ready Play, SafeAssure, the SafeAssure logo, StarCore, Symphony, VortiQa, Vybrid, Airfast, BeeKit, BeeStack, CoreNet, Flexis, MXC, Platform in a Package, QUICC Engine,
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