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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