FRDM-K64F开发板用户指南

1  简介

飞思卡尔Freedom开发平台是一套评估和开发用的软件和硬件工具。它是快速完成基于MCU的应用原型设计的理想之选。飞思卡尔Freedom K64硬件FRDM-K64F是一款简单但成熟的设计，采用Kinetis K系列MCU，该MCU基于ARM® Cortex™-M4内核。

FRDM-K64F可以用来评估K64、 K63和K24 Kinetis K系列的器件。它采用了MK64FN1M0VLL12作为MCU，其最高工作频率为120 MHz，1 MB闪存、256 KB RAM、一个全速USB控制器、以太网控制器、安全数字主机控制器、以及模拟量和数字量外设。FRDM-K64F的硬件规格兼容Arduino™ R3引脚布局，并提供了丰富的扩展板选项。板载接口包含一个6轴数字加速度传感器和磁力计、RGB LED、SDHC、附加蓝牙模块、附加射频模块和以太网。

FRDM-K64F平台采用了OpenSDAv2，运行开源引导加载程序的飞思卡尔开源硬件嵌入式串行和调试适配器。该电路提供串行通信、闪存编程和运行控制调试等几个选项。OpenSDAv2 是一个 mbed™兼容HDK的调试接口，预装了开源的CMSIS-DAP接口固件（mbed接口），用于快速原型设计和产品开发，重点放在连接的物联网器件。

2    FRDM-K64F硬件概述

FRDM-K64F硬件的功能如下：

•    MK64FN1M0VLL12微控制器（120 MHz、1 MB闪存、256 KB的RAM、低功耗、无晶振的USB以及100脚LQFP封装）

•    两个USB接口，带有Micro-B USB插头

•    RGB的LED

•    FXOS8700CQ –加速度传感器和磁力计

•    两个用户按钮

•    灵活的电源选项 - OpenSDA v2 USB、 K64 USB以及外部源

•    通过兼容Arduino R3的I / O接口轻松访问MCU的输入/输出。

•    可编程的OpenSDA v2调试电路支持CMSIS-DAP接口软件，其提供：

    o    大容量存储设备（MSD）闪存编程接口

    o    基于无驱动程序的USB HID连接的 CMSIS-DAP调试接口，提供控制运行的调试并且兼容IDE工具

    o    虚拟串行端口接口

    o    开源的CMSIS-DAP软件项目: github.com/mbedmicro/CMSIS-DAP

•    以太网

•    SDHC

•    附加RF模块：nRF24L01+ Nordic 2.4GHz Radio

•    附加蓝牙模块：JY-MCU BT板V1.05 BT

图 1 显示了FRDM-K64F 设计的框图。图 2展示了主要的元件及其在硬件装配的布局。

图1. FRDM-K64F框图

图2. FRDM-K64F主要元件布局

3        FRDM-K64F硬件描述

3.1        电源

FRDM-K64F板上有多种电源选项。它可以从USB接口、I/O插头的VIN引脚、DC插头（未安装）的任何一种方式供电，也可以由来自I/O插头的3.3V引脚的板外的1.71V-3.6V供电。USB、DC插头和VIN电源使用板载的一个3.3V线性稳压器调节来产生主电源。DC转DC线性稳压器并不适用于J20插头的3.3V，但是可以直接向K64微控制器供电。表1提供了操作细节以及电源供电的需求。

表 1. FRDM-K64F电源要求

电源	有效范围	OpenSDAv2 是否工作?	使用板载的稳压器?
OpenSDAv2 USB	5 V	Yes	Yes
K64 USB	5 V	No	Yes
VIN Pin	5  – 9 V	No	Yes
3.3V Header (J20)	1.71 – 3.6 V	No	No
DC Jack (Not Populated)	5  – 9 V	No	Yes

注意

OpenSDAv2电路仅工作在USB线缆连接以及向OpenSDAv2 USB供电的时候。但是，保护电路可以允许多个源同时供电。

图3.电源原理图

表2. FRDM-K64F电源供电

电源名称	描述
P5–9V_VIN	从I/ O插头的VIN引脚（J3的引脚16）供电。肖特基二极管提供反向驱动保护。
P5V_SDA_PSW	从OpenSDAv2 USB接口供电。肖特基二极管提供反向驱动保护。
P5V_K64_USB	从K64 USB接口供电。肖特基二极管提供反向驱动保护。
DC_JACK	从DC插孔（未安装）接口供电。肖特基二极管提供反向驱动保护。
P3V3_VREG	稳定的3.3V电源。电源通过一个反向驱动保护的肖特基二极管到P3V3电源1。
P3V3_K64	K64 MCU电源。J20插头提供了一个方便的测量能耗的方法2
P3V3_SDA	OpenSDAv2 电路电源。J17插头提供了一个方便的测量能耗的方法2
P5V_USB	标准I/O插头的5V电源（J3的引脚10）

      
        1.        默认情况下，U17线性稳压器是一个3.3V输出稳压器。这个是一个常见的封装，允许用户改变装配，采用一个备用的器件，例如1.8V。K64微控制器的工作范围是1.71 V到3.6 V。

2.        默认情况下，J18和J20插头是安装的。 P3V3_K64通过两个电阻连接:R64和R66。测量K64微控制器的功耗时，J20的1脚和2脚的连接必须断开。然后电流表或者一个分流电阻加电压表可以应用于测量这些电路的功耗。

3.2    串行和调试适配器版本2（OpenSDAv2）

OpenSDAv2是一个串行和调试适配器电路，它包括一个开源的硬件设计、一个开源的引导装载程序和调试接口软件。它桥接了一个USB主机和嵌入式目标处理器之间的串行和调试通信，如图4所示。该硬件电路基于飞思卡尔的Kinetis K20系列微控制器，其内置128KB的内存以及集成了一个USB控制器。OpenSDAv2预装了CMSIS-DAP引导程序 – 一个开源的大容量存储设备（MSD）引导程序，CMSIS-DAP接口固件（又名mbed接口），提供了一个MSD闪存编程接口、一个虚拟串口以及一个CMSIS-DAP调试协议接口。有关OpenSDAv2软件的更多信息，请参阅mbed.org和https://github.com/mbedmicro/CMSIS-DAP。

图4. OpenSDAv2的高层框图

OpenSDAv2是由基于ARM  Cortex-M4内核的Kinetis K20微控制器控制。OpenSDAv2电路包含一个状态LED指示灯（D2）和一个按钮（SW1）。该按钮可以触发复位信号到K64的目标MCU。它也可以用来使OpenSDAv2电路进入引导模式。 SPI和GPIO提供到SWD调试端口或者K20的接口。另外信号连接可以 实现UART串行通道。当USB接口J26插入到USB主机时，OpenSDAv2电路上电。

调试接口

SPI和GPIO信号用来直接连接到K64的SWD。这些信号也引出到一个标准的10针（0.05英寸间距）的Cortex调试接口J9。它可以从OpenSDAv2 电路隔离K64微控制器，并且使用J9连接一个板外的MCU。为了实现这一点， 割断PCB底层连接J11的2脚与J9的4脚的线。这将断开SWD_CLK引脚到K64，以便它不会接入与连接到J11的板外MCU的通讯。

图5. SWD调试接口

默认情况下J9是焊接的。然后一个配合的电缆，如Samtec FFSD IDC线缆，可以用来从FRDM-K64F的OpenSDAv2连接到板外的SWD接口。

虚拟串口

串口连接可用于OpenSDAv2微控制器与K64的PTA1和PTA2引脚之间。

5  时钟

Kinetis微控制器从内部数字控制振荡器（DCO）启动。如果需要，软件可以使能主外部振荡器（EXTAL0/XTAL0）。外部振荡器/谐振器的范围可以从32.768 KHz到50 MHz。MCG振荡器输入（EXTAL）的默认外部源是来自麦瑞半导体以太网PHY的50MHz时钟源。

图6. 麦瑞半导体PHY向MCU提供50MHz

图7. MCU接收来自麦瑞半导体以太网PHY RMII的时钟

默认情况下，32.768kHz晶振连接到RTC振荡器的输入。

图8.  用于RTC的32.768 kHz晶振

6        USB

MK64FN1M0VLL12微控制器具有一个全速/低速的USB模块，支持OTG/主机/设备功能，并且内置收发器。FRDM-K64F开发板将USB D+和D-信号从MK64FN1M0VLL12微控制器直接布线到开发板上面的micro USB接口(J22)。

图9. K64 USB端口

当FRDM-K64F开发板工作在USB主机模式时， J21必须从VBUS (J22)分流以提供5V电源。5 V电源的来源可以是OpenSDAv2的USB端口 (J26)、J3 I/O插头的引脚10或者J27的 P5-9V_VIN DC-DC 转换器。

图10. 用于主机模式的K64 USB电源输入

7    安全数字卡

在FRDM-K64F提供了微型安全数字（SD）卡插槽，其连接到MCU的SD主机控制器（SDHC）信号。该插槽可以使用微型格式的SD存储卡。该SD卡检测引脚是一个开放式开关，当插入卡时与VDD短路。表4列出了micro SD卡的SDHC信号连接的详细信息。

图 11. Micro SD接口

表 4. Micro SD卡插座连接

引脚	功能	FRDM--K64F 连接
1	DAT2	PTE5/SPI1_PCS2/UART3_RX/SDHC0_D2/FTM3_CH0
2	CD/DAT3	PTE4/LLWU_P2/SPI1_PCS0/UART3_TX/SDHC0_D3/TRACE_D0
3	CMD	PTE3/ADC0_DM2/ADC1_SE7A/SPI1_SIN/UART1_RTS/SDHC0_CMD/TRACE_D1/SPI1_SOUT
4	VDD	3.3 V开发板电源(V_BRD)
5	CLK	PTE2/LLWU_P1/ADC0_DP2/ADC1_SE6A/SPI1_SCK/UART1_CTS/SDHC0_DCLK/TRACE_D2
6	VSS	地
7	DAT0	PTE1/LLWU_P0/ADC1_SE5A/SPI1_SOUT/UART1_RX/SDHC0_D0/TRACE_D3/I2C1_SCL/SPI1_ SIN
8	DAT1	PTE0/ADC1_SE4A/SPI1_PCS1/UART1_TX/SDHC0_D1/TRACE_CLKOUT/I2C1_SDA/RTC_CLKO UT
G1	SWITCH	PTE6/SPI1_PCS3/UART3_CTS_b/I2S0_MCLK/FTM3_CH1/USB0_SOF_OUT
S1-S4	S1, S2, S3, S4	屏蔽地

8        以太网

MK64FN1M0VLL12微控制器具有一个10/100 MB/s以太网MAC，其带有MII和RMII接口。FRDM-K64F开发板将RMII接口信号从K64微控制器布线到板载的Micrel的32引脚的以太网PHY。

当K64的以太网MAC工作在RMII模式时，MCU的时钟和50 MHz RMII传输时钟的同步是很重要的。MCU的输入时钟必须和外部PHY保持同相位。32引脚的Micrel以太网PHY能够向K64FN1M0VLL12微控制器的EXTAL0和以太网PHY自身提供50MHz的时钟。

图12. 连接Ethernet PHY的RMII

当MK64FN1M0VLL12微控制器请求以太网链路连接的状态时，在MDIO信号上不需要外部上拉。当启用MDIO信号的端口配置时，需要内部上拉。

9        加速度计和磁力计

飞思卡尔FXOS8700CQ低功耗、六轴 Xtrinsic传感器通过I2C总线和两个GPIO信号接口连接，如表5所示。默认情况下，I2C地址是0x1D (SA0上拉和SA1下拉).

表5. 加速度计和磁力信号连接

FXOS8700CQ	K64
SCL	PTE24/UART4_TX/I2C0_SCL/EWM_OUT_b
SDA	PTE25/UART4_RX/I2C0_SDA/EWM_IN
INT1	PTC6/SPI0_SOUT/PDB0_EXTRG/I2S0_RX_BCLK/FB_AD9/I2S0_MCLK/LLWU_P10
INT2	PTC13/UART4_CTS_b/FB_AD26

图 13. 加速度计和磁力计

10        RGB LED

RGB LED通过GPIO连接，信号连接如图6所示。

表 6. LED信号连接

LED	K64
RED	PTB22/SPI2_SOUT/FB_AD29/CMP2_OUT
BLUE	PTB21/SPI2_SCK/FB_AD30/CMP1_OUT
GREEN	PTE26/ENET_1588_CLKIN/UART4_CTS_b/RTC_CLKOUT/USB0_CLKIN

图 14. 三色LED

11        串口

主要的串行端口接口信号是PTB16 UART1_RX和PTB17 UART1_TX。这些信号连接到OpenSDAv2电路。

12        复位

K20的复位信号外部连接到一个按钮，名为SW1，也连接到OpenSDAv2电路。该复位按钮可以用来强制在目标MCU产生一个外部复位事件。该复位按钮也可用来强制使OpenSDAv2电路进入引导加载程序模式。欲了解更多详细信息，请参阅串行和调试适配器（OpenSDAv2） 。

图15. 复位电路

13        按钮开关

两个按钮，SW2和SW3，可以在FRDM-K64F开发板上使用，其中SW2连接到PTC6和SW3连接到PTA4。除了通用输入/输出函数，SW2和SW3可以是低功耗唤醒信号。此外，只有SW3可以是一个非屏蔽中断。

表 7. 按钮的PIO功能

开关	GPIO功能
SW2	PTC6/SPI0_SOUT/PD0_EXTRG/I2S0_RX_BCLK/FB_AD9/I2S0_MCLK/LLWU_P10
SW3	PTA4/FTM0_CH1/NMI_b/LLWU_P3

14        调试

在MK64FN1M0VLL12微控制器的调试接口是带有跟踪输出功能的串行线调试 端口(SWD)。FRDM-K64F 上有两个调试接口：板载的OpenSDAv2电路(J26)和K64直接SWD连接接口 (J9)。

注意

要使用外部调试器，如J-Link，你可能需要断开OpenSDA SWD与K64的连接。要在FRDM-K64F开发板做到这一点，断开短路连线，连接J8和J12连接器的跳线孔。

15        附加模块

15.1        射频模块

FRDM-K64F 开发板的附加2.4GHz接口使用SPI与nRF24L01+ Nordic 2.4G无线模块的连接。 另外，任何基于SPI的器件或者模块可以使用该接口。

图 16. 附加的2.4GHz ISM模块

15.2        蓝牙模块

在 FRDM-K64F开发板的附加蓝牙接口使用UART连接到JY-MCU BT板V1.05 BT。 另外任何串口 (SCI)模块可以使用该接口。想想看，这些信号不符合RS-232的逻辑电平，并且只是0-3.3V。一个电平转换器应使用RS-232器件，如Maxim的DS3232，通过适当的RS-232逻辑电平。

图 17. 附加的蓝牙模块

16        输入/输出接口

MK64FN1M0VLL12微控制器封装在一个100引脚的LQFP封装。一些引用在板载的电路采用，但也有一些直接连接到四个I/O插头的一个。

K64微控制器的引脚为他们的通用输入/输出端口引脚功能命名。例如，端口A的第一个引脚成为PTA1。如果适用，I/O接口的引脚排列名称和连接到它的K64引脚相同。

图 18. FRDM-K64F引脚

17        兼容Arduino

FRDM-K64F开发板的I/O插头的排列使其能够兼容端口板，其连接Arduino以及兼容Arduinod的微控制器板。在插头的外围行（偶数引脚）和Arduino 版本3 (R3)标准的I/O插头共享相同的机械间距。

18        参考资料

以下资料可在 freescale.com找到:

•        FRDMK64FQSG, FRDM-K64F快速入门指南

•        FRDM-K64F 引脚分布

•        FRDM-K64F-SCH, FRDM-K64F原理图

•        FRDM-K64F设计包

19        修订历史

表 8. 修订历史

修订版本号	日期	重大变化
0	04/2014	首次发布
0.1	04/2014	在Debug章节增加说明

                                         

飞思卡尔FRDM-K64F开发板用户指南中文版PDF格式：

FRDM-K64F中文用户指南.pdf (1.73 MB, 下载次数: 42)

2016-1-14 18:27 上传

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