Может, правда, избыточен для ваших целей. STM32F103Tx в таком корпусе содержит 2xUART, USB, CAN, 32 или 64кб флэш, 10 или 20кб ОЗУ, 2 отдельных 12-разрядных АЦП (каждый многоканальный), тактовая до 72Мгц.
С учетом малой латентности, полностью векторизованой и многоуровневой системе прерываний вроде то, что вам надо. Даже с избытком.
А насчет внешнего кварца можете поюзать MEMS-генераторы размером вплоть до 2x2,5мм, например KXO-V95 от Geyer. Такие сейчас многие выпускают и они не дороги. А точность такая же, как и у кварцевых.

PS. А еще попросите SM-а, чтобы он флеш в свой проц воткнул и поместил его в QFN-корпус. Вот уж где будет свобода порезвиться в многовекторных многоуровневых прерываниях ;)