電路設(shè)計(jì)與制作（含活頁(yè)式實(shí)訓(xùn)工單） 課件 項(xiàng)目4 任務(wù)1 MCU核心電路設(shè)計(jì)

項(xiàng)目2控制電路設(shè)計(jì)

項(xiàng)目引入本項(xiàng)目旨在設(shè)計(jì)一個(gè)基于STM32微控制器的控制電路。STM32是由STMicroelectronics公司生產(chǎn)的32位微控制器，它具有高性能、低功耗和豐富的外設(shè)等特點(diǎn)，非常適合用于嵌入式系統(tǒng)中。該項(xiàng)目的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)可靠、高效、穩(wěn)定的控制電路，應(yīng)用于隔離控制器。該控制電路的設(shè)計(jì)需要考慮到實(shí)現(xiàn)必要的控制邏輯和通信協(xié)議，完成實(shí)現(xiàn)隔離控制器的核心功能。學(xué)習(xí)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)理解STM32微控制器最小系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)；掌握控制電路設(shè)計(jì)中常用的元件及其性能參數(shù)；熟悉RS485通信電路結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)；了解控制電路設(shè)計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。技能目標(biāo)能夠獨(dú)立完成基于STM32微控制器的控制電路設(shè)計(jì)；能夠根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的通信電路；能夠運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決控制電路設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題。素養(yǎng)目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生自我學(xué)習(xí)和不斷創(chuàng)新的意識(shí)和能力；建立學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作和溝通協(xié)作的能力和意識(shí)；培養(yǎng)學(xué)生的責(zé)任心和社會(huì)責(zé)任意識(shí)，將技術(shù)應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)和人民生活中，為社會(huì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。項(xiàng)目4控制電路設(shè)計(jì)任務(wù)1MCU核心電路設(shè)計(jì)任務(wù)描述本任務(wù)旨在完成MCU的核心電路設(shè)計(jì)，使其具有穩(wěn)定可靠、高性能等特點(diǎn)。任務(wù)中考慮到MCU模塊的電源管理、時(shí)鐘管理、復(fù)位電路、外設(shè)的接口電路等方面的要求，并且保證電路布局合理，信號(hào)傳輸良好，抗干擾能力強(qiáng)。電路需要選擇適合MCU的時(shí)鐘源，并設(shè)計(jì)合理的時(shí)鐘電路；設(shè)計(jì)利用前期項(xiàng)目中完成的供電電路保障核心控制電路穩(wěn)定工作；設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠的復(fù)位電路，確保MCU在異常情況下可以正常運(yùn)行；還需要考慮到固件燒寫(xiě)和調(diào)試接口。知識(shí)儲(chǔ)備

一、STM32F103RBT6芯片介紹1.Cortex內(nèi)核ARM公司在經(jīng)典處理器ARM11以后的產(chǎn)品改用Cortex命名，并分成A、R和M三類，旨在為不同的市場(chǎng)提供服務(wù)，目前全世界超過(guò)95%的智能手機(jī)和平板電腦都采用ARM架構(gòu)。Cortex系列屬于ARMv7架構(gòu)，它是2010年ARM公司最新的指令集架構(gòu)。ARMv7架構(gòu)定義了三大分工明確的系列?！癆”系列面向尖端高性能的基于虛擬內(nèi)存的操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用；“R”系列：面向?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)；“M”系列：面向微控制器。知識(shí)補(bǔ)充ARM（AdvancedRISCMachines）是一種基于精簡(jiǎn)指令集（RISC）架構(gòu)的處理器技術(shù)，最初由英國(guó)公司ARMHoldings開(kāi)發(fā)和推廣。STMicroelectronics（簡(jiǎn)稱ST）一家總部位于瑞士的全球性半導(dǎo)體公司，與ARM公司合作已超過(guò)20年。ST持有ARM架構(gòu)的許可證，可以使用ARM的核心和相關(guān)技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)各種芯片產(chǎn)品，包括微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器和其他應(yīng)用特定集成電路等。STM32是ST公司生產(chǎn)的一系列32位微控制器產(chǎn)品，它采用了ARMCortex-M內(nèi)核，并提供豐富的外設(shè)和通訊接口。2.ST意法半導(dǎo)體的產(chǎn)品命名主控芯片選擇STM32F103R8T6，它是意法半導(dǎo)體在MCU領(lǐng)域推出的非常經(jīng)典的芯片系列，因其強(qiáng)大的功能和豐富的內(nèi)部資源，以及眾多的使用者和學(xué)習(xí)資料?？梢允菍⑵渥鳛槿腴T(mén)的芯片，它在嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用極廣。2.ST意法半導(dǎo)體的產(chǎn)品命名ST的MCU系列種類繁多，光是芯片選型手冊(cè)就有幾十頁(yè)。他們公司有一套命名規(guī)則，用來(lái)幫助使用者合理高效地進(jìn)行芯片的選擇。ST公司的芯片產(chǎn)品命名規(guī)則如圖4-1所示。3.STM32F103R8T6規(guī)格書(shū)意法半導(dǎo)體官方提供了規(guī)格書(shū)和使用手冊(cè)，其中芯片規(guī)格書(shū)封面如圖4-2所示。3.STM32F103R8T6規(guī)格書(shū)規(guī)格書(shū)中提供了很多有用信息，包括芯片的電氣特性，機(jī)械封裝等。除了規(guī)格書(shū)，官方也提供了應(yīng)用開(kāi)發(fā)相關(guān)的一系列資料，其中最重要的是用戶手冊(cè)，如圖4-3所示。3.STM32F103R8T6規(guī)格書(shū)當(dāng)用戶在STM32F10X芯片上開(kāi)發(fā)控制程序時(shí)就需要參考上圖的手冊(cè)，用戶手冊(cè)由官方提供，手冊(cè)中包括了同一系列芯片的使用方法，可以看出STM32系列芯片有很好的通用性，給用戶提供了很靈活的選擇。4.電路參考意法半導(dǎo)體官方同樣提供了芯片硬件設(shè)計(jì)的參考手冊(cè)，如圖4-4所示。4.電路參考手冊(cè)中給出了硬件電路設(shè)計(jì)的建議，同時(shí)也給出了參考電路，參考電路不包括外圍接口電路，但對(duì)外圍電路同樣給出了設(shè)計(jì)建議。用戶可以依據(jù)手冊(cè)中給出的“最小系統(tǒng)”畫(huà)出芯片工作的最簡(jiǎn)電路，并在此基礎(chǔ)上加上具體應(yīng)用的外圍電路。手冊(cè)中給出的最小電路如圖4-5所示。4.電路參考圖4-5

最小系統(tǒng)參考電路4.電路參考上圖中使用的芯片是STM32F103VBH6，如使用其他規(guī)格芯片，可以參考其電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)圖中細(xì)節(jié)部分，在手冊(cè)的相關(guān)章節(jié)中都有詳細(xì)描述，包括供電、編程接口、晶振、復(fù)位等。二、核心控制電路設(shè)計(jì)隔離控制器電路中，除了供電電路、隔離輸入輸出電路外，核心控制電路是必不可少的，也是整個(gè)電路圖最關(guān)鍵的部分，如圖4-6所示。圖4-6隔離控制器核心電路二、核心控制電路設(shè)計(jì)圖中包括了STM32的核心控制電路，包括芯片供電、外圍時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等，此外由于電路設(shè)計(jì)稿排版問(wèn)題，編程接口電路沒(méi)有在圖4-6中出現(xiàn)，稍后在下文中給出。圖4-6隔離控制器核心電路二、核心控制電路設(shè)計(jì)注意圖中芯片為L(zhǎng)QFP64封裝，在芯片規(guī)格書(shū)中可以找到該芯片的封裝參數(shù)，如圖4-7所示。圖4-7LQFP64封裝二、核心控制電路設(shè)計(jì)芯片的供電部分在前述DC-DC設(shè)計(jì)中已有，但芯片的供電引腳有多個(gè)，具體可以參考規(guī)格書(shū)的引腳說(shuō)明，在硬件設(shè)計(jì)手冊(cè)中也有相關(guān)描述，需要注意的是，每個(gè)供電引腳附近應(yīng)當(dāng)依照手冊(cè)建議給出旁路濾波電容。在繪制原理圖時(shí)，出于方便可將這些電路繪制在一起，但具體布線時(shí)，需要將電容部署在靠近引腳的地方。部分濾波電容如圖4-8所示。二、核心控制電路設(shè)計(jì)芯片外圍電路中設(shè)計(jì)有復(fù)位電路，當(dāng)芯片上電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，當(dāng)復(fù)位信號(hào)穩(wěn)定時(shí)，芯片開(kāi)始穩(wěn)定運(yùn)行，如果需要，可以在芯片運(yùn)行過(guò)程中觸發(fā)復(fù)位信號(hào)，這會(huì)讓芯片重新啟動(dòng)運(yùn)行，所以復(fù)位電路往往設(shè)計(jì)有按鍵或撥碼開(kāi)關(guān)，幫助用戶在需要時(shí)可以將設(shè)備復(fù)位重啟。有關(guān)復(fù)位電路的作用和其中元件的選擇，在官方的硬件設(shè)計(jì)手冊(cè)中都有具體的說(shuō)明。電路中復(fù)位部分如圖4-9所示,圖中BOOT0的連接會(huì)在下文說(shuō)明。二、核心控制電路設(shè)計(jì)一般STM32芯片運(yùn)行，需要有一個(gè)運(yùn)行時(shí)鐘，穩(wěn)定的時(shí)鐘脈沖可以協(xié)調(diào)芯片各個(gè)部件依程序設(shè)定運(yùn)行，此運(yùn)行時(shí)鐘脈沖可以有多個(gè)途徑提供，在芯片內(nèi)部就有RC時(shí)鐘，但此時(shí)鐘提供的運(yùn)行精度不如外部的硬件晶振，但使用外部晶振需要額外的旁路電容，如圖4-10所示。二、核心控制電路設(shè)計(jì)STM32的芯片需要寫(xiě)入程序才能工作，燒寫(xiě)程序需要工具和接口，工具是燒寫(xiě)電纜，接口可以選擇多種，具體可以有3種：串口、JTAG、SWD，這三種接口的說(shuō)明可以參看用戶手冊(cè)，在這里我們選擇SWD接口，這種接口需要占用的口線較少，電路簡(jiǎn)單。具體接口電路如圖4-11所示。二、核心控制電路設(shè)計(jì)圖中Prog5x2的牛角座，排針間距是2.54mm，SW_DIO是SWD接口中的SWD信號(hào)線，SW_CLK是SWD接口中的CLK信號(hào)線，SW_OUT是SWD接口中的SWO信號(hào)，VCC是5V的供電口，VDD是3.3V的供電口，NRST是復(fù)位信號(hào)，GNDD和VSS是接地信號(hào)，TXD1和RXD1是串口通信信號(hào)線。二、核心控制電路設(shè)計(jì)實(shí)際上，如果只是給芯片編程，使用這里的VDD、SW_DIO、SW_CLK、GNDD就可以，圖中提供的TXD1和RXD1是為了后期程序開(kāi)發(fā)時(shí)方便調(diào)試輸出信息，SW_OUT則是SWD接口輸出信息所用。二、核心控制電路設(shè)計(jì)值得注意的是，STM32可以通過(guò)串口燒寫(xiě)程序，但需要通過(guò)BOOT0和BOOT1口線的設(shè)置來(lái)配合，STM32的串口編程或正常運(yùn)行需要考慮這兩根口線的配置，其配置方式在相關(guān)手冊(cè)中有說(shuō)明，見(jiàn)表4-1。表4-1BOOT模式二、核心控制電路設(shè)計(jì)當(dāng)需要通過(guò)串口燒寫(xiě)程序時(shí)，可以將