【ARM Cortex-M 开发实战指南(入门篇)】第2章 硬件设计开发

在讲解本节前,笔者先声明下,笔者在写这套教程前,参看了很多开发板,每一块板子最大的区别就是CPU型号不同,外设不同,其最小系统都是一样的。外设这个说起来就很多了,笔者本文只讲最小系统部分,以后在文章中,用到哪块外设在具体讲解相关硬件。

本教程主要以STM32系列为主,主要以STM32F103ZET6作为基础篇的主讲MCU,后面的则会以STM32F746等高性能的MCU为主,当然也会穿插国产的MCU,比如GD32。

2.1 微处理器

在讲解芯片资源之前,我们先看看STM32的命名规则,国产的Cortex-M系列的MCU命名规则也差不多。具体规则如下图。

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图1 STM32命名规则

STM32F103ZET6是STM32F1系列里面性能比较高的了,它拥有的资源包括:64KB SRAM、 512KB FLASH、 2 个基本定时器、 4 个通用定时器、 2 个高级定时器、 2 个 DMA 控制器(共 12 个通道)、 3 个 SPI、2 个 IIC、 5 个串口、 1 个 USB、 1 个 CAN、 3 个 12 位 ADC、 1 个 12 位 DAC、 1 个 SDIO 接口、1 个 FSMC 接口以及 112 个通用 IO 口。该芯片的配置十分强悍,并且还带外部总线(FSMC)可以用来外扩 SRAM 和连接 LCD 等,通过 FSMC (可变静态存储控制器)驱动 LCD,可以显著提高 LCD 的刷屏速度,是 STM32F1 家族常用型号里面,最高配置的芯片了。关于MCU的具体见下图。

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图2MCU硬件电路

当然也可从STM32官网找到相应的数据手册,查看其详细的资源,具体资源大纲如下图所示。

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图3 STM32F1资源大纲

2.2 STM32 最小系统

2.2.1电源

STM32F103ZE要求2.0~3.6V的操作电压(VDD),并采用嵌入式的调压器提供内部1.8V的数字电源。当主电源VDD关闭时,实时时钟(RTC)和备用寄存器可以从VBAT供电,官方给出的标准供电方案如下图所示。

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图4 STM32完整供电一览

虽然STM32芯片的供电范围2.0V到3.6V之间,标准电压是3.3V,但我们在设计板子时一般选用12V直流电源和5V直流电源,然后进行降压滤波处理。笔者使用的板子既可以5V输入,也可以12V输入,具

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图5电源电路

如图5所示为板子的入口电源,选用LM25965-5.0和AMS1117-3.3作为电压转换芯片,D6是瞬态电压抑制二极管,可有效避免电压不稳和电源反接的情况,从而保护板子损坏。左图为芯片供电电源,其典型值为3.3V,我们为需要的每个电源街上0.1uf的高频滤波带电容。

2.2.2复位

系统复位将复位除了时钟控制器CSR中的复位标志和备用域的寄存器以外的所有寄存器(图1)。当下列事件有一个发生都将产生系统复位:

  1. NRST引脚上出现低电平(外部复位)
  2. 窗口看门狗计数终止(WWDG复位)
  3. 独立看门狗计数终止(IWDG复位)
  4. 软件复位(SW复位)
  5. 低功耗管理复位

可通过查看控制/状态寄存器(RCC_CSR)中的复位标志来识别复位源。

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图6复位电路

这里要介绍的是硬件复位,也就是外部复位电路,几乎所有的复位电路都差不多,和51单片机的原理是一样的。

上电复位:上电时,由于有电容C5的原因,RESET端会产生一段低电平,从而进行复位。
按键复位:按下按键,把电容的电放光,然后低电平持续一段时间后复位。

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图7复位电路图

2.2.3时钟

始终是MCU的心脏,没有时钟,那么MCU也就跑不动。STM32三个不同的时钟源可以用来驱动系统时钟(SYSCLK):

● HSI晶振时钟(高速内部时钟信号)
● HSE晶振时钟(高速外部时钟信号)
● PLL时钟

STM32有两个二级时钟源:
● 40kHz的低速内部RC,它可以驱动独立看门狗,还可选择地通过程序选择驱动RTC。 RTC用于从停机/待机模式下自动唤醒系统。
● 32.768kHz的低速外部晶振,可选择它用来驱动RTC(RTCCLK)。
每个时钟源在不使用时都可以单独被打开或关闭,这样就可以优化系统功耗。

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图8时钟树

当使用HSI作为PLL时钟的输入时,所能达到的最大系统时钟为64MHz。

2.2.3.1 HSE时钟

高速外部时钟信号(HSE)由以下两种时钟源产生:
● HSE外部晶体 / 陶瓷 谐振器(见图9(a))
● HSE用户外部时钟(见图9(b))

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(a)外部时钟 (b)晶振时钟

图9 HSE时钟

1.外部时钟源(HSE旁路)
在这种模式下,必须提供一个外部时钟源。它的频率可高达25MHz。外部时钟信号(占空比为50%的方波、 正弦波或三角波)必须连到OSC_IN引脚,同时保证OSC_OUT引脚悬空,见图9(a)。这个外部时钟源是指从其他处理器等引入的时钟源,STM32的demo板就是使用的这种方式,主控器MCU的外部时钟源来自ST Link处理器提供的时钟信号。

2.外部晶体 / 陶瓷谐振器(HSE晶体)
这个4~16MHz的外部晶振的优点在于能产生非常精确的主时钟。 图9显示了它需要的相关硬件配置。谐振器和负载电容需要尽可能近地靠近振荡器的引脚,以减小输出失真和启动稳定时间。负载电容值必须根据选定的晶振进行调节。这种方式也是我们常用的方式,具体电路如下所示。

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图10外部晶体电路图

2.2.3.2 LSE时钟

低速外部时钟源(LSE)可以由两个可能的时钟源来产生:
● LSE外部晶体 / 陶瓷谐振器(见图11(a))
● LSE用户外部时钟(见图11(b))

1.外部源(LSE 旁路)
在这种模式下,必须提供一个外部时钟源。它的频率必须为32.768kHz。外部信号(占空比为50%的方波、 正弦波或三角波)必须连到OSC32_IN引脚,同时保证OSC_OUT引脚悬空。

2.外部晶体 / 陶瓷谐振器(LSE晶体)
这个LSE晶体是一个32.768kHz的低速外部晶体或陶瓷谐振器。它的优点在于能为实时时钟部件(RTC)提供一个低速的,但高精确的时钟源。 RTC可以用于时钟/日历或其它需要计时的场合。谐振器和加载电容需要尽可能近地靠近晶振引脚,这样能使输出失真和启动稳定时间减到最小。负载电容值必须根据选定的晶振进行调节。外部晶体时钟如图12所示。

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(a)外部时钟 (b)晶振时钟

图11 LSE时钟

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图12

HSE和LSE外部晶体两时钟电路的两个电容式为了抗干扰。对抗自然界中的一些干扰,如雷击。

2.2.4下载电路

1.JTAG/SWD 仿真与下载接口
STM32F103 板载的JTAG/SWD 接口电路如图所示。值得注意的是JTAG的标准接口是 20 针。

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图13

笔者一般使用ST-Link V2作为硬件仿真工具,使用SWD模式。ST-Link V2是STM32官方的推荐工具,接线也非常方便。

2.ISP下载接口
ISP下载就是使用串口下载程序,电路图如下,关于ISP下载电路的原理笔者单独写文章,尽请期待。

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图14

2.3 STM32 启动模式

要想STM32能正常启动,这一块不弄清楚,你如果自己设计板子的话是无法正常工作的。
在STM32F10xxx里,可以通过BOOT[1:0] 引脚选择三种不同启动模式。

表1 STM32启动模式

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在系统复位后,SYSCLK的第4个上升沿,BOOT引脚的值将被锁存。用户可以通过设置BOOT1和BOOT0引脚的状态,来选择在复位后的启动模式。

在从待机模式退出时,BOOT引脚的值将被重新锁存;因此,在待机模式下BOOT 引脚应保持为需要的启动配置。在启动延迟之后,CPU从地址0x0000 0000 获取堆栈顶的地址,并从启动存储器的0x0000 0004 指示的地址开始执行代码。

因为固定的存储器映像,代码区始终从地址0x0000 0000 开始( 通过ICode 和DCode总线访问),而数据区(SRAM) 始终从地址0x2000 0000 开始(通过系统总线访问) 。Cortex-M3的CPU始终从ICode 总线获取复位向量,即启动仅适合于从代码区开始( 典型地从Flash启动) 。STM32F10xxx微控制器实现了一个特殊的机制,系统可以不仅仅从Flash存储器或系统存储器启动,还可以从内置SRAM启动。

根据选定的启动模式,主闪存存储器、系统存储器或SRAM 可以按照以下方式访问:

● 从主闪存存储器启动:主闪存存储器被映射到启动空间(0x0000 0000),但仍然能够在它原有的地址(0x0800 0000) 访问它,即闪存存储器的内容可以在两个地址区域访问,0x0000 0000或0x0800 0000 。
● 从系统存储器启动:系统存储器被映射到启动空间(0x0000 0000) ,但仍然能够在它原有的地址(互联型产品原有地址为0x1FFF B000,其它产品原有地址为0x1FFF F000)访问它。
● 从内置SRAM启动:只能在0x2000 0000 开始的地址区访问SRAM。
注意:当从内置SRAM 启动,在应用程序的初始化代码中,必须使用NVIC的异常表和偏移寄存器,重新映射向量表之SRAM 中。
内嵌的自举程序存放在系统存储区,由ST在生产线上写入,用于通过可用的串行接口对闪存存储器进行重新编程:
● 对于小容量、中容量和大容量的产品而言,可以通过USART1接口启用自举程序。
● 对于互联型产品而言,可以通过以下某个接口启用自举程序:USART1 、USART2(重映像的)、CAN2(重映像的)或USB OTG全速接口的设备模式(通过设备固件更新DFU协议)。USART接口依靠内部8MHz振荡器(HSI)运行。CAN和USB OTG接口只能当外部有一个8MHz 、14.7456MHz 或25MHz时钟(HSE)时运行。

值得注意的是,Cortex-M的最小系统的电路都差不多,本文只是以STM32F103ZET6为例进行讲解而已。更多电路请自行获取后文的资源查看。

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