開發(fā)板硬件結(jié)構(gòu)

1、第一章 開發(fā)板硬件結(jié)構(gòu)openm3v開發(fā)板，是作者專門為本書設(shè)計的硬件原型，采用了st公司基于m3核的stm32f103vb，可通過isp下載及jtag方式調(diào)試和下載。開發(fā)板上提供了眾多的功能部件，都是工程師在實際應(yīng)用中常用和必需要使用的模塊，充分使用這些模塊能盡可能的發(fā)揮stm32系列的性能。這些功能模塊包括有鍵盤和led燈功能部件；i2c方式接口的eeprom儲存器電路；兩個rs232串口電路；簡單ad采集電路，語音ad采集電路；can接口電路；usb接口電路；jtag接口電路；后備供電電路；spi方式接口的flash儲存器接口電路模塊，spi方式接口的sd卡電路，spi方式接口的128*

2、64點陣液晶接口電路，spi方式接口2.4g無線通信模塊接口電路，spi方式接口的779 mhz 至928mhz頻段無線模塊接口電路；pwm方式調(diào)光電路，pwm方式語音輸出電路，連接直流無刷電機驅(qū)動板的接口電路等眾多功能模塊電路，同時結(jié)合靈活的跳線，所有的io口都可以單獨引出，極大的方便讀者進行嵌入式開發(fā)實驗。1.1 電路原理圖 openm3v開發(fā)板硬件原理圖如圖1-1-1，1-1-2，1-1-3，1-1-4，1-1-5所示。圖1-1-1 芯片最小系統(tǒng)部分圖1-1-2圖1-1-31.2 原理圖說明1.2.1 電源電路 stm32系列的工作電壓(vdd)為2.03.6v。通過內(nèi)置的電壓調(diào)節(jié)器提供

3、所需的1.8v電源。當主電源vdd掉電后，通過vbat腳為實時時鐘(rtc)和備份寄存器提供電源。openm3v開發(fā)板電源電路如圖1-2-1所示，使用usb口輸入5v電源，通過電容濾波和電感對瞬態(tài)電流的限制，使用lm1117為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的3.3v電源。當系統(tǒng)供電后，有一指示燈被點亮，提示系統(tǒng)處于供電狀態(tài)。 圖 1-2-1 電源電路 stm32f103v系列具有獨立的模擬電源引腳，為了提高模擬系統(tǒng)的抗噪性，模擬部分應(yīng)該與數(shù)字部分分開供電，如圖1-2-2所示。在電路上，使用l1，l2 ，c5，c6用于模擬電路部分隔離來自數(shù)字電路部分的噪聲。圖 1-2-21.2.2 系統(tǒng)復(fù)位電路 在stm32系列

4、芯片中，由于有完善的內(nèi)部復(fù)位電路，外部復(fù)位電路就特別簡單，只需要使用阻容復(fù)位方式就可以，圖1-2-3是系統(tǒng)的復(fù)位電路。 圖 1-2-3 復(fù)位電路圖1.2.3 時鐘電路stm32系列的控制器可以使用外部晶振或外部時鐘源，經(jīng)過內(nèi)部pll或不經(jīng)過內(nèi)部pll為系統(tǒng)提供參考時鐘，也可以使用內(nèi)部rc振蕩器經(jīng)過或不經(jīng)過內(nèi)部pll為系統(tǒng)提供時鐘源。當使用外部晶振作為系統(tǒng)時鐘源時，外部晶振的頻率在4mhz16mhz，可以為系統(tǒng)提供精確的系統(tǒng)參考源。openm3v開發(fā)板使用8mhz外接晶振為系統(tǒng)提供精確的系統(tǒng)時鐘參考，使用32.768khz低速外部晶體作為rtc時鐘源，連接到芯片的pc14、pc15腳。具體電路見

5、圖1-2-4所示 圖 1-2-4 晶振電路圖1.2.4 jtag接口電路 openm3v開發(fā)板采用標準14腳jtag仿真調(diào)試接口。14腳jtag仿真調(diào)試接口信號定義與stm32f103vb連接如圖1-2-5所示。注意，當用戶不使用jtag口，而是作為普通io口使用時，要注意其口線上的上拉和下拉電阻的影響，當然也可以焊下這些電阻不用。 圖 1-2-5 jtag接口電路1.2.5 串口電路 stm32系列芯片有2-5個不等異步串口，stm32f103vb擁有3個異步串口。開發(fā)板通過一片max3232把串口1和串口2的3.3v電平轉(zhuǎn)換為rs232電平。通過一個跳線組j5，可以把這些端口與串口部分電路

6、斷開或相連接。當跳線帽短接時，連接芯片引腳的到串口電平轉(zhuǎn)換電路，當跳線帽斷開時，這些腳可以作為通用io口用。 開發(fā)板上，stm32f103vb的pa10（69腳）對應(yīng)rx1，pa9（68腳）對應(yīng)tx1，pa3（26腳）對應(yīng)rx2，pa2（25腳）對應(yīng)tx2。這兩個串口的數(shù)據(jù)發(fā)送端連接到db9母頭的2號腳，數(shù)據(jù)接收端連接到db9母頭的3號腳，db9接頭與pc機串口相接時，使用直連串口線相連接。同時串口1可以作為程序isp下載的接口。具體電路見圖1-2-6所示 圖 1-2-6 串口電路圖1.2.6 鍵盤電路 openm3v開發(fā)板有獨立的7個按鍵，分別為k1k7，如圖1-2-7所示所示。由于stm3

7、2f系列芯片的每一個引腳都可以定義為中斷腳，也可以定義這些按鍵作為外部中斷輸入口，或用作喚醒在睡眠或停機狀態(tài)的cpu。 開發(fā)板上，pe0連接k1,pe1連接k2pe6連接k7。雖然所有的stm32f系列芯片內(nèi)部都有上拉和下拉選項，在此處加上上拉電阻只是更好的說明這個上拉電阻的作用。在對功耗要求很嚴的應(yīng)用中，按鍵的上拉電阻阻值應(yīng)相應(yīng)取大一點，以減少這一部分的電流消耗。在按鍵的兩端，加上一個電容，它能旁路掉一定量的鍵盤按下和松開時的抖動，其值在0.1uf到1.0uf間，此處采用0.1uf電容。 按鍵按下時，采集到的電壓值為低，按鍵松開時，采集到的電壓值為高。通過判斷連接到芯片io口電壓的高低來判斷

8、按鍵的狀態(tài)。 圖 1-2-7 按鍵電路圖1.2.7 led燈電路 openm3v開發(fā)板有獨立的8個led燈，使用io口來控制，分別是使用pd0控制led1，pd1控制led2pd7控制led8。當io口為高電平時，led燈滅，當io口為低電平時，led燈亮。具體電路如圖1-2-8所示。 圖 1-2-8 led電路圖同時還有一路使用pwm來模擬dac輸出可以調(diào)光輸出的led燈，電路如圖1-2-9所示。pwm_v連接芯片的pd14腳，也即重映射tim4的ch3腳。 圖 1-2-9 pwm驅(qū)動電路圖1.2.8 i2c接口電路stm32f103vb具有2路均支持400khz高速通信模式的硬件i2c電路

9、接口。在開發(fā)板上使用一片具有i2c接口的eeprom儲存器芯片24c02，可以通過i2c接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫等操作。電路圖如圖1-2-10所示，24c02連接到stm32f103vb的i2c_2接口，使用跳線j6與系統(tǒng)相接。只有到跳線帽短接時，i2c_2接口的連接到24c02芯片上，當斷開時，i2c_2接口可以用作普通的io口。i2c總線上拉電阻的值與總線速度有關(guān)，當總線速度高達400khz時，應(yīng)使用1k的電阻，可以實現(xiàn)快速的總線上升和下降變化。當使用標志的100khz總線速度時，可以選用5.6k或10k總線上拉電阻，以降低總線操作時的功率消耗。為了兼容高速總線，此處選用1k總線上拉電阻。 圖

10、1-2-10 24c02接口電路圖1.2.9 adc電路 stm32f103vb具有2個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，共有17個通道，轉(zhuǎn)換速率高達1000khz。具有獨立的參考電源引腳。開發(fā)板通過跳線j12可以選擇經(jīng)過隔離的3.3v或語音采集電壓參考，也可以直接從需要的地方引入?yún)⒖茧妷?。注意j12跳線最多只能選擇一個，開發(fā)板初始狀態(tài)時參考源選擇vref_3.3。具體跳線電路如圖1-2-10 圖 1-2-11 adc參考跳線圖openm3v開發(fā)板提供一路直流電壓測量電路，一路語音采集電路。直流電壓采集電路如圖1-2-12所示，直流電壓連接到adc_13腳?？烧{(diào)電阻調(diào)節(jié)輸入到adc的電壓，在vin點可以通過萬

11、用表測出電壓值。開發(fā)板上直接使用電源作為參考源，不能滿足高精度的電壓測量，也沒有發(fā)揮出12位adc的性能，如果需要完全發(fā)揮stm32f103vb芯片adc的性能，需要使用精密參考源引入vref+腳。 圖1-2-12 直流電壓采集電路1.2.10 usb電路usb外設(shè)實現(xiàn)了usb2.0全速總線接口。usb外設(shè)支持usb掛起/恢復(fù)操作，可以停止設(shè)備時鐘實現(xiàn)低功耗。 st-easym3開發(fā)板通過usb接口提供電源，接口電路如圖1-2-13所示。通過j2跳線可以斷開和接通usb電路，通過j1可以選擇通過cpu控制上拉還是始終選擇上拉。如果選擇cpu來控制上拉，則通過pc11來控制。 圖 1-2-13

12、usb接口電路1.2.11 can電路bxcan是基本擴展can(basic extended can)的縮寫，它支持can協(xié)議2.0a和2.0b。它的設(shè)計目標是，以最小的cpu負荷來高效處理大量收到的報文。它也支持報文發(fā)送的優(yōu)先級要求(優(yōu)先級特性可軟件配置)。can主要用于對安全緊要的應(yīng)用，bxcan提供所有支持時間觸發(fā)通信模式所需的硬件功能。 stm32f103vb芯片有一路硬件can接口，電路圖1-2-14所示。通過跳線j3來連接和斷開芯片與can驅(qū)動的連接，使用65hvd230驅(qū)動芯片連接到can總線上。使用j4跳線來選擇使用使用終端200歐網(wǎng)絡(luò)電阻。 圖 1-2-14 can 接口電

13、路圖1.2.12 語音采集和語音播放電路 stm32f103vb芯片擁有性能優(yōu)越的adc和高效的pwm輸出，可以充分使用芯片的資源來進行語音的采集和語音輸出。圖1-2-15是語音采集和語音輸出的電路圖。 語音采集使用adc_1，使用語音采集時，adc參考源要選擇（j12）vref_mic。語音采樣使用18khz/s的采樣頻率，使用12位數(shù)據(jù)。語音輸出pwm頻率為18k，與語音采樣速率一樣。 我們可以通過pc機或mp3等設(shè)備輸入音頻信號，通過stm32采集，然后通過pwm方式輸出來，通過揚聲器或耳機復(fù)現(xiàn)，實現(xiàn)語音采集和語音播放。 圖 1-2-15 語音采集和播放電路1.2.13 spi接口電路串

14、行外設(shè)接口(spi)允許芯片與外部設(shè)備以半/全雙工、同步、串行方式通信。此接口可以被配置成主模式，并為外部從設(shè)備提供通信時鐘(sck)。接口還能以多主配置方式工作。它可用于多種用途，包括使用一條雙向數(shù)據(jù)線的雙線單工同步傳輸。stm32f103vb具有2路spi接口，最高速度可以達到18mhz。st-easym3開發(fā)板上擁有眾多的spi接口設(shè)備，通過spi可以很容易的連接眾多設(shè)備，實現(xiàn)與這些設(shè)備的高速通信。開發(fā)板上的spi接口設(shè)備非常豐富，有2.4g無線模塊接口，863mhz925mhz頻率無線模塊接口，sd卡接口，128*64點陣液晶接口，flash儲存器接口和tf/sd卡接口。12.4g無線

15、接口，其電路如圖1-2-16所示。通過j8跳線來連接和斷開與2.4g無線模塊控制口線與芯片的連接。l4和c22及c23為無線模塊電源進行濾波，保證無線模塊電源的干凈度。stm32f103vb芯片的spi2接口與無線模塊的spi接口相連。 圖 1-2-16 2.4g無線模塊2830mhz925mhz無線模塊接口，其電路如圖1-2-17所示。通過j11來接通和斷開芯片與模塊的連接。l5、c56和c57為無線模塊電源進行濾波，以保證無線模塊電源的干凈度。stm32f103vb芯片的spi1與無線模塊的spi接口相連。圖 1-2-17 ism工業(yè)頻段無線模塊3 128*64點陣lcd模塊接口，其電路如

16、圖1-2-18所示。通過j7跳線來連通和斷開芯片與lcd點陣模塊的連接。在開發(fā)板上，相應(yīng)的放置了點陣液晶模塊所必須的元器件。當要使用點陣液晶模塊時，j7跳線必須全部短接。 圖 1-2-18 128*64點陣模塊接口電路4sd/tf卡接口，其電路如圖1-2-19所示。通過跳線j9來選通和斷開芯片與sd/tf卡的連接。通過sd_power口線來控制sd/tf卡的供電，可以重新復(fù)位sd/tf卡。通過對sd_find口線電平的判斷，來識別sd/tf卡是否插入。當sd/tf卡供電時，led11燈將被點亮。 圖 1-2-19 tf/sd卡接口電路5flash儲存器接口，其具體電路如圖1-2-20所示。通過

17、j10跳線來接通和斷開芯片與flash儲存器的連接。在開發(fā)板上有一片具有spi接口的flash儲存器芯片sst25v016b，可以通過spi接口高速的實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀和寫操作，sst25v016b連接到芯片的spi2接口。 圖1-2-20 flash接口電路1.2.14 電機驅(qū)動板接口電路stm32f系列芯片中，至少有一個高級定時器，這個定時器的許多功能是為方便控制電機設(shè)立的。開發(fā)板上的電機驅(qū)動板接口，其具體電路如圖1-2-21所示。在j13接口中引入了t1_ch1、t1_ch1n、t1_ch2、t1_ch2n、t1_ch2、t1_ch2n用于控制電機的三相六極；t3_1_h1、t3_2_h2、t

18、3_3_h3用于連接霍爾傳感器，t4_1_b1、t4_2_b2用于連接編碼器；adc_1、adc_2、adc_3、adc_t用于采集三相電流和驅(qū)動板上的溫度；t1_bkin用作緊急按鈕用。同時可以為開發(fā)板提供3.3v和5.0v電源。 圖 1-2-21 電機驅(qū)動板接口1.3 開發(fā)板元器件布局圖openm3v開發(fā)板原件布局如圖1-3-1所示。圖1-3-1 開發(fā)板元器件圖1.3.1 跳線器說明openm3v開發(fā)板跳線器說明一覽表見表1-3-1。 表1-3-1 跳線器說明表跳線器io口跳線選擇功能說明j1pc11usb_able此為三端跳線，短接usb_able端時，由pc11控制上拉，短接地時，聯(lián)通

19、上拉電阻。j2pa12usbdp短接時，pa12連接usbdppa11usbdm短接時，pa11連接usbdm，使用usb時，兩個都需短接。j3pb9cantx短接時，pb9連接cantxpb8canrx短接時，pb8連接canrx，使用can時，兩個都需短接。j4-短接時，連接200歐電阻。j5pa9tx1短接時，pa9連接rs232電平轉(zhuǎn)換芯片pa10rx1短接時，pa12連接rs232電平轉(zhuǎn)換芯片pa2tx2短接時，pa12連接rs232電平轉(zhuǎn)換芯片pa3rx2短接時，pa12連接rs232電平轉(zhuǎn)換芯片j6pb10scl2短接時，連接24c02的scl腳pb11sda2短接時，連接24c

20、02的sda腳j7pd8lcd_a0短接時，pd8連接點陣液晶模塊的控制口線pd9lcd_rest短接時，pd9連接點陣液晶模塊的復(fù)位口線pd10lcd_ss短接時，pd10連接點陣液晶模塊的片選口線pb15mosi_2短接時，連接點陣液晶模塊的mosi腳pb13sck_2短接時，連接點陣液晶模塊的sck腳，j8與2.4g模塊有關(guān)pd11pd短接時，pd11連接2.4g無線模塊掉電控制腳pc9irq短接時，pc9連接2.4g無線模塊中斷輸出腳pa8rf_ss短接時，pa8連接2.4g無線模塊片選腳pd15rset短接時，pd15連接2.4g無線模塊復(fù)位腳j9pa0sd_power短接時，pa0

21、連接sd卡電源電控制腳，pc2sd_find短接時，pc2連接sd卡插入判斷腳，pa4sd_ss短接時，pa4連接sd卡片選腳，pa5sck1短接時，pa5連接sd卡sck腳，pa6miso1短接時，pa6連接sd卡miso腳，pa7mosi1短接時，pa7連接sd卡mosi腳，j10pb12flash_ss短接時，pb12連接25p80的片選腳，pb13sck2短接時，pb13連接25p80的sck腳，pb14miso2短接時，pb14連接25p80的miso選腳，pb15mosi2短接時，pb15連接25p80的mosi選腳，j11pb7irq短接時，pb7連接工業(yè)ism頻段無線模塊中斷輸

22、出腳pc0slp短接時，pb7連接工業(yè)ism頻段無線模塊功能腳pc1rset短接時，pb7連接工業(yè)ism頻段無線模塊復(fù)位腳pc13sel短接時，pb7連接工業(yè)ism頻段無線模塊片選腳pa5sck1短接時，pb7連接工業(yè)ism頻段無線模塊sck腳pa6miso1短接時，pb7連接工業(yè)ism頻段無線模塊miso腳pa7mosi1短接時，pb7連接工業(yè)ism頻段無線模塊mosi腳j12vref+vref_mic短接時，參考電源連接語音轉(zhuǎn)換參考電源點vref+vref_3.3短接時，參考電源連接到經(jīng)過隔離的3.3v電源上開發(fā)板上的眾多功能模塊，可以通過跳線與芯片連接或斷開。開發(fā)板上絕大部分采用2針跳線

23、，跳線器的兩邊均標記有其相應(yīng)的功能符號，當跳線短接時，cpu連接功能模塊，當跳線斷開時，cpu和功能模塊斷開，可以作為普通的io口用。在這12個跳線塊中，j1，為三端跳線，可以選擇跳接gnd和usb_able，j12為參考電源跳線塊，當使用adc模塊時，必須選擇一個參考源。一般測試可以選用vref_3.3，當使用語音采集電路時，可以選擇vref_mic。切記，參考源只能跳接一個，跳接vref_3.3時，就不能接vref_mic，反之一樣。j5跳線塊為接通uart1和uart2用，當使用uart1時，必須跳接tx1和rx1這兩個跳線，當使用uart2時，必須跳接tx2和rx2。其他的跳線塊在使用

24、器功能部件時必須全部跳接上。下面對每一個跳線器做詳細 的說明：j1 usb上拉電阻控制j1跳線器，其在開發(fā)板上位置見圖1-3-2所示，是惟一的三端跳線器，跳線器的中間引腳連接上拉電阻控制端。當跳線帽跳接到gnd端時，中間引腳連接到gnd，這時控制端口接入低電平，電路導通，使能上拉電阻。當跳線帽端口跳接到usb_able端口時，上拉電阻控制端與芯片的pc11端口相連，當pc11輸出高電平時，電路截止，失能上拉電阻，當pc11輸出低電平時，電路導通，使能上拉電阻。這時可以在程序中來控制上拉電阻是否有效。j2 usb接口通過跳線器j2的選擇，stm32f103vb的usb數(shù)據(jù)引腳usbdp和usbd

25、m連接到usb接口電路和usb插座上，可以通過usb進行數(shù)據(jù)通信。j2跳線器和usb接口在開發(fā)板上位置見圖1-3-2所示。 圖 1-3-2 usb和can功能模塊在pcb電路板上的位置圖 j3 can接口通過跳線j3的選擇，stm32f103vb的can總線canrx和cantx鏈接到can總線驅(qū)動器上，可以實現(xiàn)can總線通信。開發(fā)板上的can總線驅(qū)動器沒有采用隔離電源和實行電氣隔離，在真正的實際應(yīng)用中，隔離是必不可少的，由于需要隔離，增加了can總線的使用成本。j3跳線器及can接口在開發(fā)板上的位置見圖1-3-3所示。j4 終端網(wǎng)絡(luò)電阻當此設(shè)備處在can總線的終端是，通過j4跳線選擇接入20

26、0歐的終端電阻。當此設(shè)備不是can總線終端設(shè)備時，去掉j4跳線帽，斷開終端電阻。j4跳線器在開發(fā)板上的位置見圖1-3-3所示。j5 uart串口通過j5跳線器的選擇，stm32f103vb的uart1和uart2引腳連接到max3232轉(zhuǎn)換芯片上，進而連通道db9插座上，從而可以進行串口通信。當短接rx1和tx1跳線帽時，uart1串口被連接，當短接rx2和tx2時，uart2串口被連接。uart1和uart2可以獨立被連接使用。j5跳線器及串口在開發(fā)板上的位置見圖1-3-4所示。 圖 1-3-4j6 i2c接口通過跳線器j6的選擇，stm32f103vb芯片的i2c總線scl2和sda2將與

27、開發(fā)板上的24c02相連，芯片可以通過i2c總線對24c02進行讀或?qū)懖僮?。j6和24c02在開發(fā)板上具體位置見圖1-3-5所示。 圖 1-3-5j7 點陣液晶接口通過跳線器j7的選擇，stm32f103vb芯片可以連接到128*64點陣液晶模塊上，以驅(qū)動液晶模塊。芯片通過pd8腳控制液晶模塊a0口，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)和指令的轉(zhuǎn)換，通過pd9腳來控制液晶模塊的復(fù)位腳，通過pd10腳來作為spi選擇液晶模塊的片選腳。液晶模塊連接到芯片的spi2接口。j7跳線器和128*64液晶模塊接口在開發(fā)板上的具體位置見圖1-3-6所示。開發(fā)板標準配置沒有此液晶模塊。 圖 1-3-6j8 2.4g無線模塊接口通過跳線

28、器j8的選擇，stm32f103vb芯片可以連接到2.4g無線模塊上，以驅(qū)動無線模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線通訊完成。開發(fā)板上標準配置沒有2.4g無線模塊，其具體位置見圖1-3-7所示。 圖 1-3-7 j9 sd/tf卡通過跳線器可以選擇，stm32f103vb芯片的spi1可以連接到sd/tf卡接口上。由于tf卡廣泛應(yīng)用于手機和數(shù)碼設(shè)備中，在通用的容量下，有更小的體積，在市場中的占有量大大超過sd卡，具有更大的通用性，在開發(fā)板上沒有選用大多數(shù)開發(fā)板選用的sd卡座，而是選用了更加通用的tf卡座。短接跳線器j9，芯片通過pa0腳，可以控制sd/tf卡的電源開關(guān)；芯片通過對pc2腳電平的讀取，可以獲知tf

29、卡是否插入到卡座中；pa4為sp1是否選擇tf卡通訊的片選腳。j9跳線器和tf卡座在開發(fā)板上具體位置如圖1-3-8所示。j10 flash存儲器通過跳線器j10可以選擇，芯片的spi2接口可以連接到flash存儲器sst25vf016b芯片上，通過spi對sst25vf016b進行讀寫操作。j10跳線器在板上的具體位置見圖1-3-5所示。j11 工業(yè)ism頻段模塊通過跳線器j11的選擇，stm32f103vb芯片可以連接到工業(yè)ism頻段無線模塊上，以驅(qū)動無線模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線通訊完成。開發(fā)板上標準配置沒有工業(yè)ism頻段無線模塊，j11跳線器和工業(yè)ism頻段無線模塊在開發(fā)板上的具體位置見圖1-3-9所示。 圖 1-3-9 j12 adc參考電源通過跳線j12可以選擇不用的adc轉(zhuǎn)換標準源。j12跳線只能選擇一個，或者不選擇。j12跳線器絕對不可以同時選擇，這是和其他跳線器要區(qū)別的地方。當使用adc采集語音數(shù)據(jù)時，需要把j12跳線器的vref_mic短接，vref_3.3要斷開；當進行一般adc轉(zhuǎn)換測試時，短接vref_3.3，斷開vref_mic跳線。也