簡(jiǎn)析STM32單片機(jī)原理及硬件電路設(shè)計(jì)

1、第 34 卷 第 6 期大慶師范學(xué)院學(xué)報(bào)Vol. 34 No. 62014 年 11 月JOUNAL OF DAQING NOMAL UNIVESITYNovember，2014DOI 10 13356 / j cnki jdnu 2095 0063 2014 06 005簡(jiǎn)析 STM32 單片機(jī)原理及硬件電路設(shè)計(jì)譚淑梅( 大慶師范學(xué)院 物理與電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163712)摘 要: STM32 是一款性能優(yōu)良的嵌入式芯片，在目前的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占有主流地位。通過(guò)對(duì) STM32 的各類(lèi) 硬件接口進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，使得對(duì)該類(lèi)嵌入式芯片的理解更加深入。因此，對(duì) STM32 的硬件電路設(shè)

2、計(jì)進(jìn)行分析和研 究具有重要的意義。關(guān)鍵詞: STM32; 硬件電路; 電子設(shè)計(jì)作者簡(jiǎn)介: 譚淑梅( 1964 ) ，女，黑龍江大慶人，大慶師范學(xué)院物理與電氣信息工程學(xué)院副教授，從事物理學(xué)教育 研究。中圖分類(lèi)號(hào): TN911 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 2095 0063( 2014) 06 0021 03 收稿日期: 2014 08 151STM32 概述1 1STM32 ISC 系統(tǒng)架構(gòu)STM32 系列高處理速度產(chǎn)品是 ST 公司最近幾年推出的一系列用來(lái)取代 51 和所有低端單片機(jī)的新型 處理器，內(nèi)置資源豐富，集成 12 位 AD 和兩路高級(jí)定時(shí)器，專(zhuān)為嵌入式應(yīng)用底層化而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的新型 C

3、or- tex M3 內(nèi)核。STM32 系列新型單片機(jī)按其性能和存儲(chǔ)空間的大小可分為兩類(lèi): 增強(qiáng)型系列和通用型系 列。這二者在時(shí)鐘頻率上有著明顯的區(qū)別，增強(qiáng)型系列 MCU 時(shí)鐘頻率最高可達(dá) 72MHZ，在同一系列處理 器中性能是尤為突出的了。此外增強(qiáng)和通用兩個(gè)系列都內(nèi)置了一定大小的閃存，只是其容量大小和外設(shè) 接口方式有所差別。1 2STM32 功能STM32 的 CPU 采用的是 72MHZ，是零等待處理器，即在處理數(shù)據(jù)時(shí)不需要響應(yīng)時(shí)間，在一個(gè)機(jī)器周 期里就能實(shí)現(xiàn)乘除法運(yùn)算。該款單片機(jī)有著豐富的 GPIO 接口，共有 114 個(gè)引腳的，其中有 80 個(gè)通用 I / O 口具有兼容 5V 的特性

4、，使得很多 5V 模塊也可以輕松的被 STM32 處理，還可以配置出 16 個(gè)外部中斷，且 內(nèi)部總線上掛載著 2 個(gè) 12 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有可以多重采集和保持采集數(shù)據(jù)的能力，內(nèi)部還集成了溫度 傳感器。由于 STM32 給出的定位是 AM 處理器，所以其各方面性能都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的單片機(jī)，例如其 內(nèi)部集成的定時(shí)器從基本定時(shí)器，通用定時(shí)器再到高級(jí)定時(shí)器，總共多大 7 個(gè)多，此外與外圍設(shè)備的通信 接口也集成了很多接口包括 USAT 接口、SPI 接口、還有 CAN 接口和 USB 2 0 接口，使得 STM32 可以和 大多數(shù)接口協(xié)議的芯片順利完成信息通信。并且其內(nèi)部還集成有 DMA 直接存取寄存

5、器，可以不占用 CPU 的處理時(shí)間而直接將數(shù)據(jù)傳輸給處理器2。1 3GPIO 模式配置STM32 MCU 允許 GPIO 引腳被配置為 8 種模式( 可通過(guò)軟件配置來(lái)實(shí)現(xiàn)) ，所謂 GPIO 即使用 STM32 的通用輸入輸出模式。STM32 的通用輸入輸出引腳被分為 GPIOC GPIOD GPIOG 不同的組，例 如 GPIOA 共有 PA0 到 PA15 共 16 個(gè)不同的引腳，如圖 1 所示。配置模式CNF1CNF0MODE1MODE0PxOD 寄存器通用輸出推挽式( Push Pull)00011011見(jiàn)表 3. 1. 20 或 1開(kāi)漏( Open Drain)10 或 1復(fù)用功能輸

6、出推挽式( Push Pull)10不使用開(kāi)漏( Open Drain)1不使用輸入模擬輸入0000不使用浮空輸入1不使用下拉輸入100上拉輸入11 4I / O 模式和速率的選擇圖 1 結(jié)構(gòu)圖STM32GPIO 可通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn) 2MHZ、10MHZ、50MHZ 等不同速率的輸出模式2。提高這個(gè)速率 可提高 GPIO 端口對(duì)內(nèi)部電路的響應(yīng)速率，可通過(guò)軟件的 MODE 寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì) GPIO 速率的設(shè)置，GPIO 的配置如圖 2 所示:MODE1 0意義00保留01最大輸出速度為 10MHZ10最大輸出速度為 2MHZ11最大輸出速度為 50MHZ圖 2 結(jié)構(gòu)圖STM32 的 GPIO 的

7、輸入模式可配置為模擬輸入、浮空輸入、上拉輸入、下拉輸入 四種模式，同 樣的 GPIO 的輸出模式也可設(shè)置為開(kāi)漏輸出、開(kāi)漏復(fù)用輸出、推挽復(fù)用輸出、推挽輸出 4 種模式，具體的配置模 式如圖 3 所示。2嵌入式硬件電路設(shè)計(jì)2 1ASM1117 供電模塊GPIO Mode AIN = 0x0，模擬輸入 GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04，浮空輸入 GPIO_Mode_IPD = 0x28，下拉輸入GPIO_Mode_IPD = 0x28，上拉輸入GPIO_Mode_Out_PP = 0x10，通用推挽輸出GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C，復(fù)用開(kāi)漏輸出GPIO_Mod

8、e_AF_PP = 0x18，復(fù)用推挽圖 3 I / O 口配置圖STM32 是一款可配置為處于超低功耗模式的 32 位高速高性價(jià)比的 MCU，與傳統(tǒng)的 51 和 AV 單片 機(jī)不同的是，STM32 單片機(jī)僅需通過(guò) USB 線和電腦連接即可完全工作正常。然而，基于 Cortex M3 內(nèi)核 設(shè)計(jì)的 STM32 處理器是一個(gè)供電范圍很寬( 2 0 至 3 6V) 的新型處理器，一般情況采用比較適中的 3 3V 供電，只需在傳統(tǒng) 51 單片機(jī)的電源基礎(chǔ)上通過(guò) ASM1117 進(jìn)行壓降至 3 3V 即可，ASM1117 供電電路通常 會(huì)考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電源本身的波動(dòng)性而選擇在電源輸入和輸出端加上濾

9、波電容，如圖 4 所示。2 2復(fù)位電路的設(shè)計(jì)圖 4 供電模塊當(dāng) STM32 程序不可控及系統(tǒng)整體處于休眠狀態(tài)時(shí)，希望程序可以重新初始化重新執(zhí)行，可以采用重 新上電的方式但更加合理的方案是加上一個(gè)復(fù)位按鍵就可以解決這個(gè)問(wèn)題，也避免了由于重復(fù)的上電斷 電對(duì)系統(tǒng)本身造成的干擾。復(fù)位功能是通過(guò)將電容與單片機(jī)的復(fù)位引腳連接形成回路按鍵時(shí)通過(guò)的充放 電來(lái)完成的，這樣只需要在按鍵的地方加上一個(gè)電容然后形成一個(gè)回路，在按下按鍵的時(shí)候可以讓電容完 22成充放電，如圖 5 和圖 6 所示。2 3外設(shè) ADC 轉(zhuǎn)換電路圖 5 LED 燈圖 6 電路按鍵及復(fù)位電路我們接觸的其實(shí)更多的是模擬量，如電流、濃度、光強(qiáng)、濕度

10、等，都是無(wú)法直接顯示出來(lái)的，為了便于處 理和顯示以及存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)，就需要把這些模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，使其便于人機(jī)交互和單片機(jī)的數(shù)據(jù)處 理。這里以 STM32F103VET6 為核心芯片用到了其掛載的 ADC 外設(shè)，該系列單片機(jī)內(nèi)嵌了 3 個(gè) 12 位的互 相獨(dú)立的 ADC，每個(gè)獨(dú)立的 ADC 有六個(gè)外部通道，這樣三個(gè) AD 就可以測(cè)量 18 路通道，并且可以通過(guò)軟 件配置成單次掃描和多通道混合掃描模式，這樣就不用在外接有關(guān) ADC 轉(zhuǎn)換的芯片了，只需要搭載一個(gè) 模擬輸入量就可以了。該電路設(shè)計(jì)的參考電壓負(fù)極是接地的，如圖 7 所示。2 4串口通信在 ADC 轉(zhuǎn)換過(guò)程中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不能夠直接的表現(xiàn)出來(lái)，

11、而我們希望顯示在電腦上就可以直觀的監(jiān)測(cè)到 數(shù)字量的變化，這時(shí)就只能采用串口通信來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)人機(jī)交互。該電路的核心芯片是 MAX232，該電路的 搭建參照其芯片使用手冊(cè)，按照其經(jīng)典接法連接就可以實(shí)現(xiàn)其功能。通過(guò)軟件配置 STM32 的 PA10 引腳 為其復(fù)用功能，即為 USAT1 的接收引腳，PA9 引腳也配置為其復(fù)用功能，即為 USAT1 的發(fā)送引腳上， 這樣就和電腦的串口接法是一樣的如圖 8 所示。3結(jié)語(yǔ)圖 7 ADC 采樣電路圖 8 串口電路本文首先對(duì) STM32 的系統(tǒng)架構(gòu)和基本功能進(jìn)行了描述，在此基礎(chǔ)上，對(duì) STM32 在供電模塊、復(fù)位電路 設(shè)計(jì)、ADC 轉(zhuǎn)換電路、串口通信等典型電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。通過(guò)這些電路設(shè)計(jì)，可以為 STM32 的應(yīng) 用打下良好的基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)1