電路設(shè)計與制作（含活頁式實訓工單） 課件 項目4 任務(wù)1 MCU核心電路設(shè)計

項目2控制電路設(shè)計

項目引入本項目旨在設(shè)計一個基于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，非常適合用于嵌入式系統(tǒng)中。該項目的目標是設(shè)計一個可靠、高效、穩(wěn)定的控制電路，應用于隔離控制器。該控制電路的設(shè)計需要考慮到實現(xiàn)必要的控制邏輯和通信協(xié)議，完成實現(xiàn)隔離控制器的核心功能。學習目標知識目標理解STM32微控制器最小系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)和特點；掌握控制電路設(shè)計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；了解控制電路設(shè)計的相關(guān)標準和規(guī)范。技能目標能夠獨立完成基于STM32微控制器的控制電路設(shè)計；能夠根據(jù)實際需求選擇合適的通信電路；能夠運用所學知識解決控制電路設(shè)計中遇到的問題。素養(yǎng)目標培養(yǎng)學生自我學習和不斷創(chuàng)新的意識和能力；建立學生團隊合作和溝通協(xié)作的能力和意識；培養(yǎng)學生的責任心和社會責任意識，將技術(shù)應用于社會生產(chǎn)和人民生活中，為社會發(fā)展做出貢獻。項目4控制電路設(shè)計任務(wù)1MCU核心電路設(shè)計任務(wù)描述本任務(wù)旨在完成MCU的核心電路設(shè)計，使其具有穩(wěn)定可靠、高性能等特點。任務(wù)中考慮到MCU模塊的電源管理、時鐘管理、復位電路、外設(shè)的接口電路等方面的要求，并且保證電路布局合理，信號傳輸良好，抗干擾能力強。電路需要選擇適合MCU的時鐘源，并設(shè)計合理的時鐘電路；設(shè)計利用前期項目中完成的供電電路保障核心控制電路穩(wěn)定工作；設(shè)計穩(wěn)定可靠的復位電路，確保MCU在異常情況下可以正常運行；還需要考慮到固件燒寫和調(diào)試接口。知識儲備

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，旨在為不同的市場提供服務(wù)，目前全世界超過95%的智能手機和平板電腦都采用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)和用戶應用；“R”系列：面向?qū)崟r操作系統(tǒng)；“M”系列：面向微控制器。知識補充ARM（AdvancedRISCMachines）是一種基于精簡指令集（RISC）架構(gòu)的處理器技術(shù)，最初由英國公司ARMHoldings開發(fā)和推廣。STMicroelectronics（簡稱ST）一家總部位于瑞士的全球性半導體公司，與ARM公司合作已超過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)來設(shè)計和生產(chǎn)各種芯片產(chǎn)品，包括微控制器、數(shù)字信號處理器和其他應用特定集成電路等。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意法半導體的產(chǎn)品命名主控芯片選擇STM32F103R8T6，它是意法半導體在MCU領(lǐng)域推出的非常經(jīng)典的芯片系列，因其強大的功能和豐富的內(nèi)部資源，以及眾多的使用者和學習資料?？梢允菍⑵渥鳛槿腴T的芯片，它在嵌入式領(lǐng)域應用極廣。2.ST意法半導體的產(chǎn)品命名ST的MCU系列種類繁多，光是芯片選型手冊就有幾十頁。他們公司有一套命名規(guī)則，用來幫助使用者合理高效地進行芯片的選擇。ST公司的芯片產(chǎn)品命名規(guī)則如圖4-1所示。3.STM32F103R8T6規(guī)格書意法半導體官方提供了規(guī)格書和使用手冊，其中芯片規(guī)格書封面如圖4-2所示。3.STM32F103R8T6規(guī)格書規(guī)格書中提供了很多有用信息，包括芯片的電氣特性，機械封裝等。除了規(guī)格書，官方也提供了應用開發(fā)相關(guān)的一系列資料，其中最重要的是用戶手冊，如圖4-3所示。3.STM32F103R8T6規(guī)格書當用戶在STM32F10X芯片上開發(fā)控制程序時就需要參考上圖的手冊，用戶手冊由官方提供，手冊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.電路參考意法半導體官方同樣提供了芯片硬件設(shè)計的參考手冊，如圖4-4所示。4.電路參考手冊中給出了硬件電路設(shè)計的建議，同時也給出了參考電路，參考電路不包括外圍接口電路，但對外圍電路同樣給出了設(shè)計建議。用戶可以依據(jù)手冊中給出的“最小系統(tǒng)”畫出芯片工作的最簡電路，并在此基礎(chǔ)上加上具體應用的外圍電路。手冊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，設(shè)計圖中細節(jié)部分，在手冊的相關(guān)章節(jié)中都有詳細描述，包括供電、編程接口、晶振、復位等。二、核心控制電路設(shè)計隔離控制器電路中，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)計圖中包括了STM32的核心控制電路，包括芯片供電、外圍時鐘電路、復位電路等，此外由于電路設(shè)計稿排版問題，編程接口電路沒有在圖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)計注意圖中芯片為LQFP64封裝，在芯片規(guī)格書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)計芯片的供電部分在前述DC-DC設(shè)計中已有，但芯片的供電引腳有多個，具體可以參考規(guī)格書的引腳說明，在硬件設(shè)計手冊中也有相關(guān)描述，需要注意的是，每個供電引腳附近應當依照手冊建議給出旁路濾波電容。在繪制原理圖時，出于方便可將這些電路繪制在一起，但具體布線時，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)計芯片外圍電路中設(shè)計有復位電路，當芯片上電時，會產(chǎn)生復位信號，當復位信號穩(wěn)定時，芯片開始穩(wěn)定運行，如果需要，可以在芯片運行過程中觸發(fā)復位信號，這會讓芯片重新啟動運行，所以復位電路往往設(shè)計有按鍵或撥碼開關(guān)，幫助用戶在需要時可以將設(shè)備復位重啟。有關(guān)復位電路的作用和其中元件的選擇，在官方的硬件設(shè)計手冊中都有具體的說明。電路中復位部分如圖4-9所示,圖中BOOT0的連接會在下文說明。二、核心控制電路設(shè)計一般STM32芯片運行，需要有一個運行時鐘，穩(wěn)定的時鐘脈沖可以協(xié)調(diào)芯片各個部件依程序設(shè)定運行，此運行時鐘脈沖可以有多個途徑提供，在芯片內(nèi)部就有RC時鐘，但此時鐘提供的運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STM32的芯片需要寫入程序才能工作，燒寫程序需要工具和接口，工具是燒寫電纜，接口可以選擇多種，具體可以有3種：串口、JTAG、SWD，這三種接口的說明可以參看用戶手冊，在這里我們選擇SWD接口，這種接口需要占用的口線較少，電路簡單。具體接口電路如圖4-11所示。二、核心控制電路設(shè)計圖中Prog5x2的牛角座，排針間距是2.54mm，SW_DIO是SWD接口中的SWD信號線，SW_CLK是SWD接口中的CLK信號線，SW_OUT是SWD接口中的SWO信號，VCC是5V的供電口，VDD是3.3V的供電口，NRST是復位信號，GNDD和VSS是接地信號，TXD1和RXD1是串口通信信號線。二、核心控制電路設(shè)計實際上，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是為了后期程序開發(fā)時方便調(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)計值得注意的是，STM32可以通過串口燒寫程序，但需要通過BOOT0和BOOT1口線的設(shè)置來配合，STM32的串口編程或正常運行需要考慮這兩根口線的配置，其配置方式在相關(guān)手冊中有說明，見表4-1。表4-1BOOT模式二、核心控制電路設(shè)計當需要通過串口燒寫程序時，可以將