EDA训练STM32最小系统.docx
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EDA训练STM32最小系统
EDA训练
题目STM32最小系统
班级XXXX
学号XXX
姓名XXX
时间XXXX
XXX大学
EDA训练任务书
姓名XXX__班级__XXX指导老师XXX
设计课题:
STM32最小系统
设计任务与要求
查找一个感兴趣的电工电子技术应用电路,要求电子元件50个以上,根据应用电路的功能,确定封面上的题目,然后完成以下任务:
1、分析电路由几个部分组成,并用方框图对它进行整体描述;
2、对电路的每个部分进行分别单独说明,画出对应的单元电路,分析电路原理、元件参数、所起的作用、以及与其他部分电路的关系等等;
3、用Protel软件或其他EDA软件绘出整体电路图,进行实验分析和绘制PCB,并在图中的标题栏中加上自己的班级名称、学号、姓名等信息;
4、对整体电路原理进行完整功能描述;
5、列出标准的元件清单;
6、其他。
设计步骤
1、查阅相关资料,开始撰写设计说明书;
2、先给出总体方案并对工作原理进行大致的说明;
3、依次对各部分分别给出单元电路,并进行相应的原理、参数分析计算、功能以及与其他部分电路的关系等等说明;
4、总体电路的绘制,实验分析和绘制PCB及总体电路原理相关说明;
5、其他
6、列出标准的元件清单;
7、列出设计中所涉及的所有参考文献资料。
设计说明书字数不得少于5000字
参考文献
李宁.基于MDK的STM32处理器开发应用.北京:
北京航空航天大学出版社,2008
王永虹,郝立平.STM32系列ARMCortex-M3微控制器原理与实践.北京:
北京航空航天大学出版社,2008
张睿编著.AltiumDesigner6.0原理图与PCB设计.北京:
电子工业出版社,2007
刘小伟,刘宇,温培和编著.Altiumdesigner6.0电路设计实用教程.北京:
电子工业出版社,2007.2
1、总体方案与原理说明
本设计采用如今最热门的ARMCortex-M3内核的微控制器——STM32,设计一个该微控制器的最小核心系统及其下载器。
作为最小系统,应该包含微控制器一些必须的电路如复位、晶振等,还应该有扩展接口将微控制器的I/O口引出,并且去处多数非必须的外设电路(如数码管、外置AD/DA等)。
此STM32最小系统包括以下几个部分:
微控制器、电源、晶振复位、下载口、扩展口、按键和LED以及一个用于下载仿真调试的H-JTAG。
几部分电路的框图如下:
图1系统框图
本次设计采用的是意法公司推出的STM32F103R系列的微控制器,其核心是由ARM公司设计的Cortex-M3内核,其是面向低功耗、低成本、高性能的应用场合。
Cortex-M3仅33000门却能达到1.2DMIPS/MHz的内核性能。
该系列微控制器包含强大的核心处理器及丰富的内部外设资源,而且意法公司对该微控制器编写了标准库函数,大大降低了对初学者的难度。
为方便开发学习人员,整个系统通过电脑的USB口供电。
可以利用H-JTAG或其它调试仿真器对微控制器进行编程烧录,附加的按键和LED可以对系统进行简单测试,如果需要添加外部电路,如串口通信、液晶等,可通过扩展接口引出。
2、单元电路1——核心系统
图2核心系统
核心系统是本次设计的最主要部分,其主要部分同样是总系统的主要部分是STM32F103R系列的LQFP64封装的微控制器。
STM32F103R系列微控制器可以工作在最高72MHz的主频,2.0V到3.6V供电,内置高速存储器,还包含丰富的内部外设资源,如SPI、IIC、UART、CAN、ADC、定时器等等。
该系列微控制器共有64个引脚,其中I/O口最多为51个,均全部引出。
电源引脚有10个,每对电源引脚上都接上一个0.1μF的旁路电容,再接上一个10μF的钽电容来确保系统的稳定性。
由于该微控制器内部还带有A/D,因此还有一对模拟电源引脚,通过一个10μH的电感滤波。
还有一个用于RTC的备用电池引脚VBAT,当使用了RTC功能时需要将该引脚连接到电池。
如果不使用该功能,则需要通过0Ω电阻将其与系统电源连接到一起。
系统时钟有几种方案,此处采用最常见的一种。
引脚5、6为系统外部主振荡器引脚,其连接一个8M的晶振,选用20pF的负载电容。
引脚3、4为芯片的RTC(实时时钟)提供时钟源,连接一个32.768K的晶振,选用10pF的负载电容。
由于该微控制器内部自带振荡器,因此外部晶振和RTC时钟电路不是必须的,因此不需要时可以不安装这些元器件。
系统复位引脚采用简单的RC电路,上电时电容上充电,复位引脚上的电压由0V逐渐升高,直至系统电压,达到复位效果,稳定后若按下复位按键,系统也会复位。
由于该系列微控制器有三种启动模式,因此还有两个用于选择启动模式的跳线插针用于选择启动模式。
3、单元电路2——电源
图3电源
该电路单元是系统的电源部分,采用USB供电,通常USB端口可以提供最大500mA的电流,对于一个最小系统足够,由于作为系统核心的STM32微控制器是工作在2.0V至3.6V,而多数器件是工作在3.3V的电源系统,因此采用常见的LDO(低压差电压调节器)LM1117-3.3将5V直流电转换到系统所需的3.3V。
LM1117-3.3输出为3.3V,输出电压的精度在±1%以内,并可以提供最大800mA的电流(当然USB提供不了800mA,故LM1117-3.3也提供不到800mA,但可以满足系统)。
除了USB外,还可以通过插针对系统提供5V直流电源,因此在USB或外加的5V电源到LDO之间添加了一个二极管防止电源极性接反导致烧毁系统。
由于压差关系此处选用1N5819肖特基二极管,其最大正向电流为1A,1A时的压降仅为0.6V并且电流越小压降越小。
LDO前后各加一个10μF的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。
另外增加一个LED作为电源指示,其串联一个电阻接入电源,为使LED不刺眼,选取的限流电阻稍大。
最后还引出3个电源插针方便用户,可以作为输出(系统无电时也可作为输入,但要注意极性方向)。
4、单元电路3——扩展接口
图4扩展接口
该部分电路为系统扩展接口,其将微控制器所有可用的I/O全部引出,包括RTC占用的引脚,并使用0Ω电阻作为跳线选择使用哪个功能。
需要注意的是此处将下载调试用的JTAG占用的引脚也因出来了,当这些端口作为I/O时会导致下次系统下载调试的失败,因此一般不要使用这些引脚。
两个端口两端还引出3.3V电源和5V电源,可以对外供电,但不能负载过大电流。
5、单元电路4——下载接口
图5下载接口
STM32微控制器一般采用的是标准JTAG接口对其进行调试仿真,而且为了提高资源利用率,还可以使用两线制的SW-DP接口,两者引脚复用。
JTAG是一种国际标准测试协议,现在多数的高级器件都支持JTAG协议。
此电路采用的是标准JTAG,其相应管脚连接到微控制器即可,某些管脚加个上拉或下拉电阻,可以连接到H-JTAG或J-LINK等调试仿真器。
6、单元电路5——按键和LED
图6按键和LED
该部分电路比较简单,而且不是必须的,可以作为简单程序的验证测试。
按键作为事件输入,LED作为输出显示。
当连接LED的I/O口输出低电平时点亮LED,输出高电平时熄灭LED。
若要识别按键则应该设置I/O口为输入,由于STM32内部可以设置I/O为带上拉电阻的输入模式,此处就省略了外部上拉电阻。
读取I/O口的高低电平可以确定按键状态。
通过短路帽选择其是否接入电路。
7、单元电路6——H-JTAG
图7H-JTAG
本次设计还包含一个简易调试器——H-JTAG,该电路根据H-JTAG提供的电路设计,利用一片74HC244作为缓冲器,也可以使用其它三态缓冲器芯片。
74HC244是一个八同相三态缓冲器/线驱动器,此处只使用了其中4个缓冲器,分别连接到JTAG的TDI、TDO、TMS和TCK。
JTAG还有一个nTRST引脚,通过由三极管组成简易反相器与并口相连接。
使用这样一个三态缓冲器的作用是:
第一保证了驱动电流,第二保护了电脑的并口。
H-JTAG可用于多数ARM芯片的下载仿真调试,简单而又经济,缺点是速度稍慢,而且需要电脑有并口。
两个LED分别作为电源和下载状态的指示。
0.1μF和10μF作为电源滤波。
8、总体电路原理相关说明
基本上以上全部电路包含了最小系统的全部,它是能够是微控制器独立运行的最小单元,而且将所有的可用I/O口全部引出,方便扩展应用,而且对于一些可选功能处设置了跳线,易于配制为各种方案。
通过USB给核心板供电,微控制器上电后由于复位电路的作用而复位,程序从零地址开始执行,微控制器开始工作。
当按下复位按键时系统再次复位。
需要调试下载新程序时,有几种方案。
一种是通过调试仿真器进行下载调试,以此次设计的H-JTAG为例,将核心板与H-JTAG通过JTAG接口连接,H-JTAG的另一端与主机PC相连接,并配制好相应软件,就可以进行调试下载新程序了。
该核心板还可以通过其他调试仿真器进行下载仿真,如J-LINK,其支持的器件比较多,而且是采用USB方式,速度也快,也是连接到核心板的JTAG口。
以这种下载仿真器方式下载调试时启动跳线都一直固定接地即可。
还一种是通过串口下载,需要另接一个串口电平转换接口连接到微控制器的串口,并且总要配制启动跳线,操作复杂,而且速度慢,但电路简单,只需主机PC要有串口,比较经济,还是可以采用的。
9、PCB设计
此次设计还包括了系统的PCB设计。
将核心板和下载线分为两个单独的模块设计,PCB如下图所示。
图8核心板布线
图9下载线布线
10、总体电路原理图
图10总体电路原理图1——核心板
图11总体电路原理图2——下载线
11、总体电路PCB图
图12总体电路PCB图
12、元件清单
序号
元件标号
元件参数规格型号
数量
1
C1,C2
20pF瓷片电容
2
2
C3,C5,C10,C11,C12,C13,C14
0.1μF瓷片电容
7
3
C7,C8
10pF瓷片电容
2
4
C4,C6,C9,C15
10μF/16V钽电容
4
5
D1
肖特基二极管1N5819
1
6
D2,D3,D4,D5,D6
发光二极管
5
8
J1
25针D型公口接头
1
9
L1
10μH电感
1
10
Q1
三极管S8050
1
11
P1
USBB型或mini-B型母座
1
12
P2,P3,P4
3PIN单排针
3
13
P5,P7
2x15PIN双排针
2
14
P6
2x4PIN双排针
1
15
P8,CZ1
2x10PIN简易牛角座
2
16
R1,R4,R5,R6,R7,R8,R18,R20
10kΩ电阻
8
17
R2,R13,R14,R15,R16
0Ω电阻
5
18
R3,R9,R10,R25,R26
1kΩ电阻
5
19
R11,R12
470Ω电阻
2
20
R17,R21,R22,R23,R24
51Ω电阻
5
21
R19
47kΩ电阻
1
22
S1,S2,S3
轻触按键
3
23
U1
LM1117-3.3
1
24
U2
STM32F103Rx
1
25
U3
74HC244
1
26
Y1
8M无源晶振
1
27
Y2
32.768K无源晶振
1
参考文献
[1]李宁.基于MDK的STM32处理器开发应用.北京:
北京航空航天大学出版社,2008
[2]王永虹,郝立平.STM32系列ARMCortex-M3微控制器原理与实践.北京:
北京航空航天大学出版社,2008
[3]意法半导体公司.STM32F103CDE增强型系列数据手册.pdf.意法半导体公司,2009.3
[4]意法半导体公司.STM32F10x微控制器参考手册.pdf.意法半导体公司,2009.12
[5]意法半导体公司.STM32F10xxxhardwaredevelopmentV5.pdf.意法半导体公司,2010.10
[6]张睿编著.AltiumDesigner6.0原理图与PCB设计.北京:
电子工业出版社,2007
[7]刘小伟,刘宇,温培和编著.Altiumdesigner6.0电路设计实用教程.北京:
电子工业出版社,2007.2
[8]北京三恒星科技公司编著.AltiumDesigner6设计教程.北京:
电子工业出版社,2007
设计心得体会
此次设计基于STM32的最小系统虽然比较简单,但也算是一个完整系统。
使用了AltiumDesigner(Protel的升级版本)设计了这个STM32F103Rx系列微控制器的最小系统,包括原理图和PCB的绘制,巩固了对EDA软件的使用。
借助EDA软件高效快速的完成了本次设计,EDA技术极大地提高了电路设计的效率和可操作性,减轻了设计者的劳动强度,EDA技术也将发展的越来越强大。
虽然由于学校培养方向的关系未曾开设过类似课程,但作为一个电子专业的学生,这些基本的EDA软件还是需要掌握的,因此此次EDA实训还算顺利。
由于时间关系,此次设计只涉及EDA技术的电路设计及PCB设计,选用的软件也仅为AltiumDesigner,有机会还应该学习和掌握下其它EDA技术,如仿真工具的使用,数字系统设计等。
由于此次设计的是STM32的最小系统,因此对系统的扩展性让我设计方案时考虑了很久,主要是有些功能的复用选择,还有是否增加一个RS232电平转换来支持串口下载等问题,考虑到JTAG的普遍性和通用性,就未增加串口下载电路了。
此次设计不但巩固了对EDA软件的使用,还锻炼了设计报告的编写和排版,一个好的作品不但要有出色的设计,还需要详实的文字表达,设计报告不单单是对办公软件的熟悉及文字的撰写,更多的是锻炼我们对一个工程的总结,使我们的设计更加规范化。
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