STM32主控芯片硬件设计总结

STM32主控芯片硬件设计总结

我记的有点过于多了。。。

因为想多学一点所以弄了这么多字的笔记，重要的会加粗标注的。

1. 晶振电路设计

   • 通常情况下，STM32芯片的原理图会使用两个晶振，而在进行晶振贴片时，由于晶振的体积比四周的电阻体积大很多，晶振会占用较多的空间。这对我们制作一些超小型电路板是不利的，因为板子空间有限。

   • 低速晶振与高速晶振的区别

     • 低速晶振（32.768kHz）：

       连接LSE，最终到达RTC。

       对于掉电后不需要记录系统时间的电路板，我们将低速晶振舍去。

     • 高速晶振（8MHz）：

       连接HSE，最终到达 SYSCLK。

       SYSCLK是系统时钟，不可缺少。

       对于STM32电路板，外部高速晶振需要保留，为芯片提供系统时钟。

   • 晶振的起振电容（负载电容）

     • 定义：

       晶振的两条引线连接 IC 块内部及外部所有有效电容之和

     • 意义：

       晶振的标称值在测试时有一个“负载电容”的条件，在工作时满足这个条件，振荡频率才与标称值一致。

       它只用于保持固定的电压值，不起其他的作用。

     • 性质：

       负载频率不同决定振荡器的振荡频率不同。标称频率相同的晶振，负载电容不一定相同。

   • 晶振两端的电阻电容

     • 电容（匹配电容）：

       只有在外部所接电容为匹配电容的情况下，振荡频率才能保证在标称频率附近的误差范围内。

       一般大小为 30pF 左右

       可以调整这两个电容的大小来微调振荡频率，可调范围在 10ppm 量级

     • 常见问题：

       1. 晶振出现有时振有时不振：

          晶振负载与两端电容不匹配

       2. 晶振本身有问题：

          有寄生电容、阻抗值波动大、内部焊点不牢。

       3. 晶振装在板上不行，用电热风吹一下、拆下来重装就好了：

          晶振负载与两端电容不匹配造成频率偏差太大，电热风实际改变了电路的杂散电容

       4. 晶振负载与晶振两端的电容的匹配：

          \[C_{L}=\frac{C_{1}*C_{2}}{C_{1}+C_{2}+C^{''}} \]

          其中\(C_{L}\) 是晶振的负载电容值，$$C_{1}、C_{2}$$ 是晶振两端的电容值，\(C^{''}\) 是线路杂散电容。

2. 复位电路设计

   • 用处：

     初始化每个寄存器，包括PC指针，不包括RAM，单片机从复位地址开始执行程序。

     我的理解是指针全部偏移到初始位置，复原除了地址之外的所以值，因为地址是不能重复分配的。

   • 准备：

     • 复位信号：

       每一种复位方式对应一种信号。

       • 硬件复位：复位管脚低电平电压需要小于0.8V，输入脉冲时间为100ns。所以只需要在NRST管脚给小于0.8V的电压，持续时间为100ns就可以b实现复位

     • CPU正常工作、电源正常工作

   • 设计：

     • RC充电电路：

       电荷在极板上聚集的过程叫做瞬态过程。

       一开始，电荷聚集的速度很快，导致电压急剧增加，但是速率变慢。

     • 用指数函数来表示：

       

     • 更进一步的来说，电容的大小反映了电容电压的变化的程度。电容越大，时间常数越大。

     • STM32单片机复位电路设计

       • 原理：

         我们可以根据上述的RC充电原理，参考一个电阻和电容串联，中间段连接至STM32复位管脚。

         为了保证复位的时间很短，当在一个时间常数时，电压为电源电压的0.632倍，若\(V_{CC}=3.3V\) 那么一个时间常数的电压为1.21V，不满足我们的需求，2个时间常数时为0.462V，满足要求。

         时间为100ms,2RC=20ms,RC=10ms，可以选择R=10K,C=10uF

       • 原理图电路设计：

         刚接上电的时候，电路为低电平，这个时候单片机复位。

         一个时间常数之后，NRST为高电平。之后一直保持高电平。

         没错就是这个最简单的小电路，还有挺多小学问嘞。

         

       • 手动复位

         手动复位也很简单，加入一个按钮，按键按下时NRST为低电平，此时复位。

         

3. 启动模式选择以及下载调试电路

   • SMT32的存储器类型

     • 组织架构：

       程序存储器、数据存储器、寄存器、I/O端口排列在同意顺序的4GB地址空间内。

     • 嵌入式Flash（闪存）：

       Flash接口：

       • 可管理CPU通过AHB I-Code和D-Code对Flash进行访问

       • 可针对Flash执行擦除和编程操作，并实施读写保护机制。

       Flash结构：

       • 主存储块

       • 系统存储器

       • 512字节OTP（一次性可编程）

       • 选项字节

       嵌入式SRAM:

       STM32F405xx/07xx 和 STM32F415xx/17xx 带有 4 KB 备份 SRAM和 192 KB 系统 SRAM 。

   • STM32的启动

     • 启动流程：

       1. 硬件选择启动模式

       2. 读取启动模式对应的存储器的中断向量表

       3. 初始化栈

       4. 初始化PC指针，指向 Reset_hander

       5. 初始化系统时钟

       6. 执行C库函数main

          

     • 什么是中断向量表？

       中断向量表本质上是一个32位整数数组，当他存储了发生异常时需要执行对应任务函数的地址，当发生异常情况时，会将对应的地址幅值给PC寄存器，进而执行任务。

       

   • BOOT引脚的配置

     可以通过BOOT引脚选择三种不同的启动模式，

     

     

     • 如何配置：

       在MCU复位后，在SYSCLK的第四个上升沿锁存BOOT引脚值。复位后，通过设置BOOT1和BOOT0引脚来选择启动方式。

     • BOOT的启动方式：

       • 当设置 BOOT0=0的时候，系统会选择Flash的主存储块作为启动空间。

         这意味着起始地址为0x0800 0000，复位之后PC指针也指向此处。

       • Flash锁死的调试方法：

         • 可以调整BOOT引脚的配置（从系统存储器、SRAM启动）
         • 重新烧录程序

       • 当设置BOOT0=1,BOOT1=0时，选择系统存储器作为启动空间，即中断向量表定位于Flash的系统存储区域

         这意味着起始（中断入口）地址：0x1FFF 0000

         通常使用这种启动方式来实现串口下载程序，BootLoader负责下载程序的时候对芯片内部的Flash进行擦除于编写。在使用ISP下载完程序后需要将启动方式重新调整为Flash启动模式（即将BOOT0=0）

       • 当设置BOOT0=1,BOOT1=1时，选择嵌入式SRAM（静态随机存储器）作为启动空间，即中断向量表定位于系统SRAM存储区域。

         这意味着起始地址为0x2000 0000，复位之后PC指针也指向此处。

         一般是编写一些小程序用来扫描所有的I/O口，然后再上测试信号，借此检测所有焊接是否正常，这样不必触动Flash中的程序。

   • 启动软件配置

     • F10系列启动文件：

       

     • 启动文件内容：

       1. 初始化堆

       2. 初始化栈

       3. 配置中断处理函数Reset_Handler

       4. 配置系统时钟

       5. 通过C/C++标准实时库的_main函数，跳转到.C文件的main函数

       6. 用户堆栈配置

       实则是对一大堆数据结构进行预处理然后执行main。我明白了。:happy:

4. 三种下载方式

   • ISP（In System Programing，在系统编程）

     • ISP是一种无需将芯片从电路板上取下，就能对其内部程序进行烧录、更新的技术。

       MCU 要能进行 ISP 操作，得处于能执行程序的状态，不仅要上电，还得有晶振。而且得预先把 ISP 相关的代码烧录到 LDROM（这里可理解为一块特定的存储区域）里。

       烧录的范围只限于 APROM（应用程序存储区）、DataFlash（数据闪存，用于存储数据）或者 CONFIG（配置信息存储区）。即便芯片处于 LOCK（锁定，防止程序被随意篡改等）状态，也能更新这些区块里的内容。因为烧录动作由 ISP - code 控制，所以给系统设计者很大的灵活度。

     • STM32中的ISP下载方式：

       1. 把 BOOT0 设置为 1，BOOT1 设置为 0，然后按下复位键。

          这样设置后，STM32 就会从 Flash 的系统存储器启动。系统存储器里存着 BootLoader 程序，这是进行 ISP 下载的关键。

       2. 在系统存储器里的 BootLoader 程序的帮助下，把工程生成的.HEX 文件，通过串口助手（比如 FlyMcu ）下载到 STM32 的 Flash 主存储器中。

       3. 把 BOOT0 设置为 0，BOOT1 设置为任意值（用 X 表示），然后按下复位键。此时 STM32 就会从 Flash 的主存储器启动，这样下载好的应用程序就能正常运行了。

   • ICP（In Circuit Programing，在电路编程）

     • MCU 只要处于上电状态，不需要预先在 MCU 内部烧录任何代码。烧录范围能覆盖整个 MCU 芯片。当芯片处于 LOCK（锁定）状态时，没办法直接更新某一个区块。只能先执行 erase - ALL（全擦除）操作，之后才能更新某一区块，然后再逐个把其他区块烧录回去。

     • STM32中的ICP下载方式：

       启动方式是从 Flash 的主存储器启动（设置 BOOT0 = 0，BOOT1 为任意值，用 X 表示）。

       一般是通过 JTAG、SWD来进行程序下载。

   • IAP（In Applicating Programing，在应用编程）

     • MCU 在运行的状态下，利用 ISP 的机制，不借助外接工具的帮助，就可以去更新 APROM（应用程序存储区）、DataFlash（数据闪存）或者 CONFIG（配置信息存储区）。

     • IAP相关说明：

       ICP 是直接把程序下载到 Flash 中

       ISP 则是通过 BootLoader 程序下载到 Flash 中。

       虽然 ISP 里的 BootLoader 程序用户通常不可以直接更改，但用户是可以自己定义类似功能的程序的。

       接口可以通过有线和无线的方式进行下载。

5. 三种硬件电路

   • 串口ISP电路

     

     在使用串口下载ISP的时候，将BOOT0上拉，接到3.3V，将BOOT1接GND。

     

   • JTAG下载调试电路

     

   • SWD下载调试电路。

     SWD在高速模式下要比JTAG模式更加可用。

     我们在使用SWD模式时，对BOOT0和BOOT1需要做如下处理，

     将BOOT0悬空（或接高电平），将BOOT1经过一个10K的下拉电阻拉低。

     

6. 电源电路设计

   • 电源介绍：

     • 电压：1.8V~3.6V

     • 类型：数字电源VDD、模拟电源VDDA、备份电源VBAT。

     • 调压器：输出电压约为1.2V

       运行模式：调压器为 1.2 V 域（内核、存储器和数字外设）提供全功率。

       停止模式：调压器为 1.2 V 域提供低功率，保留寄存器和内部 SRAM 中的内容。

       待机模式：调压器掉电。除待机电路和备份域外，寄存器和 SRAM 的内容都将丢失。

       

   • 供电电路设计

     车上的供电电压为24V，单片机的电压要求为3.3V，我们对24V的电压进行输入降压。

     经过24-5-3.3的降压给到单片机。