項目2控制電路設計

項目引入本項目旨在設計一個基于STM32微控制器的控制電路。STM32是由STMicroelectronics公司生產的32位微控制器，它具有高性能、低功耗和豐富的外設等特點，非常適合用于嵌入式系統中。該項目的目標是設計一個可靠、高效、穩定的控制電路，應用于隔離控制器。該控制電路的設計需要考慮到實現必要的控制邏輯和通信協議，完成實現隔離控制器的核心功能。學習目標知識目標理解STM32微控制器最小系統電路結構和特點；掌握控制電路設計中常用的元件及其性能參數；熟悉RS485通信電路結構和特點；了解控制電路設計的相關標準和規范。技能目標能夠獨立完成基于STM32微控制器的控制電路設計；能夠根據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計中遇到的問題。素養目標培養學生自我學習和不斷創新的意識和能力；建立學生團隊合作和溝通協作的能力和意識；培養學生的責任心和社會責任意識，將技術應用于社會生產和人民生活中，為社會發展做出貢獻。項目4控制電路設計任務1MCU核心電路設計任務描述本任務旨在完成MCU的核心電路設計，使其具有穩定可靠、高性能等特點。任務中考慮到MCU模塊的電源管理、時鐘管理、復位電路、外設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，并設計合理的時鐘電路；設計利用前期項目中完成的供電電路保障核心控制電路穩定工作；設計穩定可靠的復位電路，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試接口。知識儲備

一、STM32F103RBT6芯片介紹1.Cortex內核ARM公司在經典處理器ARM11以后的產品改用Cortex命名，并分成A、R和M三類，旨在為不同的市場提供服務，目前全世界超過95%的智能手機和平板電腦都采用ARM架構。Cortex系列屬于ARMv7架構，它是2010年ARM公司最新的指令集架構。ARMv7架構定義了三大分工明確的系列。“A”系列面向尖端高性能的基于虛擬內存的操作系統和用戶應用；“R”系列：面向實時操作系統；“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）架構的處理器技術，最初由英國公司ARMHoldings開發和推廣。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架構的許可證，可以使用ARM的核心和相關技術來設計和生產各種芯片產品，包括微控制器、數字信號處理器和其他應用特定集成電路等。STM32是ST公司生產的一系列32位微控制器產品，它采用了ARMCortex-M內核，并提供豐富的外設和通訊接口。2.ST意法半導體的產品命名主控芯片選擇STM32F103R8T6，它是意法半導體在MCU領域推出的非常經典的芯片系列，因其強大的功能和豐富的內部資源，以及眾多的使用者和學習資料。可以是將其作為入門的芯片，它在嵌入式領域應用極廣。2.ST意法半導體的產品命名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公司的芯片產品命名規則如圖4-1所示。3.STM32F103R8T6規格書意法半導體官方提供了規格書和使用手冊，其中芯片規格書封面如圖4-2所示。3.STM32F103R8T6規格書規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。除了規格書，官方也提供了應用開發相關的一系列資料，其中最重要的是用戶手冊，如圖4-3所示。3.STM32F103R8T6規格書當用戶在STM32F10X芯片上開發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計建議。用戶可以依據手冊中給出的“最小系統”畫出芯片工作的最簡電路，并在此基礎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，如使用其他規格芯片，可以參考其電路設計，設計圖中細節部分，在手冊的相關章節中都有詳細描述，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，此外由于電路設計稿排版問題，編程接口電路沒有在圖4-6中出現，稍后在下文中給出。圖4-6隔離控制器核心電路二、核心控制電路設計注意圖中芯片為LQFP64封裝，在芯片規格書中可以找到該芯片的封裝參數，如圖4-7所示。圖4-7LQFP64封裝二、核心控制電路設計芯片的供電部分在前述DC-DC設計中已有，但芯片的供電引腳有多個，具體可以參考規格書的引腳說明，在硬件設計手冊中也有相關描述，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、核心控制電路設計芯片外圍電路中設計有復位電路，當芯片上電時，會產生復位信號，當復位信號穩定時，芯片開始穩定運行，如果需要，可以在芯片運行過程中觸發復位信號，這會讓芯片重新啟動運行，所以復位電路往往設計有按鍵或撥碼開關，幫助用戶在需要時可以將設備復位重啟。有關復位電路的作用和其中元件的選擇，在官方的硬件設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、核心控制電路設計一般STM32芯片運行，需要有一個運行時鐘，穩定的時鐘脈沖可以協調芯片各個部件依程序設定運行，此運行時鐘脈沖可以有多個途徑提供，在芯片內部就有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時方便調試輸出信息，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，其配置方式在相關手冊中有說明，見表4-1。表4-1BOOT模式二、核心控制電路設計當需要通過串口燒寫程序時，可以將