1 簡介

今天主要來談?wù)?a target="_blank">MCU的設(shè)計(jì)，我使用過的MCU的型號包括意法半導(dǎo)體的STM32、華大GD32、Infineon的CY8C5868LTI-LP039以及MicroChip的ATSAME70,今天的主角是意法半導(dǎo)體的STM32最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其它MCU電路設(shè)計(jì)后續(xù)進(jìn)行分享。

2 最小系統(tǒng)

STM32的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)都是類似的，今天以STM32F429IGT6為例。STM32最小系統(tǒng)包含了 電源電路 、 配置電路 、 復(fù)位電路 、 時(shí)鐘電路 、下載電路。

2.1 電源電路設(shè)計(jì)

STM32手冊設(shè)計(jì)指導(dǎo)：

• VDD電源

STM32一般采用3.3V供電，根據(jù)手冊VDD的供電范圍1.7V~3.6V，該電源一般用于外部IO，使能內(nèi)部內(nèi)部穩(wěn)壓器，可對外供電。以下是VDD實(shí)戰(zhàn)設(shè)計(jì)電路，VDD的每個(gè)電源引腳附近需要放置一個(gè)0.1uF電容，且每個(gè)0.1uF電容需要放置在相應(yīng)PIN腳附近，另外建議在額外增加1到2個(gè)10uF的電容。

• VDDA電源

VSSA和VDDA的電壓范圍1.7V-3.6V，ADC, DAC,以及Reset模塊的模擬電源。以下是VDDA實(shí)戰(zhàn)設(shè)計(jì)電路，選用3.3V供電，此處R3可能是保守設(shè)計(jì)，用于后期調(diào)試（也有可能用于RC濾波），不建議增加10R電阻。對應(yīng)的位置應(yīng)放置一個(gè)10uF電容和一個(gè)0.1uF電容， 10μF 電容放置在遠(yuǎn)離 IC 的位置，用于平滑電源中的低頻變化， 0.1μF 電容放在靠近 IC的位置，用于平滑高頻電源的變化。小電容器需要更靠近IC，這將更有效過濾IC產(chǎn)生的高頻信號，或更有效地抑制線路引入的高頻信號對IC的影響。

• VBAT電源

VBAT的供電范圍1.65V-3.6V，可作為RTC電源，外部時(shí)鐘32 kHz振蕩器和備份寄存器(通過電源開關(guān))供電。VBAT用于連接紐扣電池，當(dāng)板卡上電時(shí)，該P(yáng)IN腳使用板卡上的3.3V電源，當(dāng)板卡下電時(shí)，使用紐扣電池供電。D1的型號為BAT54C主要有以下兩種場景：

• 當(dāng)板卡上電時(shí)，即端口2為3.3V，端口1為3V，此時(shí)下二極管導(dǎo)通，端口3和端口2電壓近似相等，此時(shí)1端截止，VBAT=3.3V；
• 當(dāng)板卡不上電時(shí)，即端口2浮空，此時(shí)可視為下二極管截止，端口1為3V，上二極管導(dǎo)通，端口3和端口1的電壓近似相等，VBAT=3V；

2.2 控制電路設(shè)計(jì)

• PDR_ON控制

內(nèi)部上電復(fù)位(POR) /下電復(fù)位(PDR)電路通過PDR_ON引腳關(guān)閉。外部電源監(jiān)督員應(yīng)監(jiān)視VDD，只要VDD低于指定的閾值，就應(yīng)保持設(shè)備處于復(fù)位模式。

推薦的參考電路為：

• 參考電壓VREF+

在電路設(shè)計(jì)中，我們常常會用到ADC來采集電壓數(shù)據(jù)，其中VREF+就是ADC的參考電壓，具體ADC的精度需要查看參考手冊，一般為12為ADC。

• Regulator OFF

通過保持BYPASS_REG高來禁用調(diào)節(jié)器。Regulator OFF模式允許通過VCAP_1和VCAP_2引腳向外部提供V12電壓源。

• 啟動(dòng)模式選擇

系統(tǒng)在進(jìn)行復(fù)位之，在系統(tǒng)時(shí)鐘的第四個(gè)上升沿BOOT引腳的值會被鎖存。用戶可以通過BOOT0和BOOT1的值，來設(shè)置系統(tǒng)啟動(dòng)模式。

手冊描述見下：

Flash memory啟動(dòng)方式(boot0 = 0)

這種啟動(dòng)方式地址為0x08000000，是STM32內(nèi)置的Flash。一般均使用這種方式，通過JATG或者SMD下載的代碼通常保存在該Flash中。

System memory啟動(dòng)方式(boot0 = 1；boot1 = 0)

這種啟動(dòng)方式地址為0x1FFF0000，該啟動(dòng)方式的程序一般由廠家提前燒錄好。STM32在出廠時(shí)，廠家在內(nèi)部預(yù)置了BootLoader(通常被稱為ISP程序，該部分為ROM，掉電數(shù)據(jù)不丟失)，且無法修改。 使用這種模式的好處是可以通過串口下載程序固件，將程序下載到BootLader 。

SRAM啟動(dòng)方式(boot0 = 1;boot1 = 1)

這種啟動(dòng)方式的地址為0x20000000，屬于內(nèi)置SRAM，無法存儲程序。這種啟動(dòng)方式僅用于快速調(diào)試。

2.3 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

• 主時(shí)鐘

時(shí)鐘是STM32內(nèi)部最核心的器件，它可以提供時(shí)鐘信號。依賴于這個(gè)信號,STM32中的器件才可以有條不紊地將工作進(jìn)行下去。主時(shí)鐘的范圍 4-25MHz ,此處按照25MHz進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)電路見下：

• 實(shí)時(shí)時(shí)鐘

實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)是一個(gè)獨(dú)立的BCD定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。專用寄存器包含秒，分，小時(shí)(12/24小時(shí))，星期，日期，月，年，BCD(二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制)格式。每月28日、29日(閏年)、30日和31日的更正為自動(dòng)執(zhí)行。RTC提供可編程報(bào)警和可編程具有從停止和待機(jī)模式喚醒的周期性中斷。單位秒數(shù)為也有二進(jìn)制格式。

它的時(shí)鐘是由一個(gè)32.768 kHz的外部晶體，諧振器或振蕩器，內(nèi)部低功耗RC振蕩器或高速外部時(shí)鐘除以128。內(nèi)部低速RC典型頻率為32千赫。RTC可以使用外部512 Hz進(jìn)行校準(zhǔn)輸出補(bǔ)償任何天然石英偏差。

使用32.768 kHz的原因？

2的15次方正好等于32768，反過來講，如果要把32.768K的時(shí)鐘頻率經(jīng)過15次分頻的話，得到的頻率正好是1Hz，正好就是1秒鐘時(shí)間，這樣就可以計(jì)時(shí)了。

2.4 復(fù)位電路設(shè)計(jì)

復(fù)位電路使程序恢復(fù)到最開始運(yùn)行的狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)異常時(shí)，可以通過手動(dòng)復(fù)位的方式確保系統(tǒng)回到正常運(yùn)行狀態(tài)。其中，C12用于硬件消抖，同事建議增加TVS管，防止靜電損壞器件。看門狗后面有專門文章講解。

2.5 下載電路設(shè)計(jì)

程序下載有兩種方式，分別JTAG模式和 SMD模式 。

• JTAG模式

JTAG的全稱是Joint Test Action Group (測試行動(dòng)聯(lián)合組織)，它是由幾家主要電子制造商發(fā)起制定的PCB 和IC 測試標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用于電路的邊界掃描測試和可編程芯片的在線系統(tǒng)編程。

JTAG調(diào)試接口必須使用VCC、GND電源信號，以及TMS、TCK、TDI、TDO四根調(diào)試信號。

• SMD模式

SWD的全稱是Serial Wire Debug(串行調(diào)試)。SWD是ARM公司設(shè)計(jì)的協(xié)議，用于對其微控制器進(jìn)行編程調(diào)試。由于SWD專門從事編程和調(diào)試，因此它具有許多特殊的功能，通常在其他任何地方都無法使用，例如通過IO線將調(diào)試信息發(fā)送到計(jì)算機(jī)。

由于它是ARM專門為在其設(shè)備中使用而制造的，因此SWD的性能通常是同類產(chǎn)品中最好的。相對于JTAG接口，使用更少的信號。四根信號如下： VCC、GND、SWDIO、SWCLK 。