一.何为最小系统?
首先我们需要思考,什么是最小系统?最小系统板就是一个最精简的电路,精简到只能维持MCU的最基本的正常工作。接着我们就是继续提出一下问题,如最小系统包括哪些模块?为什么这些模块是必要的?如何设计这些模块?
关于最小系统板,我们想到的模块有电源模块、烧录模块、复位电路、晶振模块、程序下载接口、启动方式,同时电源模块我们还会设计一个电源指示灯,但是最小系统板是有差异性的,比如在做好产品以后,复位电路、启动方式可以不用设计成可选择形式,甚至如果不要求高精度晶振模块都不需要设计,因为单片机有内部高速和低速时钟,还有,你如果觉得电源指示灯你看“晃眼”,那也可以去掉。所以其实最小系统其实并不是说一定是怎么怎么样,而是可以根据每个人的需要略微有所差异。
二.电源模块
首先我们看到芯片手册中芯片的引脚图,会看到一些和电源相关的引脚,如VDDA、VSSA、VBAT、VSS_1、VDD_1、VSS_2、VDD_2等。初次见到这些电源,我们可能会有点懵逼,会想,为什么会有这么多电源相关的引脚,和这些电源相关的引脚都是什么意思?(多引脚的单片机会有更多其他电源引脚,如VSSD、VDDD等)下面我们来介绍一下电源相关的引脚意思。
在数据手册里,可以找到相关引脚的介绍和简单的解读。
VBAT
使用电池或其他电源连接到VBAT脚上,当VDD断电时,可以保存备份寄存器的内容和维持RTC的功能。
VBAT脚为RTC、LSE振荡器和PC13至PC15端口供电,可以保证当主电源被切断时RTC能继续工作。切换到VBAT供电的开关,由复位模块中的掉电复位功能控制。
VDDA VSSA
为了提高转换的精确度,ADC使用一个独立的电源供电,过滤和屏蔽来自印刷电路板上的毛刺干扰。
● ADC的电源引脚为VDDA
● 独立的电源地VSSA
大体的了解了各种各种电源相关的引脚的意思以后,我们可能心中还会有一些问题想问,比如为什么会有VDD_1 _2 _3区分?
VDD和VSS在芯片内部都是连在一起的,封装的时候从不同的位置分别引出,目的是提供可靠的电源完整性,(我们可以将整个芯片想成一个水池,单端口注水,电源容易不稳定,所以多端口注水,提供更稳定的电源)。
32单片机的供电一般都是采用3.3V供电。我们选择采用Mirco USB供电,那么我们就需要设计一个降压模块,将5V降压成3.3V。
Mirco USB
(1)Vbus:电源引脚。
(2)D+:数据线+。
(3)D-:数据线-。
(4)ID脚:Identification,检测的意思。ID线—以用于识别不同的电缆端点,mini-A插头(即A外设)中的ID引脚接地,mini-B插头(即B外设)中的ID引脚浮空。
(5)GND:地参考。
5V - 3.3V
电容为滤波电容,可以将电容简单的想成是水池,先灌水再让水流出,电容为中间容器,让电流变得更平缓,滤除了一些变化巨大的杂波,同时滤波电容先过大电容,再过小电容。
电源指示灯
最后为了方便观察,再设计一个电源指示灯。
电源部分电路
为了方便一些模块的供电使用,在电源模块中引出两套排针,分别为5.5V和3.3V与GND的电源供电排针。
三.复位电路
何为复位?
让单片机程序复位,把除了备份区域寄存器以外所有寄存器状态恢复至原始状态。简单来说就是让程序重头开始跑。
复位 STM32F10xxx 支持三种复位形式,分别为系统复位、上电复位和备份区域复位。 6.1.1 系统复位 除了时钟控制器的 RCC_CSR 寄存器中的复位标志位和备份区域中的寄存器 ( 见图 4) 以外,系统 复位将复位所有寄存器至它们的复位状态。 当发生以下任一事件时,产生一个系统复位: 1. NRST 引脚上的低电平 ( 外部复位 ) 2. 窗口看门狗计数终止 (WWDG 复位 ) 3. 独立看门狗计数终止 (IWDG 复位 ) 4. 软件复位 (SW 复位 ) 5. 低功耗管理复位 可通过查看 RCC_CSR 控制状态寄存器中的复位状态标志位识别复位事件来源。复位部分电路
我们在设计复位的时候,同时也设计一个唤醒按键。四.晶振模块
时钟树
HSI:内部高速时钟
HSE:外部高速时钟
LSE:外部低速时钟
LSI:内部低速时钟
居然单片机内部有高速时钟,为什么不用内部自带的高速时钟?
看数据手册,内部的HSI是由ST出厂时校准过的,但是精度并不高,在0到70℃下误差范围达到 -1.3%到2%,即便是在标准的25℃下,也有 -1.1%到1.8% 的误差。对于高波特率的异步串口通讯,或者需要高精度定时的场合(如:需要跑积分算法的时候),用HSI就有隐患,甚至根本达不到设计要求。
晶振
晶振是由石英晶体组成的,石英晶体之所以能当为振荡器使用,是基于它的压电效应:在晶片的两个极上加一电场,会使晶体产生机械变形;在石英晶片上加上交变电压,晶体就会产生机械振动,同时机械变形振动又会产生交变电场,虽然这种交变电场的电压极其微弱,但其振动频率是十分稳定的。当外加交变电压的频率与晶片的固有频率(由晶片的尺寸和形状决定)相等时,机械振动的幅度将急剧增加,这种现象称为“压电谐振”。
晶振电路为主控芯片提供系统时钟,所有的外设工作,CPU工作都要基于该时钟,类似于整个系统的“心跳节拍”。
晶振分为无源和有源,但是本质上都是皮尔斯震荡电路(反相放大器+电阻+电容+晶体+电源),只不过对于单片机而言,单片机内部集成了反相放大器和电阻以及电源,外接晶体和电容就可以了,这里的晶体就称之为无源晶振。而有源晶振是将皮尔斯振荡器作成一个整体,直接加电源即可工作,当然,价格也会比无源的贵一些。
8MHz主晶振
增益控制: 增益很大的反相放大器。
8MHZ谐振器: 晶体。
CL1、CL2: 匹配电容。是电容三点式电路的分压电容,接地点就是分压点。以接地点即分压点为参考点,输入和输出是反相的,但从并联谐振回路即石英晶体两端来看,形成一个正反馈以保证电路持续振荡,它们会稍微影响振荡频率,主要用与微调频率和波形,并影响幅度。
RF: 反馈电阻(一般≥1MΩ)它使反相器在振荡初始时处于线性工作区。
REXT: 限流电阻,与匹配电容组成网络,提供180度相移,同时起到限制振荡幅度,防止反向器输出对晶振过驱动将其损坏。
32.768KHz RTC晶振
关于RTC晶振,我们可能会有以下疑问,为什么是32.768KHz?32.768KHZ的晶振产生的振荡信号经过石英钟内部分频器进行15次分频后得到1HZ/秒的信号。频度越高计时精度越高,误差越小。通常工作频率越高,单片机等数字电路的功耗越大,32.768KHz这个频率比较低,对降低电路功耗有利。 综上32768Hz是取折中的选择!
晶振部分电路
五.程序下载接口
STM32F103C8T6烧录下载方法大体上有三种,分别为JTAG下载,SWD下载,以及串口下载。
JTAG下载,JTAG全名为Joint Test Action Group,即为联合测试行动小组,是一种国际标准测试协议。JTAG下载是需要依靠烧录器的,标准的JTAG接口是4线的,包括JTMS, JTCK, JTDI, JTDO,它们的功能分别是模式选择,时钟输入,数据输入和数据输出,烧录器上的引脚对应连接到STM32F103C8T6的I/O口分别为PA13,PA14,PA15,PB3,加上接VCC和GND,所以JTAG接口最少需要6个引脚。同时单片机的BOOT0,BOOT1引脚要接地。
SWD下载,SWD全名为Serial Wire Debug,即为串行调试接口。SWD下载是需要依靠烧录器的,SWD接口是2线的,包括SWDIO,SWCLK,它们的功能分别是数据输入输出和时钟输入,烧录器上的引脚对应对应连接到STM32F103C8T6的I/O口分别为PA13,PA14,加上接VCC和GND,所以SWD接口最少需要4个引脚。同时单片机的BOOT0,BOOT1引脚要接地。
串口下载,通过USART进行烧录下载。串口下载是不需要依靠烧录器的,它直接通过安卓线连接电脑和单片机,其中STM32F103C8T6与电脑相连接的串口为USART2,对应的I/O口为PA2(TX),PA3(RX),一般在开发板上会使用串口下载,简单方便。同时单片机的BOOT0引脚要接高电平,BOOT1引脚要接低电平。
我们这里采用的烧录方式为SWD下载,下载电路设计时将PA13(SWDIO),PA14(SWCLK),VCC和GND这4个引脚引出
六.启动方式
1、第一种方式(boot0 = 0):Flash memory启动方式 启动地址:0x08000000 是STM32内置的Flash,因为JTAG或者SWD模式下载程序时,是下载到内置的Flash中,所有重启后需要从内置Flash启动程序。
2、第二种方式(boot0 = 1;boot1 = 0):System memory启动方式
启动地址:0x1FFF0000从系统存储器启动,这种模式启动的程序功能是由厂家设置的。
系统存储器是芯片内部一块特定的区域,STM32在出厂时,由ST在这个区域内部预置了一段BootLoader, 也就是我们常说的ISP程序, 这是一块ROM,出厂后无法修改。一般来说,我们选用这种启动模式时,是为了从串口下载程序,因为在厂家提供的BootLoader 中,提供了串口下载程序的固件,可以通过这个BootLoader将程序下载到系统的Flash中。
3、第三种方式(boot0 = 1;boot1 = 1):SRAM启动方式。
启动地址:0x20000000 内置SRAM,既然是SRAM,自然也就没有程序存储的能力了,这个模式一般用于程序调试。假如我只修改了代码中一个小小的 地方,然后就需要重新擦除整个Flash,比较的费时,可以考虑从这个模式启动代码(也就是STM32的内存中),用于快速的程序调试,等程序调试完成后,在将程序下载到SRAM中。