TM32F103ZET6最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Cortex_M3內(nèi)核主要是應(yīng)用于低成本、低功耗的場(chǎng)合，并且具有極高的運(yùn)算能力和極強(qiáng)的中斷響應(yīng)能力。Cortex-M3處理器采用純Thumb2指令的執(zhí)行方式，使得這個(gè)具有32位高性能的ARM內(nèi)核能夠?qū)崿F(xiàn)8位和16位的代碼存儲(chǔ)密度。ARM Cortex-M3處理器是使用最少門數(shù)的ARM CPU，核心門數(shù)只有33K，在包含了必要的外設(shè)之后的門數(shù)也只有60K，使得封裝更為小型，成本更加低廉。Cortex-M3采用了ARM V7哈佛架構(gòu)，具有帶分支預(yù)測(cè)的3級(jí)流水線，中斷延遲最大只有12個(gè)時(shí)鐘周期，在末尾連鎖的時(shí)候只需要6個(gè)時(shí)鐘周期。同時(shí)具有1.25DMIPS/MHZ的性能和0.19mW/MHZ的功耗。STM32F103ZET6該芯片具有Cortex_M3內(nèi)核、144管腳、64KB SRAM、512 KB FLASH、2個(gè)基本定時(shí)器、4個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)高級(jí)定時(shí)器、3個(gè)SPI、2個(gè)IIC、5個(gè)串口、1個(gè)USB、1個(gè)CAN、3個(gè)12位ADC、1個(gè)12位DAC、1個(gè)SDIO接口、1個(gè)FSMC接口以及112個(gè)通用IO口。

一、原理圖設(shè)計(jì)

一個(gè)最小的核心板原理圖分為電源供電，外部時(shí)鐘，啟動(dòng)方式，復(fù)位，下載五部分。

1.電源供電

電源供電部分為主要模擬部分供電與數(shù)字部分供電，11個(gè)數(shù)字部分需要添加11個(gè)去耦電容(見圖1.1)。去耦電容的作用舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子。你可以把總電源看作水庫(kù)，我們大樓內(nèi)的家家戶戶都需要供水，水不是直接來自于水庫(kù)，那樣距離太遠(yuǎn)了，等水過來，我們已經(jīng)渴的不行了。實(shí)際水是來自于大樓頂上的水塔，水塔其實(shí)是一個(gè)暫存的作用。同樣的道理如果微觀來看，高頻器件在工作的時(shí)候，其電流是不連續(xù)的，而且頻率很高，而器件VCC到總電源有一段距離，即便距離不長(zhǎng)，在頻率很高的情況下，阻抗Z=i*wL+R，線路的電感影響也會(huì)非常大，會(huì)導(dǎo)致器件在需要電流的時(shí)候，不能被及時(shí)供給。去耦電容可以彌補(bǔ)此不足。這就是為什么很多電路板在高頻器件VCC管腳處放置小電容的原因。

模擬電源部分的地與數(shù)字電源部分的地需要連接起來(見圖1.2)，連接起來方式有三種。第一種是磁珠，第二種是電感，第三種是0R電阻。比較三種方法哪種比較適合模擬地與數(shù)字地的單點(diǎn)接地呢？磁珠的等效電路相當(dāng)于帶阻限波器，只對(duì)某個(gè)頻點(diǎn)的噪聲有顯著抑制作用，使用時(shí)需要預(yù)先估計(jì)噪點(diǎn)頻率，以便選用適當(dāng)型號(hào)。對(duì)于頻率不確定或無法預(yù)知的情況，磁珠不合。電感體積大，雜散參數(shù)多，不穩(wěn)定。0歐電阻相當(dāng)于很窄的電流通路，能夠有效地限制環(huán)路電流，使噪聲得到抑制。電阻在所有頻帶上都有衰減作用(0歐電阻也有阻抗)，這點(diǎn)比磁珠強(qiáng)。0歐姆電阻可以設(shè)置多個(gè)，根據(jù)實(shí)際要求選擇0歐姆電阻數(shù)目，達(dá)到最優(yōu)的設(shè)置要求。所以我們這里的模擬地與數(shù)字地部分我們選用2個(gè)0歐姆電阻并聯(lián)的形式，根據(jù)實(shí)際選擇相應(yīng)的0歐姆電阻的數(shù)目。

STM32F103ZET6屬于低功耗產(chǎn)品，在主時(shí)鐘關(guān)閉的情況，部分功能仍然可以保持正常(見圖1.3)。但是需要裝上備用電池。此處我們選用CR1220紐扣電池接上二極管的方法，在有其他外部電源的時(shí)候啟用外部電源，在突然斷電或者異常狀況下啟用備

2.外部時(shí)鐘

選用8M晶振并聯(lián)12M反饋電阻和22pf起振電容。外部32.68KHZ的晶振并聯(lián)10pf起振電容(見圖1.4)。

3.啟動(dòng)方式

STM32F103ZET6有三種啟動(dòng)方式(見圖1.5)，如表1所示。

(1)用戶閃存就是芯片內(nèi)置的Flash，這種模式直接從0X08000000啟動(dòng)，也就是我們自己編寫的代碼的啟動(dòng)方式了.正常情況都應(yīng)該用這種。

(2)SRAM就是芯片內(nèi)置的RAM區(qū)，就是內(nèi)存，從0X20000000啟動(dòng)的，也就是說在SRAM模式開始之前，你要確保SRAM里面已經(jīng)有代碼了，否則就是死機(jī)。

(3)系統(tǒng)存儲(chǔ)器就是芯片內(nèi)部一塊特定的區(qū)域，芯片出廠時(shí)在這個(gè)區(qū)域預(yù)置了一段BOOTLOADER，就是通常說的ISP程序。這個(gè)區(qū)域的內(nèi)容在芯片出廠后沒有人能夠修改或擦除，即它是一個(gè)ROM區(qū)。這種模式就是STM32復(fù)位后就執(zhí)行固化在內(nèi)部的BOOTLOADER程序(固化的，我們無法讀寫)，然后等待串口數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)串口BOOTLOADER功能。這種模式不會(huì)從用戶存儲(chǔ)區(qū)啟動(dòng)(除非用串口控制其從0X08000000啟動(dòng))，所以在更新了代碼之后，需要設(shè)置為其他模式(FLASH模式)。

4.復(fù)位

復(fù)位按鈕設(shè)置，因?yàn)閺?fù)位按鈕低電平有效，因此采用下拉方式(見圖1.6)。

5.下載方式

JLINK V7(見圖1.7)支持JTAG/SWD兩種下載方式。JTAG采用五線制(見表2)。

此外還支持SWD調(diào)試方式，只用兩根線就可以完成調(diào)試過程(見表3)。

二、PCB布線

1.耦合電容需要靠近相應(yīng)的數(shù)字電路部分

耦合電容必須靠近數(shù)字部分，才能起到降低干擾，提供穩(wěn)定電壓的功能。如果遠(yuǎn)離數(shù)字部分耦合電容排除干擾的能力將大大減弱，

表1 《STM32F103ZET6最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)》啟動(dòng)方式表

表2 《STM32F103ZET6最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)》JTAG五線制定義

表3 《STM32F103ZET6最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)》SWD兩線制定義

圖1.1 耦合電容

圖1.2 模擬地與數(shù)字地

圖1.3 備用電源

圖1.4 晶振電路

圖1.5 BOOT選擇電路

圖1.6 復(fù)位電路

圖1.7 JLINK電路圖

圖2.1 導(dǎo)線厚度35um

圖2.2 導(dǎo)線厚度70um

圖3.1 實(shí)物圖正面

圖3.2 實(shí)物圖反面

2.布線粗細(xì)要適當(dāng)

PCB的敷銅厚度常常用盎司做單位，它與英寸和毫米的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

1盎司=0.0014英寸=0.0356毫米(mm)

2盎司=0.0028英寸=0.0712毫米(mm)

GB-T_4588.3-2002關(guān)于單面板的熱耗規(guī)定如下：

對(duì)于以銅為導(dǎo)線材料、標(biāo)稱厚度為1.6mm～3.2mm(0.063in～0.125in)的單面印制板，不同寬度和常用厚度的導(dǎo)線溫升與電流之間的關(guān)系(忽略如鎳、金或錫附加鍍層的影響)，如圖2.1、2.2所示。

根據(jù)上表我們有了一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，但是作為日常布線仍然不夠。我們接著來看看MIL-S TD-275（美國(guó)軍方標(biāo)準(zhǔn)）提到了溫度、電流、與導(dǎo)線截面的關(guān)系。

相關(guān)的計(jì)算公式：I=KT^(0.44)A^(0.725)W=A/d

I=最大的電流，單位為：A

K=降額常數(shù)：導(dǎo)線在內(nèi)層時(shí)取值為：0.024；導(dǎo)線在外層時(shí)取值為0.048.

T=最大溫升，單位為：℃

A=導(dǎo)線截面積：?jiǎn)挝粸椋簃il^2

W為線寬

d導(dǎo)線厚度(即為覆銅厚度)算出的線寬即為布線的寬度。根據(jù)此可以計(jì)算相應(yīng)的線寬，再加上25%的余量就能滿足大部分的設(shè)計(jì)要求。

3.覆銅與導(dǎo)線的間距適當(dāng)

STM32F103ZET6具有144個(gè)管腳，管腳最近的距離僅為9mil，如果覆銅距離過近，可能造成焊接過程管腳與覆銅短路的情況。所以在覆銅的時(shí)候需要格外加大間距。我個(gè)人設(shè)置為30mil。

4.模擬部分與數(shù)字部分分區(qū)布置

我們選用的系統(tǒng)屬于低頻電路，模擬電路部分與數(shù)字部分需要分開布置，同時(shí)采取單點(diǎn)接地的方式，避免數(shù)字電路部分干擾模擬部分，從而影響芯片內(nèi)部模擬電路部分的正常工作。

至此我們完成了STM32F103ZET6的最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(見圖3.1，圖3.2)。這套最小系統(tǒng)可以幫助了解和學(xué)習(xí)STM32，深入了解Cortex_M3內(nèi)核。同時(shí)這套最小系統(tǒng)可以幫助我們進(jìn)行開發(fā)項(xiàng)目前的驗(yàn)證測(cè)試階段的工作，從而設(shè)計(jì)和開發(fā)更加復(fù)雜的項(xiàng)目。

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.印制板的設(shè)計(jì)和使用[Z].2002-11-25.

[2]DEPARTMENT OF DEFENSE Washington.DC 20301.MIL_STD_275E.31 December 1984.

[3]北京三恒星科技公司.Altuim Designer 6設(shè)計(jì)教程[M].2007年2月第1次印刷.北京:電子工業(yè)出版社,2007,2:293-318.