基于STM32芯片的工控板設(shè)計

張盼盼，張團善，付道義

（西安工程大學(xué) 陜西 西安 710048）

相比于傳統(tǒng)的CPU與外圍設(shè)備一體的電路，采用工控板的設(shè)計方法具有易于移植、方便重復(fù)應(yīng)用的特點。STM32工控板是一款極高性價比、尺寸極為緊湊的嵌入式控制模塊。產(chǎn)品尺寸比一張名片還小卻實現(xiàn)了幾乎所有的工業(yè)計算機所需要的功能，可廣泛應(yīng)用于科研、軍工、電力、工控、車載、通手持設(shè)備、醫(yī)療器械、教學(xué)等嵌入式領(lǐng)域。

1 產(chǎn)品規(guī)格

STM32工控板載入嵌入式高性能32位處理器，該處理器是以Cortex-M3為內(nèi)核，該內(nèi)核采用了哈佛結(jié)構(gòu)，擁有獨立的指令總線和數(shù)據(jù)總線，可以讓取指與數(shù)據(jù)訪問并行不悖[1]。STM32工控板設(shè)計要求包括可以直接驅(qū)動7寸彩屏、帶有以太網(wǎng)模塊[2]和豐富的外接接口用于控制電機等外設(shè)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖Fig.1 Structure diagram of the hardware system

2.1 主控芯片電路

該系統(tǒng)采用STM32F103VE芯片，此芯片是STM32的增強型系列，如圖2所示。內(nèi)核為ARM 32位的CortexTM-M3 CPU最高72 MHz工作頻率，在存儲器的0等待周期訪問時可達1.25 DMips/MHz（Dhrystone 2.1），可實現(xiàn)單周期乘法和硬件除法。

圖2 主控芯片電路Fig.2 Circuit of master chip

該芯片帶512K字節(jié)的閃存程序存儲器，高達64k字節(jié)的SRAM，帶有4個片選的靜態(tài)存儲器控制器。支持CF卡、SRAM、PSRAM、NOR和NAND存儲器，具有并行LCD接口，兼容8080/6800模式。

該工控板具有豐富的外接通信接口，包含多達2個I2C接口（支持SMBus/PMBus）、多達5個USART接口（支持ISO7816，LIN，IrDA接口和調(diào)制解調(diào)控制）、多達3個SPI接口（18M位/秒），2個可復(fù)用為I2S接口、CAN接口（2.0B主動）、USB2.0全速接口、SDIO接口。

選擇STM32芯片的另一個原因在于，它有多達11個定時器。4個16位定時器，每個定時器有多達4個用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計數(shù)的通道和增量編碼器輸入。2個16位帶死區(qū)控制和緊急剎車，用于電機控制的PWM高級控制定時器。2個看門狗定時器（獨立的和窗口型的）。系統(tǒng)時間定時器：24位自減型計數(shù)器。2個16位基本定時器用于驅(qū)動DAC[3]。主芯片電路如圖2所示。

2.2 7寸屏控制電路

采用STM32+SSD1963控制7寸屏的顯示，雖然屏的控制器可以用CPLD或者FPGA來實現(xiàn)，但是考慮到此工控板的尺寸大小和穩(wěn)定性，我們放棄自己設(shè)計顯示屏控制器的想法，而是采用集成度很高的SSD1963芯片，如圖3所示。

圖3 7寸屏驅(qū)動電路Fig.3 Circuit of 7-inch screen driver

2.3 以太網(wǎng)控制器電路和差分電路

考慮到現(xiàn)階段無線網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，以太網(wǎng)是目前全球使用最廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)，出色的性價比、靈活性和互操作性是其優(yōu)勢。在過去20年里，其標(biāo)準(zhǔn)一直隨著網(wǎng)絡(luò)的需求不斷改進。作為IP網(wǎng)絡(luò)的一種極具吸引力的解決方案，以太網(wǎng)具有下列關(guān)鍵特性：可擴充性；靈活的部署距離，支持從短程局域網(wǎng)（大約100 m）到長距離城域網(wǎng)（40 km以上）的各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用；成本低；靈活性和互操作性；易于使用和管理。以太網(wǎng)電路連接方式如圖4所示。

圖4 以太網(wǎng)驅(qū)動電路Fig.4 Circuit of Ethernet driver

差分電路[4]是具有這樣一種功能的電路。該電路的輸入端是兩個信號的輸入，這兩個信號的差值，為電路有效輸入信號，電路的輸出是對這兩個輸入信號之差的放大。設(shè)想這樣一種情景，如果存在干擾信號，會對兩個輸入信號產(chǎn)生相同的干擾，通過二者之差，干擾信號的有效輸入為零，這就達到了抗共模干擾的目的。該方案采用THC63LVDM83R芯片作為差分電路主芯片。如圖5所示。

圖5 差分電路Fig.5 Differential circuit

3 工控板的調(diào)試

為了檢測方案的可行性和工控板的完整性，用一個流水燈例程進行測試。作為經(jīng)典的入門實驗，非流水燈莫屬。工控板本身是不帶LED顯示燈的，我們利用手邊的開發(fā)板上的4個LED燈進行實驗。它們分別為DS1、DS2、DS3、DS4。實驗的預(yù)期目的是實現(xiàn)LED燈的交替閃爍。

3.1 實驗原理

流水燈的關(guān)鍵實際是如何控制STM32[5]的處理器的GPIO接口，作為IO口，輸出指定的電平信號。

STM32的IO口 可以由軟件配置成8中模式：

1）模擬輸入；

2）輸入浮空；

3）輸入下拉；

4）輸入上拉；

5）開漏輸出；

6）推挽輸出；

7）復(fù)用功能開漏輸出；

8）復(fù)用功能推挽輸出。對應(yīng)到STM32庫文件中的定義如下

Typedef enum

{GPIO_Mode_AIN=0x0，

GPIO_Mode_IN_FLOATING=0x04，

GPIO_Mode_IPD=0x28，

GPIO_Mode_IPU=0x48，

GPIO_Mode_Out_OD=0x14，

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed＝GPIO_Speed_50MHz；//配置GPIO端口速率

3.2 實驗結(jié)果

實驗的最終結(jié)果達到了預(yù)期目的，實現(xiàn)LED燈的交替閃爍。嘗試了更改管腳，用其他輸出端口控制LED，均可實現(xiàn)控制LED燈閃爍。板級調(diào)試取得初步成功。

4 工控板實物

如圖6、7所示。

圖6 焊接前的工控板Fig.6 The industrial control board before welding

圖7 焊接后的工控板Fig.7 The industrial control board after welding

5 結(jié)束語

文中設(shè)計的工控板是一款低成本、高性價比的工控板。它不僅僅可以用于簡單的實驗，還可以用于復(fù)雜的工業(yè)場所。我們將把它用于電腦橫機系統(tǒng)和棉襪機系統(tǒng)的電控單元。此板的應(yīng)用不僅僅局限于此，使用者可以根據(jù)自己的興趣和需要，自己探索、研究。此次設(shè)計采用的SSD1963芯片，只能用于7寸屏彩屏的驅(qū)動，無法驅(qū)動其他尺寸的屏。此方案在對屏的驅(qū)動方面，存在著在不足。下一代的設(shè)計中，我們計劃采用FPGA芯片取代專用SSD1963芯片，使工控板的應(yīng)用范圍更加廣泛。

[1]Joseph Yiu.Cortex－M3權(quán)威指南[M].宋巖，譯.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[2]李正軍.現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)及其應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[3]STM32F103XX Cortex－M3 programming manual.STM32F 103XX Datasheet[EB/OL].[2009－04－01].http：//infocenter.arm.com/help/topic/com.arm.doc.ddi0337e/DDI0337E_cortex_m3_r1p1_trm.pdf.

[4]謝詹奇.高速LVDS收發(fā)器的研究與設(shè)計[D].上海：上海交通大學(xué)，2008.

[5]夏駿，王甜.基于STM32和GSM的遠程遙控定時開關(guān)裝置[J].電子科技，2013（1）：112－114，130.XIA Jun，WANG Tian.Remote control timer switch based on STM32 and GSM[J].Electronic Science and Technology，2013（1）：112－114，130.

[6]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)實例[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[7]STM32F103XX Referencemanual.STM32F103XX Datasheet[EB/OL].[2009－04－01].http：//www.st.com/stonline/stappl/resourceSelector/app?page＝resourceSelector&doctype＝PROGRAMMING_MANUAL&FamilyID＝141.pdf.