簡(jiǎn)析STM32單片機(jī)原理及硬件電路設(shè)計(jì)

譚淑梅

(大慶師范學(xué)院 物理與電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶163712)

1 STM32 概述

1.1 STM32 RISC 系統(tǒng)架構(gòu)

STM32 系列高處理速度產(chǎn)品是ST 公司最近幾年推出的一系列用來(lái)取代51 和所有低端單片機(jī)的新型處理器，內(nèi)置資源豐富，集成12 位AD 和兩路高級(jí)定時(shí)器，專為嵌入式應(yīng)用底層化而專門(mén)設(shè)計(jì)的新型Cortex－M3 內(nèi)核。STM32 系列新型單片機(jī)按其性能和存儲(chǔ)空間的大小可分為兩類:增強(qiáng)型系列和通用型系列。這二者在時(shí)鐘頻率上有著明顯的區(qū)別，增強(qiáng)型系列MCU 時(shí)鐘頻率最高可達(dá)72MHZ，在同一系列處理器中性能是尤為突出的了。此外增強(qiáng)和通用兩個(gè)系列都內(nèi)置了一定大小的閃存，只是其容量大小和外設(shè)接口方式有所差別。

1.2 STM32 功能

STM32 的CPU 采用的是72MHZ，是零等待處理器，即在處理數(shù)據(jù)時(shí)不需要響應(yīng)時(shí)間，在一個(gè)機(jī)器周期里就能實(shí)現(xiàn)乘除法運(yùn)算。該款單片機(jī)有著豐富的GPIO 接口，共有114 個(gè)引腳的，其中有80 個(gè)通用I/O口具有兼容5V 的特性，使得很多5V 模塊也可以輕松的被STM32 處理，還可以配置出16 個(gè)外部中斷，且內(nèi)部總線上掛載著2 個(gè)12 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有可以多重采集和保持采集數(shù)據(jù)的能力，內(nèi)部還集成了溫度傳感器。由于STM32 給出的定位是ARM 處理器，所以其各方面性能都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的單片機(jī)，例如其內(nèi)部集成的定時(shí)器從基本定時(shí)器，通用定時(shí)器再到高級(jí)定時(shí)器，總共多大7 個(gè)多，此外與外圍設(shè)備的通信接口也集成了很多接口包括USART 接口、SPI 接口、還有CAN 接口和USB 2.0 接口，使得STM32 可以和大多數(shù)接口協(xié)議的芯片順利完成信息通信。并且其內(nèi)部還集成有DMA 直接存取寄存器，可以不占用CPU 的處理時(shí)間而直接將數(shù)據(jù)傳輸給處理器［2］。

1.3 GPIO 模式配置

STM32 MCU 允許GPIO 引腳被配置為8 種模式(可通過(guò)軟件配置來(lái)實(shí)現(xiàn))，所謂GPIO 即使用STM32的通用輸入輸出模式。STM32 的通用輸入輸出引腳被分為GPIOC GPIOD……GPIOG 不同的組，例如GPIOA 共有PA0 到PA15 共16 個(gè)不同的引腳，如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)圖

1.4 I/O 模式和速率的選擇

STM32GPIO 可通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)2MHZ、10MHZ、50MHZ 等不同速率的輸出模式［2］。提高這個(gè)速率可提高GPIO 端口對(duì)內(nèi)部電路的響應(yīng)速率，可通過(guò)軟件的MODE 寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)GPIO 速率的設(shè)置，GPIO的配置如圖2所示:

圖2 結(jié)構(gòu)圖

STM32 的GPIO 的輸入模式可配置為模擬輸入、浮空輸入、上拉輸入、下拉輸入四種模式，同樣的GPIO 的輸出模式也可設(shè)置為開(kāi)漏輸出、開(kāi)漏復(fù)用輸出、推挽復(fù)用輸出、推挽輸出4 種模式，具體的配置模式如圖3所示。

圖3 I/O 口配置圖

2 嵌入式硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 ASM1117 供電模塊

STM32 是一款可配置為處于超低功耗模式的32 位高速高性價(jià)比的MCU，與傳統(tǒng)的51 和AVR 單片機(jī)不同的是，STM32 單片機(jī)僅需通過(guò)USB 線和電腦連接即可完全工作正常。然而，基于Cortex－M3 內(nèi)核設(shè)計(jì)的STM32 處理器是一個(gè)供電范圍很寬(2.0 至3.6V)的新型處理器，一般情況采用比較適中的3.3V供電，只需在傳統(tǒng)51 單片機(jī)的電源基礎(chǔ)上通過(guò)ASM1117 進(jìn)行壓降至3.3V 即可，ASM1117 供電電路通常會(huì)考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電源本身的波動(dòng)性而選擇在電源輸入和輸出端加上濾波電容，如圖4所示。

圖4 供電模塊

2.2 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)

當(dāng)STM32 程序不可控及系統(tǒng)整體處于休眠狀態(tài)時(shí)，希望程序可以重新初始化重新執(zhí)行，可以采用重新上電的方式但更加合理的方案是加上一個(gè)復(fù)位按鍵就可以解決這個(gè)問(wèn)題，也避免了由于重復(fù)的上電斷電對(duì)系統(tǒng)本身造成的干擾。復(fù)位功能是通過(guò)將電容與單片機(jī)的復(fù)位引腳連接形成回路按鍵時(shí)通過(guò)的充放電來(lái)完成的，這樣只需要在按鍵的地方加上一個(gè)電容然后形成一個(gè)回路，在按下按鍵的時(shí)候可以讓電容完成充放電，如圖5和圖6所示。

圖5 LED 燈

圖6 電路按鍵及復(fù)位電路

2.3 外設(shè)ADC 轉(zhuǎn)換電路

我們接觸的其實(shí)更多的是模擬量，如電流、濃度、光強(qiáng)、濕度等，都是無(wú)法直接顯示出來(lái)的，為了便于處理和顯示以及存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)，就需要把這些模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，使其便于人機(jī)交互和單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理。這里以STM32F103VET6 為核心芯片用到了其掛載的ADC 外設(shè)，該系列單片機(jī)內(nèi)嵌了3 個(gè)12 位的互相獨(dú)立的ADC，每個(gè)獨(dú)立的ADC 有六個(gè)外部通道，這樣三個(gè)AD 就可以測(cè)量18 路通道，并且可以通過(guò)軟件配置成單次掃描和多通道混合掃描模式，這樣就不用在外接有關(guān)ADC 轉(zhuǎn)換的芯片了，只需要搭載一個(gè)模擬輸入量就可以了。

該電路設(shè)計(jì)的參考電壓負(fù)極是接地的，如圖7所示。

2.4 串口通信

在ADC 轉(zhuǎn)換過(guò)程中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不能夠直接的表現(xiàn)出來(lái)，而我們希望顯示在電腦上就可以直觀的監(jiān)測(cè)到數(shù)字量的變化，這時(shí)就只能采用串口通信來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)人機(jī)交互。該電路的核心芯片是MAX232，該電路的搭建參照其芯片使用手冊(cè)，按照其經(jīng)典接法連接就可以實(shí)現(xiàn)其功能。通過(guò)軟件配置STM32 的PA10 引腳為其復(fù)用功能，即為USART1 的接收引腳，PA9 引腳也配置為其復(fù)用功能，即為USART1 的發(fā)送引腳上，這樣就和電腦的串口接法是一樣的如圖8所示。

圖7 ADC 采樣電路

圖8 串口電路

3 結(jié) 語(yǔ)

本文首先對(duì)STM32 的系統(tǒng)架構(gòu)和基本功能進(jìn)行了描述，在此基礎(chǔ)上，對(duì)STM32 在供電模塊、復(fù)位電路設(shè)計(jì)、ADC 轉(zhuǎn)換電路、串口通信等典型電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。通過(guò)這些電路設(shè)計(jì)，可以為STM32 的應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。

［1］任哲.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS－Ⅱ原理及應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［2］劉美茹主編.C++程序設(shè)計(jì)教程［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2005.

［3］李鳳霞.C 語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)教程［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2009.

［4］高海賓.Altium Designer 10 從入門(mén)到精通［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.