EDA训练STM32最小系统.docx

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EDA训练STM32最小系统

EDA训练

题目STM32最小系统

班级XXXX

学号XXX

姓名XXX

时间XXXX

XXX大学

EDA训练任务书

姓名XXX__班级__XXX指导老师XXX

设计课题：

STM32最小系统

设计任务与要求

查找一个感兴趣的电工电子技术应用电路，要求电子元件50个以上，根据应用电路的功能，确定封面上的题目，然后完成以下任务：

1、分析电路由几个部分组成，并用方框图对它进行整体描述；

2、对电路的每个部分进行分别单独说明，画出对应的单元电路，分析电路原理、元件参数、所起的作用、以及与其他部分电路的关系等等；

3、用Protel软件或其他EDA软件绘出整体电路图，进行实验分析和绘制PCB，并在图中的标题栏中加上自己的班级名称、学号、姓名等信息；

4、对整体电路原理进行完整功能描述；

5、列出标准的元件清单；

6、其他。

设计步骤

1、查阅相关资料，开始撰写设计说明书；

2、先给出总体方案并对工作原理进行大致的说明；

3、依次对各部分分别给出单元电路，并进行相应的原理、参数分析计算、功能以及与其他部分电路的关系等等说明；

4、总体电路的绘制，实验分析和绘制PCB及总体电路原理相关说明；

5、其他

6、列出标准的元件清单；

7、列出设计中所涉及的所有参考文献资料。

设计说明书字数不得少于5000字

参考文献

李宁.基于MDK的STM32处理器开发应用.北京：

北京航空航天大学出版社，2008

王永虹，郝立平.STM32系列ARMCortex-M3微控制器原理与实践.北京：

北京航空航天大学出版社，2008

张睿编著.AltiumDesigner6.0原理图与PCB设计.北京：

电子工业出版社，2007

刘小伟，刘宇，温培和编著.Altiumdesigner6.0电路设计实用教程.北京：

电子工业出版社，2007.2

1、总体方案与原理说明

本设计采用如今最热门的ARMCortex-M3内核的微控制器——STM32，设计一个该微控制器的最小核心系统及其下载器。

作为最小系统，应该包含微控制器一些必须的电路如复位、晶振等，还应该有扩展接口将微控制器的I/O口引出，并且去处多数非必须的外设电路（如数码管、外置AD/DA等）。

此STM32最小系统包括以下几个部分：

微控制器、电源、晶振复位、下载口、扩展口、按键和LED以及一个用于下载仿真调试的H-JTAG。

几部分电路的框图如下：

图1系统框图

本次设计采用的是意法公司推出的STM32F103R系列的微控制器，其核心是由ARM公司设计的Cortex-M3内核，其是面向低功耗、低成本、高性能的应用场合。

Cortex-M3仅33000门却能达到1.2DMIPS/MHz的内核性能。

该系列微控制器包含强大的核心处理器及丰富的内部外设资源，而且意法公司对该微控制器编写了标准库函数，大大降低了对初学者的难度。

为方便开发学习人员，整个系统通过电脑的USB口供电。

可以利用H-JTAG或其它调试仿真器对微控制器进行编程烧录，附加的按键和LED可以对系统进行简单测试，如果需要添加外部电路，如串口通信、液晶等，可通过扩展接口引出。

2、单元电路1——核心系统

图2核心系统

核心系统是本次设计的最主要部分，其主要部分同样是总系统的主要部分是STM32F103R系列的LQFP64封装的微控制器。

STM32F103R系列微控制器可以工作在最高72MHz的主频，2.0V到3.6V供电，内置高速存储器，还包含丰富的内部外设资源，如SPI、IIC、UART、CAN、ADC、定时器等等。

该系列微控制器共有64个引脚，其中I/O口最多为51个，均全部引出。

电源引脚有10个，每对电源引脚上都接上一个0.1μF的旁路电容，再接上一个10μF的钽电容来确保系统的稳定性。

由于该微控制器内部还带有A/D，因此还有一对模拟电源引脚，通过一个10μH的电感滤波。

还有一个用于RTC的备用电池引脚VBAT，当使用了RTC功能时需要将该引脚连接到电池。

如果不使用该功能，则需要通过0Ω电阻将其与系统电源连接到一起。

系统时钟有几种方案，此处采用最常见的一种。

引脚5、6为系统外部主振荡器引脚，其连接一个8M的晶振，选用20pF的负载电容。

引脚3、4为芯片的RTC（实时时钟）提供时钟源，连接一个32.768K的晶振，选用10pF的负载电容。

由于该微控制器内部自带振荡器，因此外部晶振和RTC时钟电路不是必须的，因此不需要时可以不安装这些元器件。

系统复位引脚采用简单的RC电路，上电时电容上充电，复位引脚上的电压由0V逐渐升高，直至系统电压，达到复位效果，稳定后若按下复位按键，系统也会复位。

由于该系列微控制器有三种启动模式，因此还有两个用于选择启动模式的跳线插针用于选择启动模式。

3、单元电路2——电源

图3电源

该电路单元是系统的电源部分，采用USB供电，通常USB端口可以提供最大500mA的电流，对于一个最小系统足够，由于作为系统核心的STM32微控制器是工作在2.0V至3.6V，而多数器件是工作在3.3V的电源系统，因此采用常见的LDO（低压差电压调节器）LM1117-3.3将5V直流电转换到系统所需的3.3V。

LM1117-3.3输出为3.3V，输出电压的精度在±1%以内，并可以提供最大800mA的电流（当然USB提供不了800mA，故LM1117-3.3也提供不到800mA，但可以满足系统）。

除了USB外，还可以通过插针对系统提供5V直流电源，因此在USB或外加的5V电源到LDO之间添加了一个二极管防止电源极性接反导致烧毁系统。

由于压差关系此处选用1N5819肖特基二极管，其最大正向电流为1A，1A时的压降仅为0.6V并且电流越小压降越小。

LDO前后各加一个10μF的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。

另外增加一个LED作为电源指示，其串联一个电阻接入电源，为使LED不刺眼，选取的限流电阻稍大。

最后还引出3个电源插针方便用户，可以作为输出（系统无电时也可作为输入，但要注意极性方向）。

4、单元电路3——扩展接口

图4扩展接口

该部分电路为系统扩展接口，其将微控制器所有可用的I/O全部引出，包括RTC占用的引脚，并使用0Ω电阻作为跳线选择使用哪个功能。

需要注意的是此处将下载调试用的JTAG占用的引脚也因出来了，当这些端口作为I/O时会导致下次系统下载调试的失败，因此一般不要使用这些引脚。

两个端口两端还引出3.3V电源和5V电源，可以对外供电，但不能负载过大电流。

5、单元电路4——下载接口

图5下载接口

STM32微控制器一般采用的是标准JTAG接口对其进行调试仿真，而且为了提高资源利用率，还可以使用两线制的SW-DP接口，两者引脚复用。

JTAG是一种国际标准测试协议，现在多数的高级器件都支持JTAG协议。

此电路采用的是标准JTAG，其相应管脚连接到微控制器即可，某些管脚加个上拉或下拉电阻，可以连接到H-JTAG或J-LINK等调试仿真器。

6、单元电路5——按键和LED

图6按键和LED

该部分电路比较简单，而且不是必须的，可以作为简单程序的验证测试。

按键作为事件输入，LED作为输出显示。

当连接LED的I/O口输出低电平时点亮LED，输出高电平时熄灭LED。

若要识别按键则应该设置I/O口为输入，由于STM32内部可以设置I/O为带上拉电阻的输入模式，此处就省略了外部上拉电阻。

读取I/O口的高低电平可以确定按键状态。

通过短路帽选择其是否接入电路。

7、单元电路6——H-JTAG

图7H-JTAG

本次设计还包含一个简易调试器——H-JTAG，该电路根据H-JTAG提供的电路设计，利用一片74HC244作为缓冲器，也可以使用其它三态缓冲器芯片。

74HC244是一个八同相三态缓冲器/线驱动器，此处只使用了其中4个缓冲器，分别连接到JTAG的TDI、TDO、TMS和TCK。

JTAG还有一个nTRST引脚，通过由三极管组成简易反相器与并口相连接。

使用这样一个三态缓冲器的作用是：

第一保证了驱动电流，第二保护了电脑的并口。

H-JTAG可用于多数ARM芯片的下载仿真调试，简单而又经济，缺点是速度稍慢，而且需要电脑有并口。

两个LED分别作为电源和下载状态的指示。

0.1μF和10μF作为电源滤波。

8、总体电路原理相关说明

基本上以上全部电路包含了最小系统的全部，它是能够是微控制器独立运行的最小单元，而且将所有的可用I/O口全部引出，方便扩展应用，而且对于一些可选功能处设置了跳线，易于配制为各种方案。

通过USB给核心板供电，微控制器上电后由于复位电路的作用而复位，程序从零地址开始执行，微控制器开始工作。

当按下复位按键时系统再次复位。

需要调试下载新程序时，有几种方案。

一种是通过调试仿真器进行下载调试，以此次设计的H-JTAG为例，将核心板与H-JTAG通过JTAG接口连接，H-JTAG的另一端与主机PC相连接，并配制好相应软件，就可以进行调试下载新程序了。

该核心板还可以通过其他调试仿真器进行下载仿真，如J-LINK，其支持的器件比较多，而且是采用USB方式，速度也快，也是连接到核心板的JTAG口。

以这种下载仿真器方式下载调试时启动跳线都一直固定接地即可。

还一种是通过串口下载，需要另接一个串口电平转换接口连接到微控制器的串口，并且总要配制启动跳线，操作复杂，而且速度慢，但电路简单，只需主机PC要有串口，比较经济，还是可以采用的。

9、PCB设计

此次设计还包括了系统的PCB设计。

将核心板和下载线分为两个单独的模块设计，PCB如下图所示。

图8核心板布线

图9下载线布线

10、总体电路原理图

图10总体电路原理图1——核心板

图11总体电路原理图2——下载线

11、总体电路PCB图

图12总体电路PCB图

12、元件清单

序号

元件标号

元件参数规格型号

数量

1

C1,C2

20pF瓷片电容

2

2

C3,C5,C10,C11,C12,C13,C14

0.1μF瓷片电容

7

3

C7,C8

10pF瓷片电容

2

4

C4,C6,C9,C15

10μF/16V钽电容

4

5

D1

肖特基二极管1N5819

1

6

D2,D3,D4,D5,D6

发光二极管

5

8

J1

25针D型公口接头

1

9

L1

10μH电感

1

10

Q1

三极管S8050

1

11

P1

USBB型或mini-B型母座

1

12

P2,P3,P4

3PIN单排针

3

13

P5,P7

2x15PIN双排针

2

14

P6

2x4PIN双排针

1

15

P8,CZ1

2x10PIN简易牛角座

2

16

R1,R4,R5,R6,R7,R8,R18,R20

10kΩ电阻

8

17

R2,R13,R14,R15,R16

0Ω电阻

5

18

R3,R9,R10,R25,R26

1kΩ电阻

5

19

R11,R12

470Ω电阻

2

20

R17,R21,R22,R23,R24

51Ω电阻

5

21

R19

47kΩ电阻

1

22

S1,S2,S3

轻触按键

3

23

U1

LM1117-3.3

1

24

U2

STM32F103Rx

1

25

U3

74HC244

1

26

Y1

8M无源晶振

1

27

Y2

32.768K无源晶振

1

参考文献

[1]李宁.基于MDK的STM32处理器开发应用.北京：

北京航空航天大学出版社，2008

[2]王永虹，郝立平.STM32系列ARMCortex-M3微控制器原理与实践.北京：

北京航空航天大学出版社，2008

[3]意法半导体公司.STM32F103CDE增强型系列数据手册.pdf.意法半导体公司，2009.3

[4]意法半导体公司.STM32F10x微控制器参考手册.pdf.意法半导体公司，2009.12

[5]意法半导体公司.STM32F10xxxhardwaredevelopmentV5.pdf.意法半导体公司，2010.10

[6]张睿编著.AltiumDesigner6.0原理图与PCB设计.北京：

电子工业出版社，2007

[7]刘小伟，刘宇，温培和编著.Altiumdesigner6.0电路设计实用教程.北京：

电子工业出版社，2007.2

[8]北京三恒星科技公司编著.AltiumDesigner6设计教程.北京：

电子工业出版社，2007

设计心得体会

此次设计基于STM32的最小系统虽然比较简单，但也算是一个完整系统。

使用了AltiumDesigner（Protel的升级版本）设计了这个STM32F103Rx系列微控制器的最小系统，包括原理图和PCB的绘制，巩固了对EDA软件的使用。

借助EDA软件高效快速的完成了本次设计，EDA技术极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度，EDA技术也将发展的越来越强大。

虽然由于学校培养方向的关系未曾开设过类似课程，但作为一个电子专业的学生，这些基本的EDA软件还是需要掌握的，因此此次EDA实训还算顺利。

由于时间关系，此次设计只涉及EDA技术的电路设计及PCB设计，选用的软件也仅为AltiumDesigner，有机会还应该学习和掌握下其它EDA技术，如仿真工具的使用，数字系统设计等。

由于此次设计的是STM32的最小系统，因此对系统的扩展性让我设计方案时考虑了很久，主要是有些功能的复用选择，还有是否增加一个RS232电平转换来支持串口下载等问题，考虑到JTAG的普遍性和通用性，就未增加串口下载电路了。

此次设计不但巩固了对EDA软件的使用，还锻炼了设计报告的编写和排版，一个好的作品不但要有出色的设计，还需要详实的文字表达，设计报告不单单是对办公软件的熟悉及文字的撰写，更多的是锻炼我们对一个工程的总结，使我们的设计更加规范化。