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本文详细介绍了 STM32 单片机最小系统#xff0c;包括其各个组成部分及设计要点与注意事项。STM32 最小系统在嵌入式开发中至关重要#xff0c;由电源、时钟、复位、调试接口和启动电路等组成。
在电源电路方面#xff0c;采用 3.3V 直流电源供…STM32 单片机最小系统全解析
本文详细介绍了 STM32 单片机最小系统包括其各个组成部分及设计要点与注意事项。STM32 最小系统在嵌入式开发中至关重要由电源、时钟、复位、调试接口和启动电路等组成。
在电源电路方面采用 3.3V 直流电源供电通常使用 AMS1117-3.3 电源芯片将 5V 电压转换为稳定的 3.3V 电压多个滤波电容可有效去除电源中的杂波和干扰信号。
时钟电路中晶振为单片机提供运行的时钟信号STM32 有高速和低速两种晶振高速晶振一般为主时钟晶振常见频率为 8MHz低速晶振通常为 RTC 时钟晶振频率一般为 32.768kHz。晶振两端连接的电容可起到滤波和消除电感干扰的作用通过选择合适的电容值可与晶振形成并联谐振电路使晶振输出的震荡频率更加稳定。
复位电路有手动复位和上电复位两种方式手动复位通过按键实现上电复位利用电容的充放电特性。STM32 是低电平复位复位时初始化各个寄存器但不包括 RAM。
调试接口电路中常用的调试下载方式有 JTAG 和 SWD。SWD 调试接口结构简单节省 I/O 口和板子空间在高速模式下更加可靠。
启动电路有三种启动模式由 BOOT0 和 BOOT1 引脚在复位时的状态决定。从主 Flash 启动是最常见的启动方式代码存储在 STM32 的内置 Flash 中从系统存储器启动时内置 ROM 的起始地址将被重映射到 0x00000000 地址从嵌入式 SRAM 中启动时适合调试但掉电丢失。
在设计要点方面晶振电路设计要注意电阻、电容的选择和作用复位电路采用手动复位的方式通过按键实现电源稳压电路要选用合适的稳压芯片。
注意事项包括走线要求、焊接技巧、检查引脚连接和通断的方法、芯片焊接步骤及注意事项、非正常短接的找错方法以及 PCB 绘制中的快捷键、注意事项和技巧。
总之了解和掌握 STM32 单片机最小系统的组成、设计要点和注意事项对于嵌入式开发人员来说至关重要。 一、STM32 最小系统概述 STM32 单片机最小系统在嵌入式开发中具有至关重要的地位它是单片机稳定运行的基础。就如同一个人的身体系统需要各个器官协同工作才能保持健康STM32 单片机也需要最小系统的各个组成部分共同作用才能正常运行。
最小系统主要由电源、时钟、复位、调试接口和启动电路等组成。电源是整个系统的动力来源就像人的消化系统为身体提供能量一样。STM32 的工作电压一般为 1.8 - 3.3V通常使用 3.3V 直流电源为其供电。为了保证电源的稳定性电路中通常会加入多个滤波电容。
时钟电路犹如人的心脏为单片机提供运行的节奏。STM32 有两组晶振主时钟晶振一般为 8MHz为单片机提供主时钟信号RTC 时钟晶振通常为 32.768kHz为实时时钟提供时钟信号。晶振两端通常会连接电容起到滤波和稳定频率的作用。
复位电路则是单片机的免疫系统当系统出现故障或混乱时可通过复位让系统重新开始。STM32 是低电平复位通常有手动复位和上电复位两种方式。上电复位利用电容的充放电特性在上电瞬间使复位引脚为低电平经过一段时间后电容充电完成复位引脚变为高电平单片机开始正常工作。手动复位则通过按键实现按下按键时复位引脚接地为低电平松开后恢复高电平。
调试接口是开发过程中不可或缺的部分它方便开发者进行程序的下载和调试。常见的调试接口有 JTAG 和 SWD现在 SWD 调试接口使用较为广泛它只需两根线即可实现调试和下载功能。
启动电路则决定了单片机的启动方式。STM32 有三种启动模式由 BOOT0 和 BOOT1 引脚在复位时的状态决定。一般情况下如果想用串口下载代码则必须配置 BOOT0 为 1BOOT1 为 0如果想让 STM32 按下复位键就开始跑代码则需要配置 BOOT0 为 0BOOT1 随便设置都可以。
综上所述STM32 最小系统的各个组成部分相互配合共同为单片机的稳定运行提供了保障。
二、组成部分详解 一电源电路
STM32 的工作电压一般为 1.8 - 3.3V通常使用 3.3V 直流电源为其供电。电源电路中稳压芯片起到关键作用如常见的 AMS1117-3.3 电源芯片可将输入的 5V 电压转换为稳定的 3.3V 电压为 STM32 及其他电路模块提供合适的工作电压。电容在电源电路中也非常重要起到滤波的作用。多个滤波电容可以有效去除电源中的杂波和干扰信号保证电源的稳定性。例如当电源中出现高频噪声时小容量的陶瓷电容可以快速充放电将高频噪声滤除而大容量的电解电容则可以对低频波动进行平滑处理确保电源电压的稳定输出。
二时钟电路
晶振在 STM32 中起着至关重要的作用就如同心脏为人体提供节奏一样晶振为单片机提供运行的时钟信号。STM32 有高速和低速两种晶振。高速晶振一般为主时钟晶振常见的频率为 8MHz为单片机提供主时钟信号使单片机能够高速运行各种程序和任务。低速晶振通常为 RTC 时钟晶振频率一般为 32.768kHz为实时时钟提供精确的时钟信号保证时间的准确记录。在晶振两端连接的电容一方面可以起到滤波的作用减少外部干扰对晶振频率的影响另一方面还可以消除晶振的电感干扰。根据搜索到的资料晶振在电气上可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络通过选择合适的电容值可以与晶振形成并联谐振电路从而使晶振输出的震荡频率更加稳定。
三复位电路
复位电路主要有手动复位和上电复位两种方式。手动复位是通过按键实现的当按下按键时复位引脚接地为低电平松开后恢复高电平。这种方式在系统出现故障或需要重新启动时非常方便。上电复位则利用电容的充放电特性在上电瞬间由于电容两端电压不能突变复位引脚为低电平随着电容充电完成复位引脚变为高电平单片机开始正常工作。STM32 是低电平复位当复位引脚为低电平时系统进行复位操作初始化各个寄存器包括最重要的 PC 指针但不包括 RAM。然后单片机从复位地址开始执行程序。
四调试接口电路
在程序开发过程中常用的调试下载方式有 JTAG 和 SWD。JTAGJoint Test Action Group是一种国际标准测试协议主要用于芯片内部测试。标准的 JTAG 接口是 4 线TMS、TCK、TDI、TDO分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。SWDSerial Wire Debug是一种和 JTAG 不同的调试模式使用的调试协议也不一样。与 JTAG 的 20 个引脚相比SWD 只需要 4 个或者 5 个引脚结构简单节省了 I/O 口和板子空间。例如正常的 JTAG 需要 20 管脚而 J-Link 的 SWD 只需要 2 根线PA13/JTMS/SWDIO、PA14/JTCK/SWCLK就够了加上电源线也就 4 根。SWD 在高速模式下面更加可靠在大数据量的情况下面 JTAG 下载程序会失败但是 SWD 发生的几率会小很多。
五启动电路
STM32 有三种启动模式由 BOOT0 和 BOOT1 引脚在复位时的状态决定。一般情况下如果想用串口下载代码则必须配置 BOOT0 为 1BOOT1 为 0如果想让 STM32 按下复位键就开始跑代码则需要配置 BOOT0 为 0BOOT1 随便设置都可以。从主 Flash 启动是最常见的启动方式代码存储在 STM32 的内置 Flash 中启动时内置 Flash 的起始地址将被重映射到 0x00000000 地址代码将在该处开始执行。从系统存储器启动时内置 ROM 的起始地址将被重映射到 0x00000000 地址代码在此处开始运行。ROM 中有一段出厂预置的代码可通过 UART/CAN 或 USB 等将代码写入 STM32 的内置 Flash 中。从嵌入式 SRAM 中启动时内置 SRAM 的起始地址将被重映射到 0x00000000 地址代码在此处开始运行。这种模式适合调试因为烧录程序过程中不需要擦写 Flash速度较快但掉电丢失。
三、设计要点与注意事项 一设计要点
晶振电路设计包括电阻、电容的选择和作用。 晶振选用 8MHz 的无源晶振具有高精度、高频率稳定性、可靠性强等优良特性。晶振的输入输出端连接电阻一般为 M 欧级本系统中选用 1M 欧电阻起到产生负反馈的作用保证放大器能够工作在高增益的线性区。晶振两端的电容一般选择 10 - 40pF起到使晶振两端的等效电容等于或接近于负载电容的作用同时还能起到一定的滤波作用滤除晶振波形中的高频杂波。一般情况下增大电容会使振荡频率下降而减小电容会使振荡频率升高。
复位电路采用手动复位的方式及原理。 复位电路采用手动复位的方式通过引入按键的使用达到手动复位的目的。STM32 是低电平复位按键按下时NRST 引脚和 GND 导通从而在该引脚出产生一个低电平从而实现单片机的复位。复位电路由一个按键、一个电容、一个上拉电阻组成。接上电源瞬间电容等效于短路此时 NRST 点为低电位接地STM32 复位。当电容充电完成后电容等效于开路NRST 点电位回升为高电平。按下按键 KEY1NRST 点接地变为低电平STM32 复位。按键松开后NRST 点回升为高电平。
电源稳压电路的分析选用合适的稳压芯片。 由于本系统所使用电源适配器提供的是 5V 的电压源而系统所使用的 MCU 的正常工作电压是 3.3V所以需要进行降压处理。该电路设计所采用的是 AMS1117 这一款正向低压降稳压器选用的稳压 IC 是 AMS1117 系列的 3.3V 降压版本其输出电压的精度为 1%满足了降压精度的需求。同时由于其内部集成有过热保护和限流电路所以在电源的使用过程中能够提供一定的安全保障。
二注意事项
走线要求不走直角且尽量粗。 走线不走直角可以减少信号反射和干扰提高电路的稳定性。走线尽量粗可以降低电阻减少电压降提高电源的效率。
焊接技巧温柔操作及时上锡保护。 焊接的时候要温柔太大力会造成损坏。一小会不用焊笔就要上锡保护防止焊笔氧化。
检查引脚连接、通断和排查问题的方法。 先检查引脚是否接对再检查通断可使用万用表进行检测。然后逐个点的排查问题如检查芯片引脚是否短接可使用万用表来调试不要相信肉眼。
芯片焊接步骤及注意事项。 芯片焊接步骤为粘锡拆引脚 - 粘锡分开引脚 - 对齐引脚再固定 - 放斜板子靠重力 - 引脚垂直焊笔来焊接 - 多的锡引到一起用松香一点点除去。固定用的一排引脚锡也不要加太多后面去掉很麻烦。一定要先确定好封装再去焊。
非正常短接的找错方法。 用小刀割开导线分段找问题。芯片的引脚拉长一点有助于检查短接问题。
PCB 绘制中的快捷键、注意事项和技巧。 在 PCB 绘制中合理设置铺铜和导线的间距可以宽一些避免干扰。为自制的板子加入指示灯有助于调试。底层的墨擦掉防止短路。输入线要粗保证电源供应稳定。在焊盘上的 PCB 是转印纸上的镜像绘制时要注意。原理图要让别人看得懂方便后续维护和修改。
