MCU最小系统电路设计（以STM32F103C8T6为例)

news2024/11/18 5:53:21

目录

一、何为最小系统？

二、最小系统电路设计

1.电源

（1）各种名词解释

（2）为什么会有VDD_1 _2 _3区分？

（3）Mirco USB

（4）5v->3.3v滤波电路

（5）电源指示灯

2.复位电路

（1）什么是复位

（2）复位引脚和电路

3.晶振模块

（1）复位引脚

（2）时钟和时钟树

（3）为什么不直接使用内部8M时钟源？

（4）8MHz主晶振介绍

（5）为什么选择32.768KHz RTC晶振？

（6）晶振原理图

4.程序下载口

（1）JTAG下载：

（2）SWD下载：

（3）串口下载：

（4）程序下载口原理图​编辑

5.启动方式

（1）三种启动方式：

（2）启动原理图

一、何为最小系统？

最小系统板就是一个最精简的电路，精简到只能维持MCU最基本的正常工作

二、最小系统电路设计

1.电源

（1）各种名词解释

VCC电路的供电正电压VDDD芯片的工作数字正电压
GND电路的供电负电压VSSD芯片的工作数字负电压
VDD芯片的工作正电压VREF+ADC基准参考正电压
VSS芯片的工作负电压VREF-ADC基准参考负电压
VDDA芯片的工作模拟正电压VBAT电池或其他电源供电
VSSA芯片的工作模拟负电压VEE负电压供电

VDDA，VSSA：

VBAT：（RTC为实时时钟，LSE为低速外部时钟）

（2）为什么会有VDD_1 _2 _3区分？

因为VDD和VSS在芯片内部都是连在一起的，封装的时候从不同的地方分别引出，目的是为了提供可靠的电源完整性。

（3）Mirco USB

  • 1）Vbus：电源引脚。
  • 2）D+：数据线+。
  • 3）D-： 数据线-。
  • 4）ID脚：Identification，检测的意思。ID线—以用于识别不同的电缆端点，mini-A插头(即A外设)中的ID引脚接地，mini-B插头（即B外设）中的ID引脚浮空。
  • 5）GND：接地

（4）5v->3.3v滤波电路

（5）电源指示灯

电路：

示例图：

2.复位电路

（1）什么是复位

就是让单片机程序复位，把除了备份区域寄存器以外所有寄存器状态恢复至原始状态，简单来说就是让程序重头开始跑。

 

（2）复位引脚和电路

复位引脚：当NRST为低电平时复位

复位电路：

3.晶振模块

（1）复位引脚

（2）时钟和时钟树

时钟：

时钟树：

（3）为什么不直接使用内部8M时钟源？

通过数据手册我们可以得知：内部的HSI是由ST出厂时校准过的，但是精度并不高，在0~70℃下误差范围达到1.3%到2%，即便是在标准的25℃下，也有 -1.1%到1.8% 的误差。

对于高波特率的异步串口通讯，或者需要高精度定时的场合，（如：需要跑积分算法的时候），用HSI就有隐患，甚至根本达不到设计要求。

（4）8MHz主晶振介绍

晶振是由石英晶体组成的，石英晶体之所以能当为振荡器使用，是基于它的压电效应：在晶片的两个极上加一电场，会使晶体产生机械变形；在石英晶片上加上交变电压，晶体就会产生机械振动，同时机械变形振动又会产生交变电场，虽然这种交变电场的电压极其微弱，但其振动频率是十分稳定的。当外加交变电压的频率与晶片的固有频率（由晶片的尺寸和形状决定）相等时，机械振动的幅度将急剧增加，这种现象称为“压电谐振”。

晶振电路为主控芯片提供系统时钟，所有的外设工作，CPU工作都要基于该时钟，类似于整个系统的“心跳节拍”。

晶振分为无源和有源，但是本质上都是皮尔斯震荡电路（反相放大器+电阻+电容+晶体+电源），只不过对于单片机而言，单片机内部集成了反相放大器和电阻以及电源，外接晶体和电容就可以了，这里的晶体就称之为无源晶振。

而有源晶振是将皮尔斯振荡器作成一个整体，直接加电源即可工作，当然，价格也会比无源的贵一些。

  • 增益控制： 增益很大的反相放大器。
  • 8MHZ谐振器： 晶体。
  • CL1、CL2： 匹配电容。是电容三点式电路的分压电容，接地点就是分压点。以接地点即分压点为参考点，输入和输出是反相的，但从并联谐振回路即石英晶体两端来看，形成一个正反馈以保证电路持续振荡，它们会稍微影响振荡频率，主要用与微调频率和波形，并影响幅度。
  • RF： 反馈电阻（一般≥1MΩ）它使反相器在振荡初始时处于线性工作区。
  • REXT： 限流电阻，与匹配电容组成网络，提供180度相移，同时起到限制振荡幅度，防止反向器输出对晶振过驱动将其损坏。

（5）为什么选择32.768KHz RTC晶振？

32.768KHZ的晶振产生的振荡信号经过石英钟内部分频器进行15次分频后得到1HZ/秒的信号。

那为什么选择15分频呢？

频度越高计时精度越高，误差越小。

通常工作频率越高，单片机等数字电路的功耗越大，32.768KHz这个频率比较低，对降低电路功耗有利。 

综上选择32.768Hz是取折中的选择！

（6）晶振原理图

4.程序下载口

STM32F103C8T6烧录下载方法大体上有三种，分别为JTAG下载，SWD下载，以及串口下载。

（1）JTAG下载：

JTAG全名为Joint Test Action Group，即为联合测试行动小组，是一种国际标准测试协议。JTAG下载是需要依靠烧录器的，标准的JTAG接口是4线的，包括 JTMS， JTCK，JTDI， JTDO,它们的功能分别是模式选择，时钟输入，数据输入和数据输出，烧录器上的引脚对应连接到STM32F103C8T6的I/O口分别为PA13,PA14,PA15,PB3，加上接VCC和GND，所以JTAG接口最少需要6个引脚。同时单片机的BOOT0，BOOT1引脚要接地。

（2）SWD下载：

SWD全名为Serial Wire Debug，即为串行调试接口。SWD下载是需要依靠烧录器的，SWD接口是2线的，包括SWDIO,SWCLK,它们的功能分别是数据输入输出和时钟输入，烧录器上的引脚对应对应连接到STM32F103C8T6的I/O口分别为PA13,PA14，加上接VCC和GND，所以SWD接口最少需要4个引脚。同时单片机的BOOT0，BOOT1引脚要接地。

（3）串口下载：

通过USART进行烧录下载。串口下载是不需要依靠烧录器的，它直接通过安卓线连接电脑和单片机，其中STM32F103C8T6与电脑相连接的串口为USART2，对应的I/O口为PA2(TX),PA3(RX)，一般在开发板上会使用串口下载，简单方便。同时单片机的BOOT0引脚要接高电平，BOOT1引脚要接低电平。

我们这里采用的烧录方式为SWD下载，下载电路设计时将PA13(SWDIO),PA14(SWCLK)，VCC和GND这4个引脚引出

（4）程序下载口原理图

5.启动方式

（1）三种启动方式：

第一种方式(boot0 = 0)：Flash memory启动方式

启动地址：0x08000000 是STM32内置的Flash

因为JTAG或者SWD模式下载程序时，是下载到内置的Flash中

所有重启后需要从内置Flash启动程序。

第二种方式(boot0 = 1；boot1 = 0)：System memory启动方式

启动地址：0x1FFF0000从系统存储器启动，这种模式启动的程序功能是由厂家设置的。

系统存储器是芯片内部一块特定的区域，STM32在出厂时，由ST在这个区域内部预置了一段BootLoader， 也就是我们常说的ISP程序， 这是一块ROM，出厂后无法修改。一般来说，我们选用这种启动模式时，是为了从串口下载程序，因为在厂家提供的BootLoader 中，提供了串口下载程序的固件，可以通过这个BootLoader将程序下载到系统的Flash中。

第三种方式(boot0 = 1;boot1 = 1)：SRAM启动方式。

启动地址：0x20000000 内置SRAM，既然是SRAM，自然也就没有程序存储的能力了，这个模式一般用于程序调试。假如我只修改了代码中一个小小的地方，然后就需要重新擦除整个Flash，比较的费时，可以考虑从这个模式启动代码（也就是STM32的内存中），用于快速的程序调试，等程序调试完成后，在将程序下载到SRAM中。

（2）启动原理图

总结：

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