第1章开发板硬件结构.doc

第1章 开发板硬件结构OpenM3V开发板是作者专门为本书设计的硬件原型，采用了ST公司基于M3核的STM32F103VB，可通过ISP下载，也可以通过JTAG方式调试和下载。开发板上提供了众多的功能部件，都是工程师在实际应用中常用并必须要使用的模块，充分使用这些模块能尽可能地发挥STM32系列的性能。这些功能模块包括键盘和LED灯功能部件；I2C方式接口的EEPROM储存器电路；两个RS-232串口电路；简单AD采集电路，语音AD采集电路；CAN接口电路；USB接口电路；JTAG接口电路；后备供电电路；SPI方式接口的Flash储存器接口电路模块，SPI方式接口的SD卡电路，SPI方式接口的12864点阵液晶接口电路，SPI方式接口2.4G无线通信模块接口电路，SPI方式接口的779928MHz频段无线模块接口电路；PWM方式调光电路，PWM方式语音输出电路及连接直流无刷电动机驱动板的接口电路等，同时结合灵活的跳线，所有的I/O口都可以单独引出，可以极大地方便读者进行嵌入式开发。1.1 电路原理图OpenM3V开发板硬件原理图如图1-1-1图1-1-5所示。图1-1-1 芯片最小系统部分图1-1-2 USB、CAN 和JTAG接口电路图图1-1-3 RS-232和24C02电路图1-1-4 LCD和无线模块接口电路图图1-1-5 SD卡和Flash接口电路图1.2 原理图说明1.2.1 电源电路STM32系列的工作电压（VDD）为2.03.6V，通过内置的电压调节器提供所需的1.8V电源。当主电源VDD掉电后，通过VBAT脚为实时时钟（RTC）和备份寄存器提供电源。OpenM3V开发板电源电路如图1-2-1所示，使用USB口输入5V电源，通过电容滤波和电感对瞬态电流的限制，使用LM1117为系统提供稳定的3.3V电源。当系统供电后，有一指示灯被点亮，提示系统处于供电状态。图1-2-1 电源电路STM32F103VB系列具有独立的模拟电源引脚，为了提高模拟系统的抗噪性，模拟部分应该与数字部分分开供电，如图1-2-2所示。在电路上，使用L1、L2、C5、C6作为模拟电路部分，用于隔离来自数字电路部分的噪声。图1-2-2 模拟部分与数字部分分开供电1.2.2 系统复位电路在STM32系列芯片中，由于有完善的内部复位（RESET）电路，外部复位电路就特别简单，使用阻容复位方式即可，如图1-2-3所示。图1-2-3 复位电路图1.2.3 时钟电路STM32系列的控制器可以使用外部晶振或外部时钟源，经过内部PLL或不经过内部PLL为系统提供参考时钟，也可以使用内部RC振荡器经过或不经过内部PLL为系统提供时钟源。当使用外部晶振作为系统时钟源时，外部晶振的频率为416MHz，可以为系统提供精确的系统参考源。OpenM3V开发板使用8MHz外接晶振为系统提供精确的系统时钟参考，使用32.768kHz低速外部晶体作为RTC时钟源，连接到芯片的PC14、PC15脚，具体电路如图1-2-4所示。 图1-2-4 晶振电路图1.2.4 JTAG接口电路OpenM3V开发板采用标准14引脚JTAG仿真调试接口，该接口信号定义与STM32F103VB连接，如图1-2-5所示。注意，当不作为JTAG口使用，而是作为普通I/O口使用时，要注意其口线上的上拉和下拉电阻的影响，当然也可以焊下，不使用这些电阻。图1-2-5 JTAG接口电路1.2.5 串口电路STM32系列芯片有25个不等异步串口，STM32F103VB拥有3个异步串口。开发板通过一片MAX3232把串口1和串口2的3.3V电平转换为RS-232电平。通过一个跳线组J5，可以把这些端口与串口部分电路断开或相连接。当跳线帽短接时，连接芯片引脚到串口电平转换电路；当跳线帽断开时，这些引脚可以作为通用I/O口使用。开发板上，STM32F103VB的PA10（69引脚）对应RX1，PA9（68引脚）对应TX1，PA3（26引脚）对应RX2，PA2（25引脚）对应TX2。这两个串口的数据发送端连接到DB9阴（母）插头的2引脚，数据接收端连接到DB9阴头的3引脚，DB9接头与PC串口相接时，使用直连串口线相连接，同时，串口1可以作为程序ISP下载的接口，具体电路如图1-2-6所示。图1-2-6 串口电路图1.2.6 键盘电路OpenM3V开发板有独立的7个按键，分别为K1K7，如图1-2-7所示。由于STM32F系列芯片的每一个引脚都可以定义为中断脚，所以也可以定义这些按键作为外部中断输入口，或用来唤醒在睡眠或停机状态的CPU。图1-2-7 按键电路图开发板上，PE0连接K1，PE1连接K2，PE6连接K7。虽然所有的STM32F系列芯片内部都有上拉和下拉选项，在此处加上上拉电阻只是为了更好地说明这个上拉电阻的作用。在对功耗要求很严的应用中，按键的上拉电阻阻值应相应取大一点，以减少这一部分的电流消耗。在按键的两端加上一个电容，能旁路掉一定量的键盘按下和松开时的抖动，其值在0.11.0F之间，此处采用0.1F电容。按键按下时，采集到的电压值为低；按键松开时，采集到的电压值为高，通过判断连接到芯片I/O口电压的高低来判断按键的状态。1.2.7 LED灯电路OpenM3V开发板有独立的8个LED灯，使用I/O口来控制，PD0控制LED1，PD1控制LED2，PD7控制LED8。当I/O口为高电平时，LED灯灭；当I/O口为低电平时，LED灯亮，具体电路如图1-2-8所示。 图1-2-8 LED电路图同时，还有一路使用PWM来模拟DAC输出可以调光输出的LED灯，电路如图1-2-9所示。PWM_V连接芯片的PD14引脚，也即重映射TIM4的CH3引脚。图1-2-9 PWM驱动电路图1.2.8 I2C接口电路STM32F103VB具有两路均支持400kHz高速通信模式的硬件I2C电路接口。在开发板上使用一片具有I2C接口的EEPROM储存器芯片24C02，可以通过I2C接口实现数据的读写等操作。电路图如图1-2-10所示，24C02连接到STM32F103VB的I2C_2接口，使用跳线J6与系统相接。只有跳线帽短接时，I2C_2接口连接到24C02芯片上；当断开时，I2C_2接口可以用作普通的I/O口。图1-2-10 24C02接口电路图I2C总线上拉电阻的值与总线速度有关，当总线速度高达400kHz时，应使用1k的电阻，可以实现快速的总线上升和下降变化。当使用标志的100kHz总线速度时，可以选用5.6k或10k总线上拉电阻，以降低总线操作时的功率消耗。为了兼容高速总线，此处选用1k总线上拉电阻。1.2.9 ADC电路STM32F103VB具有两个12位模数转换器，共有17个通道，转换速率高达1000kHz，具有独立的参考电源引脚。开发板通过跳线J12可以选择经过隔离的3.3V或语音采集电压参考，也可以直接从需要的地方引入参考电压。注意，J12跳线最多只能选择一个，开发板初始状态时参考源选择VREF_3.3，具体跳线电路如图1-2-11所示。图1-2-11 ADC参考跳线图OpenM3V开发板提供一路直流电压测量电路和一路语音采集电路。直流电压采集电路如图1-2-12所示，直流电压连接到ADC_13引脚。可调电阻调节输入到ADC的电压，在VIN点可以通过万用表测出电压值。开发板上直接使用电源作为参考源，不能满足高精度的电压测量，也没有发挥出12位ADC的性能，如果需要完全发挥STM32F103VB芯片ADC的性能，需要使用精密参考源引入VREF+引脚。图1-2-12 直流电压采集电路1.2.10 USB电路USB外设实现了USB2.0全速总线接口，并支持USB挂起/恢复操作，可以停止设备时钟，实现低功耗。ST-EasyM3开发板通过USB接口提供电源，接口电路如图1-2-13所示。通过J2跳线可以断开和接通USB电路，通过J1可以选择通过是CPU控制上拉还是始终选择上拉。如果选择CPU来控制上拉，则通过PC11来控制。图1-2-13 USB接口电路1.2.11 CAN电路bxCAN是基本扩展Basic Extended CAN的缩写，它支持CAN协议2.0A和2.0B。它的设计目标是：以最小的CPU负荷来高效处理大量收到的报文。它也支持报文发送的优先级要求（优先级特性可用软件配置）。CAN主要应用于需要快速响应的系统中，bxCAN提供所有支持时间触发通信模式所需的硬件功能。 STM32F103VB芯片有一路硬件CAN接口，电路图如图1-2-14所示。通过跳线J3来连接和断开芯片与CAN驱动的连接，使用65HVD230驱动芯片连接到CAN总线上，使用J4跳线来选择使用终端200网络电阻。图1-2-14 CAN接口电路图1.2.12 语音采集和播放电路STM32F103VB芯片拥有性能优越的ADC和高效的PWM输出，可以充分使用芯片的资源来进行语音的采集和语音输出。图1-2-15是语音采集和语音输出的电路图。语音采集使用ADC_1，使用语音采集时，ADC参考源要选择（J12）VREF_MIC。语音采样使用18kHz/s的采样频率，使用12位数据。语音输出PWM频率为18kHz，与语音采样速率一样。图1-2-15 语音采集和播放电路可以通过PC机或MP3等设备输入音频信号，通过STM32采集，然后通过PWM方式输出来，再通过扬声器或耳机复现，实现语音采集和语音播放。1.2.13 SPI接口电路串行外设接口（SPI）允许芯片与外部设备以半/全双工、同步、串行方式通信。此接口可以被配置成主模式，并为外部从设备提供通信时钟（SCK）。接口还能以多主配置方式工作，可用于多种用途，包括使用一条双向数据线的双线单工同步传输。STM32F103VB具有两路SPI接口，最高速度可以达到18MHz。ST-EasyM3开发板上拥有众多的SPI接口设备，通过SPI可以很容易地连接众多设备，实现与这些设备的高速通信。开发板上的SPI接口设备非常丰富，有2.4G无线模块接口、863925MHz频率无线模块接口，SD卡接口、12864点阵液晶接口、Flash储存器接口和TF/SD卡接口。（1）2.4G无线接口。其电路如图1-2-16所示。通过J8跳线来接通和断开与2.4G无线模块控制口线与芯片的连接；L4、C22和C23为无线模块电源进行滤波，保证无线模块电源的干净度；STM32F103VB芯片的SPI2接口与无线模块的SPI接口相连。图1-2-16 2.4G无线模块（2）830925MHz无线模块接口。其电路如图1-2-17所示。通过J11来接通和断开芯片与模块的连接；L5、C56和C57为无线模块电源进行滤波，以保证无线模块电源的干净度；STM32F103VB芯片的SPI1与无线模块的SPI接口相连。图1-2-17 ISM工业频段无线模块（3）12864点阵LCD模块接口。其电路如图1-2-18所示。通过J7跳线来接通和断开芯片与LCD点阵模块的连接。在开发板上，相应地放置了点阵液晶模块所必需的元器件。当要使用点阵液晶模块时，J7跳线必须全部短接。图1-2-18 12864点阵模块接口电路（4）SD/TF卡接口。其电路如图1-2-19所示。通过跳线J9来接通和断开芯片与SD/TF卡的连接。通过SD_POWER口线来控制SD/TF卡的供电，可以重新复位SD/TF卡。通过对SD_FIND口线电平的判断，来识别SD/TF卡是否插入。当SD/TF卡供电时，LED11将被点亮。图1-2-19 TF/SD卡接口电路（5）Flash储存器接口。其具体电路如图1-2-20所示。通过J10跳线来接通和断开芯片与Flash储存器的连接。在开发板上有一片具有SPI接口的Flash储存器芯片SST25VF016B，可以通过SPI接口高速地实现数据的读和写操作，SST25VF016B连接到芯片的SPI2接口。图1-2-20 Flash接口电路1.2.14 电动机驱动板接口电路STM32F系列芯片中，至少有一个高级定时器，这个定时器的主要功能是为方便控制电动机而设立的。开发板上的电动机驱动板接口电路如图1-2-21所示。在J13接口中引入了T1_CH1、T1_CH1N、T1_CH2、T1_CH2N、T1_CH3、T1_CH3N用于控制电动机的三相六极；T3_1_H1、T3_2_H2、T3_3_H3用于连接霍尔传感器，T4_1_B1、T4_2_B2用于连接编码器；ADC_1、ADC_2、ADC_3、ADC_T用于采集三相电流和驱动板上的温度；T1_BKIN用作紧急按钮。同时可以为开发板提供3.3V和5.0V电源。图1-2-21 电动机驱动板接口电路1.3 开发板元器件布局图OpenM3V开发板元器件布局如图1-3-1所示。图1-3-1 开发板元器件布局图1.3.1 跳线器说明OpenM3V开发板跳线器说明表如表1-3-1所示。表1-3-1 跳线器说明表跳 线 器I/O口跳 线 选 择功 能 说 明J1PC11USB_ABLE此为三端跳线，短接USB_ABLE端时，由PC11控制上拉，短接地时，连通上拉电阻J2PA12USBDP短接时，PA12连接USBDPPA11USBDM短接时，PA11连接USBDM，使用USB时，两个都需短接J3PB9CANTX短接时，PB9连接CANTXPB8CANRX短接时，PB8连接CANRX，使用CAN时，两个都需短接J4短接时，连接200电阻J5PA9TX1短接时，PA9连接RS-232电平转换芯片PA10RX1短接时，PA12连接RS-232电平转换芯片PA2TX2短接时，PA12连接RS-232电平转换芯片PA3RX2短接时，PA12连接RS-232电平转换芯片J6PB10SCL2短接时，连接24C02的SCL引脚PB11SDA2短接时，连接24C02的SDA引脚J7PD8LCD_A0短接时，PD8连接点阵液晶模块的控制口线PD9LCD_RSET短接时，PD9连接点阵液晶模块的复位口线PD10LCD_SS短接时，PD10连接点阵液晶模块的片选口线PB15MOSI_2短接时，连接点阵液晶模块的MOSI引脚PB13SCK_2短接时，连接点阵液晶模块的SCK引脚J8与2.4G模块有关PD11PD短接时，PD11连接2.4G无线模块掉电控制引脚PC9IRQ短接时，PC9连接2.4G无线模块中断输出引脚PA8RF_SS短接时，PA8连接2.4G无线模块片选引脚PD15RSET短接时，PD15连接2.4G无线模块复位引脚J9PA0SD_POWER短接时，PA0连接SD卡电源控制引脚PC2SD_FIND短接时，PC2连接SD卡插入判断引脚PA4SD_SS短接时，PA4连接SD卡片选引脚PA5SCK1短接时，PA5连接SD卡SCK引脚PA6MISO1短接时，PA6连接SD卡MISO引脚PA7MOSI1短接时，PA7连接SD卡MOSI引脚J10PB12FLASH_SS短接时，PB12连接25P80的片选引脚PB13SCK2短接时，PB13连接25P80的SCK引脚PB14MISO2短接时，PB14连接25P80的MISO选引脚PB15MOSI2短接时，PB15连接25P80的MOSI选引脚J11PB7IRQ短接时，PB7连接工业ISM频段无线模块中断输出引脚PC0SLP短接时，PB7连接工业ISM频段无线模块功能引脚PC1RSET短接时，PB7连接工业ISM频段无线模块复位引脚PC13SEL短接时，PB7连接工业ISM频段无线模块片选引脚PA5SCK1短接时，PB7连接工业ISM频段无线模块SCK引脚PA6MISO1短接时，PB7连接工业ISM频段无线模块MISO引脚PA7MOSI1短接时，PB7连接工业ISM频段无线模块MOSI引脚续表 跳 线 器I/O口跳 线 选 择功 能 说 明J12VREF+VREF_MIC短接时，参考电源连接语音转换参考电源点VREF+VREF_3.3短接时，参考电源连接到经过隔离的3.3V电源上开发板上的众多功能模块可以通过跳线与芯片连接或断开。开发板上绝大部分采用两针跳线，跳线器的两边均标记有其相应的功能符号。当跳线短接时，CPU连接功能模块；当跳线断开时，CPU和功能模块断开，可以作为普通的I/O口用。在这12个跳线块中，J1为三端跳线，可以选择跳接GND和USB_ABLE，J12为参考电源跳线块，当使用ADC模块时，必须选择一个参考源。一般测试可以选用VREF_3.3，当使用语音采集电路时，可以选择VREF_MIC。注意，参考源只能跳接一个，跳接VREF_3.3时，就不能接VREF_MIC，反之一样。接通UART1和UART2时使用J5跳线块；当使用UART1时，必须跳接TX1和RX1两个跳线；当使用UART2时，必须跳接TX2和RX2。其他的跳线块在使用器功能部件时必须全部跳接上。下面对每一个跳线器做详细的说明。1J1USB上拉电阻控制J1跳线器在开发板上的位置如图1-3-2所示，是唯一的三端跳线器，跳线器的中间引脚连接上拉电阻控制端。当跳线帽跳接到GND端时，中间引脚连接到GND，这时控制端口接入低电平，电路导通，使能上拉电阻。当跳线帽端口跳接到USB_ABLE端口时，上拉电阻控制端与芯片的PC11端口相连，当PC11输出高电平时，电路截止，使能上拉电阻；当PC11输出低电平时，电路导通，使能上拉电阻，这时可以在程序中控制上拉电阻是否有效。2J2USB接口通过跳线器J2的选择，STM32F103VB的USB数据引脚USBDP和USBDM连接到USB接口电路和USB插座上，可以通过USB进行数据通信。J2跳线器和USB接口在开发板上的位置如图1-3-2所示。图1-3-2 USB和CAN功能模块在PCB电路板上的位置图 3J3CAN接口通过跳线J3的选择，STM32F103VB的CAN总线CANRX和CANTX连接到CAN总线驱动器上，可以实现CAN总线通信。开发板上的CAN总线驱动器没有采用隔离电源和实行电气隔离，在实际应用中，隔离是必不可少的，这就增加了CAN总线的使用成本。J3跳线器及CAN接口在开发板上的位置如图1-3-2所示。4J4终端电阻跳线当此设备处在CAN总线的终端时，通过J4跳线选择接入200的终端电阻。当此设备不是CAN总线终端设备时，去掉J4跳线帽，断开终端电阻。J4跳线器在开发板上的位置如图1-3-2所示。5J5UART串口通过J5跳线器的选择，STM32F103VB的UART1和UART2引脚连接到MAX3232转换芯片上，然后连到通道DB9插座上，从而可以进行串口通信。当短接RX1和TX1跳线帽时，UART1串口被连接；当短接RX2和TX2时，UART2串口被连接。UART1和UART2可以独立被连接使用。J5跳线器及串口在开发板上的位置如图1-3-3所示。图1-3-3 J5跳线器及串口在开发板上的位置6J6I2C接口通过跳线器J6的选择，STM32F103VB芯片的I2C总线SCL2和SDA2将与开发板上的24C02相连，芯片可以通过I2C总线对24C02进行读或写操作。J6和24C02在开发板上具体位置如图1-3-4所示。图1-3-4 J6和24C02在开发板上的具体位置7J7点阵液晶接口通过跳线器J7的选择，STM32F103VB芯片可以连接到12864点阵液晶模块上，以驱动液晶模块。芯片通过PD8引脚控制液晶模块A0口，以实现数据和指令的转换；通过PD9引脚来控制液晶模块的复位脚；通过PD10引脚来作为SPI选择液晶模块的片选脚。液晶模块连接到芯片的SPI2接口。J7跳线器和12864液晶模块接口在开发板上的具体位置如图1-3-5所示。开发板标准配置没有此液晶模块。图1-3-5 J7跳线器和12864液晶模块接口在开发板上的具体位置8J82.4G无线模块接口通过跳线器J8的选择，STM32F103VB芯片可以连接到2.4G无线模块上，以驱动无线模块实现数据的无线通信。开发板上标准配置没有2.4G无线模块，其具体位置如图1-3-6所示。图1-3-6 J8跳线器和2.4G模块接口在开发板上的具体位置9J9SD/TF卡通过跳线器J9的选择，STM32F103VB芯片的SPI1可以连接到SD/TF卡接口上。由于TF卡广泛应用于手机和数码设备中，在通用的容量下有更小的体积，所以在市场中的占有量大大超过SD卡，具有更大的通用性。在开发板上没有选用大多数开发板选用的SD卡座，而是选用了更加通用的TF卡座。短接跳线器J9，芯片通过PA0引脚，可以控制SD/TF卡的电源开关；芯片通过对PC2引脚电平的读取，可以判断TF卡是否插入到卡座中；PA4为SP1是否选择TF卡通信的片选脚。J9跳线器和TF卡座在开发板上的具体位置如图1-3-7所示。10J10Flash存储器通过跳线器J10的选择，芯片的SPI2接口可以连接到Flash存储器SST25VF016B芯片上，通过SPI对SST25VF016B进行读写操作。J10跳线器在开发板上的具体位置如图1-3-4所示。11J11工业ISM频段模块通过跳线器J11的选择，STM32F103VB芯片可以连接到工业ISM频段无线模块上，以驱动无线模块实现数据的无线通信。开发板上标准配置没有工业ISM频段无线模块，J11跳线器和工业ISM频段无线模块在开发板上的具体位置如图1-3-8所示。12J12ADC参考电源通过跳线器J12可以选择不同的ADC转换标准源。J12跳线只能选择一个或者不选择，绝对不可以同时选择，这是和其他跳线器有区别的地方。当使用ADC采集语音数据时，需要把J12跳线器的VREF_MIC短接，VREF_3.3要断开；当进行一般ADC转换测试时，短接VREF_3.3，断开VREF_MIC跳线。也可以从别处引入标准电压源到VREF+端，这时不能跳接任何一个跳线帽在J12上。J12跳线器在开发板上的具体位置如图1-3-8所示。 图1-3-7 J9跳线器和TF卡座在 图1-3-8 J11、J12跳线器和工业ISM频段开发板上的具体位置 无线模块在开发板上的具体位置1.3.2 硬件资源使用表1-3-2为开发板芯片资源使用情况表。表1-3-2 开发板芯片使用情况表引 脚 号I/O 号实 现 功 能引 脚 号I/O 号实 现 功 能1PE2K314NRST复位2PE3K415PC0SLP3PE4K516PC1RESET4PE5K617PC2SD_FIND5PE6K718PC3ADC136VBAT19VSSA7PC13TAMPER20VREF-8PC1432.768kHz21VREF+9PC1532.768kHz 22VDDA10Vss_523PA0SD_POWER11Vdd_524PA1M1C12OSC_IN8MHz晶振25PA2TX213OSC_OUT8MHz晶振26PA3RX2续表 引 脚 号I/O 号实 现 功 能引 脚 号I/O 号实 现 功 能27Vss_464PC7PC728Vdd_465PC8PC829PA4SD_SS66PC9PC930PA5SCK_167PA8PA831PA6MISO_168PA9TX132PA7MOSI_169PA10RX133PC4ADC_170PA11USBDM34PC5ADC_271PA12USBDP35PB0ADC_372PA13JTCK/SWDIO36PB1ADC_T73没有接37PB2BOOT174Vss_238PE7T1_ETR75Vdd_239PE8T1_CH1N76PA14JTCK/SWCLK40PE9T1_CH177PA15JTDI41PE10T1_CH2N78PC10PC1042PE11T1_CH279PC11PC1143PE12T1_CH3N80PC12PC1244PE13T1_CH381PD0LED145PE14T1_CH482PD1LED246PE15T1_BKIN83PD2LED347PB10SCL_284PD3LED448PB11SDA_285PD4LED549Vss_186PD5LED650Vdd_187PD6LED751PB12FLASH_SS88PD7LED852PB13SCK_289PB3JTDO53PB14MISO_290PB4JNTRST54PB15MOSI_291PB5PB555PD8LCD_AO92PB6PB656PD9LCD_RESET93PB7PB757PD10LCD_SS94BOOT058PD11PD1195PB8CANRX59PD12PD1296PB9CANTX60PD13PD1397PE0K161PD14PD1498PE1K262PD15PD1599Vss_363PC6PC6100Vdd_3