STM32物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板電路工作原理分析

STM32是意法半導(dǎo)體公司(ST)推出的基于ARM Cortex-M內(nèi)核的一系列32位單片機，具有性能強、速度快、功耗低等優(yōu)點。在該系列單片機中，STM32F0系列采用ARM Cortex-M0內(nèi)核(功能較少)，STM32F1系列采用ARM Cortex~-M3內(nèi)核，STM32F4系列采用ARM Cortex-M4內(nèi)核(功能較多)。

0、引言

在現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中，多采用STM32F1系列單片機，如圖1所示。提示:ARM處理器是目前最有發(fā)展?jié)摿Φ奶幚砥髦?，Cortex 系列內(nèi)核是ARM處理器中最出色的/卓越的/優(yōu)異的/杰出的的內(nèi)核之一。在Cortex系列內(nèi)核中，Cortex-M系列內(nèi)核最適合物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的開發(fā)。
圖1所示單片機的型號是STM32F103C8T6，其型號含義:字母“ST"表示芯片生產(chǎn)公司的名稱，字母“M"表示該芯片是微控制器(Microelectron-ics)，數(shù)字“32"表示該芯片是32位單片機;字母“F”"表示通用型，即該單片機在性能、功能、功耗、價格方面較平衡，能滿足絕大多數(shù)普通應(yīng)用場合的要求;數(shù)字“103"表示子系列(STM32F系列單片機分為STM32F101、STM32F102、STM32F103、STM32F105、STM32F107等子系列)，其主頻最高為72MHz， Flash的容量可選范圍為16kB~1MB，具有USB和CAN總線功能;字母“C"表示該芯片有48個引腳，數(shù)字“8”表示該芯片的Flash的容量是64kB，字母"T”表示該芯片采用LQFP封裝形式，數(shù)字“6”表示芯片的工作溫度范圍是-40C~859C(.工業(yè)級)。
提示:若要了解STM32系列單片機的詳細參數(shù)，可進入意法半導(dǎo)體公司的官方網(wǎng)站www.st.com，先在"產(chǎn)品”分類中找到“微控制器”一項，然后選擇具體型號，雙擊打開即可。
1、開發(fā)板簡介
在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，控制的核心元件是單片機， 而單片機只有在寫入程序并且調(diào)試成功后，才能實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)的功能。由于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的傳感器與驅(qū)動元件較多，且安裝位置分散，不便于檢測與調(diào)試。為了提高單片機的編程與調(diào)試效率，當(dāng)今最流行的方法是采用開發(fā)板模式，即先將單片機(或者單片機最小系統(tǒng)板)安裝在開發(fā)板上，然后進行編程與調(diào)試，待符合設(shè)計要求后，再安裝到物聯(lián)網(wǎng)控制板上試驗。

目前， STM32物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板的品牌與型號較多，多由最小系統(tǒng)板與擴展板組成，如圖2所示。最小系統(tǒng)板上安裝有維持單片機正常工作的基本電路(供電復(fù)位、 晶振)，以及編程 串口IED指示燈、按鍵、蜂鳴器等實現(xiàn)基本功能的元件;擴展板上安裝有繼電器、溫濕度傳感器、WIFI模塊、藍牙模塊以及各種總線接口等器件，這些元器件集中安裝在一塊板上，并可通過跳線實現(xiàn)元器件與單片機的連接，以便檢測與調(diào)試。
須說明的是，雖然最小系統(tǒng)板通過排針與擴展板相連，但最小系統(tǒng)板可以脫離擴展板而獨立工作 提示:開發(fā)板( Demo Board )是指用來進行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的電路板，由中央處理器、存儲器、數(shù)據(jù)通信電路、輸入/輸出設(shè)備和外部資源接口等硬件組成，主要用于學(xué)習(xí)或調(diào)試嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件。
2、最小系統(tǒng)板電路分析
最小系統(tǒng)板由單片機U4 (STM32F103C8T6)、低壓差三端穩(wěn)壓塊U1(AMS1117-3.3)、自動下載控制芯片U2(STC15W201S).USB轉(zhuǎn)串口芯片U3(CH340C)、備用電池、晶振(包括主時鐘晶振與實時時鐘晶振)等元件組成。其中，U1~U3.備用電池與實時時鐘晶振( 32.768kHz )等元件安裝在板背面，如圖3所示。

2、1供電電路
本款開發(fā)板使用Micro USB接口為系統(tǒng)供電，當(dāng)用連線將最小系統(tǒng)板上的Micro USB接口與電腦的USB口相接時，最小系統(tǒng)板上的U1~U3得到5V供電(S5V)，如圖4所示。

U1將1腳輸入的5V電壓穩(wěn)壓成3.3V，從2 腳輸出(標(biāo)注為“S3V");U2得電且運行開機指令后，8腳輸出低電平信號(JS)，PNP型三極管VT2飽和導(dǎo)通，繼電器J1線圈得電，其2、3腳與6、7腳內(nèi)部的觸點閉合，分別輸出3.3V和5V電壓(其標(biāo)注分別為“3V"和“5V")，供給U4與擴展電路;U3得到S5V供電后，將5、6腳輸入的UD+、UD-信號轉(zhuǎn)變?yōu)門TL電平信號，分別通過2腳(TXD)和3腳(RXD)腳與U4的31腳、30腳進行數(shù)據(jù)交換，從而實現(xiàn)電腦與單片機之間的通信。
電容C1、C3分別為S5V、S3V電壓的濾波電容，C2、C4、C7、C8的作用是濾除高頻雜波，以提高電路穩(wěn)定性。
U4設(shè)有1組模擬電源接口(8、9腳)和3組邏輯電源接口(23、24腳，35、36腳，47，48腳)，輸入2V~3.6V的直流電壓，其模擬電源供模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)RC振蕩器和PLL倍頻等模擬電路，邏輯電源供ARM內(nèi)核、存儲器I/O端口和其他純數(shù)字電路。對于穩(wěn)定性和精度要求較高的場合，模擬電源與邏輯電源應(yīng)分開供電，以避免電源間的干擾;對于穩(wěn)定性和精度要求不高的場合，模擬電源與邏輯電源可合并在一起供電。
備用電源BT1是一塊獨立的1.8V~3.6V 電源，多采用3V紐扣電池。在邏輯電源斷開后，BT1給實時時鐘電路(RTC )供電，以便RTC正常計時，同時給喚醒電路和后備寄存器供電，讓它們一直處于工作狀態(tài)。如果不使用單片機的RTC與喚醒等功能，則可以不接備用電源。
2、2自動下載控制(ASP)電路
U4的44腳( BOOTO)、20腳( PB2/BOOT1，復(fù)用1/O端口)為單片機的啟動模式設(shè)置端，給這兩腳輸入不同的電平狀態(tài)，可讓U4啟動時進入不同的工作模式:當(dāng)44腳為低電平時(不論20腳是什么狀態(tài))，U4在復(fù)位后運行FLASH(閃存)里面的用戶程序，此模式稱為正常啟動模式;當(dāng)44腳為高電平、20腳為低電平時，U4在復(fù)位后運行Boot Loader程序(該程序是在芯片出廠時由ST公司寫入的一段程序，是一段ISP下載輔助程序，使用者是不能修改的)，其目的是讓單片機與計算機上的ISP軟件相互通信，將HEX文件存入單片機的FLASH或SRAM中，此模式稱為FLASH-ISP模式;當(dāng)44腳和20腳均為高電平時，U4在復(fù)位后將進入RAM-ISP模式(這個模式多用于開發(fā)過程中的程序調(diào)試，一般不使用 )。
ISP下載的操作較復(fù)雜，具體流程如下:先讓U4的44腳為高電平、20腳為低電平，再按復(fù)位鍵，讓U4進入Boot Loader模式，然后單擊燒錄軟件界面上的“編程”按鈕，將程序?qū)懭隖LASH或SRAM中，具體寫到哪里取決于使用者對燒錄軟件相關(guān)選項的設(shè)置。如果程序下載到FLASH中，待程序下載成功后，須將U4的44腳置于低電平，再按復(fù)位鍵或重新上電，這時U4將運行FLASH中下載的程序;如果程序下載到SRAM中，待程序下載成功后，，須將U4的44腳和20腳都置為高電平，再按復(fù)位鍵或重新.上電，這時U4將運行SRAM中下載的程序。為方便使用者進行ISP下載操作，該款最小系統(tǒng)板設(shè)計有自動下載(ASP)控制電路，參見圖4。
U2是STC公司生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(1T)單片機，采用STC第九代加密技術(shù)，主要用于定時控制，具有高速、低功耗、可靠性高等優(yōu)點，其代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機。U2的6、7腳分別與U4的44、20腳相連，U2的8腳輸出開/關(guān)信號，控制3V和5V供電是否輸出。當(dāng)單擊燒錄軟件界面上的“編程”按鈕時，U2檢測到下載指令后，其6~8腳會根據(jù)上述ISP下載的流程，自動輸出相應(yīng)的電平信號，從而達到一鍵下載的目的。
MODE鍵與U2的1腳相連，單擊MODE鍵可開/關(guān)3V和5V供電，即開/關(guān)U4與擴展電路的供電;雙擊MODE鍵可打開或關(guān)閉ASP功能，長按MODE鍵可讓U2在FLASH-ISP和RAM-ISP兩種模式間切換。
2、3晶振與復(fù)位電路
時鐘是單片機工作的必備信號，其作用是給單片機提供工作基準(zhǔn)頻率，時鐘頻率越高，單片機運行速度就越快。U4的5、6腳外接高速晶體振蕩器(HSE)TX1，為內(nèi)核工作提供時鐘;3、4腳外接低速晶體振蕩器(LSE )TX2，為芯片內(nèi)部的RTC電路提供時鐘，如圖5所示。

U4的7腳(NRST)為復(fù)位端，內(nèi)接一個電壓監(jiān)控器，外接復(fù)位電容c9(在擴展板上，7腳還對地接有一只微動開關(guān)K1)。上電后，由于C9兩端的電壓不能突變，則7腳電壓有一個從0V升到3.3V的過程。在此過程中，如果7腳電壓低于2V時，監(jiān)控器讓U4復(fù)位;當(dāng)7腳電壓不小于2V時，監(jiān)控器讓U4進入工作狀態(tài)，從而完成上電復(fù)位動作。
3、擴展電路分析
3、1繼電器驅(qū)動電路

指示燈L2 (紅色)為繼電器U3的工作指示燈，如圖6所示。當(dāng)U4的16腳(PA6)輸出高電平時，三極管Q1截止，L2熄滅，同時U3線圈失電，U3不動作，其公共端3腳(KGB)與常閉觸點端1腳(CK)接通;當(dāng)U4的16腳(PA6)輸出低電平時，Q1導(dǎo)通，L2亮，同時U3線圈得電，U3動作，其3腳與常開觸點端5腳(CK )接通。
D1為繼電器保護二極管，當(dāng)Q1截止時，U3線圈中的電流通路突然中斷，若未安裝D1，這時將在線圈兩端產(chǎn)生較高的反向電動勢，極性為左+右-，電壓值達數(shù)百伏，這個電壓極易導(dǎo)致Q1過壓損壞。安裝D1后，線圈產(chǎn)生的反向電動勢通過D1放電，從而大幅降低其電壓值，有效避免Q1過壓損壞。
提示:在分析單片機應(yīng)用電路時，既要了解單片機內(nèi)部電路的特點，還要了解單片機外圍擴展電路的組成與工作原理。
3、2溫濕度傳感器電路
DHT11是一款輸出數(shù)字信號的溫濕度復(fù)合傳感器，內(nèi)置一只電阻式感濕元件和一只NTC測溫元件，其外圍電路非常簡單，如圖7所示。

DHT11的1腳(vcC )為供電端，工作電壓范圍為3.3V~5.5V;2腳(DQ)為單總線串行數(shù)據(jù)端，通過跳線P19與U4的20腳(PB2)相連。在實際使用中，若DHT11距離單片機較遠，則需在DHT11的2腳上外接-只4.7k的上拉電阻，以確保該端在無數(shù)據(jù)交換時為高電平。
3、3光敏傳感器電路
本板上的光敏傳感器電路實為0V~3.3V的模擬信號輸入電路，光敏電阻RG1和可調(diào)電阻R11作為模擬信號源，如圖8所示。

3V電壓經(jīng)電阻R7與RG1分壓，其分壓值送給U4的15腳(PA5);R11一端接3V，另一端接地，其中心抽頭通過電阻R9與U4的14腳(PA4)相連。RG1的阻值隨光照強度的變化而變化，光照越強，其阻值越低。在無光照射時，實測RG1的阻值約為1.6MΩ，U4的15腳電壓約為3.3V;在強光照射時，實測RG1的阻值約為0.5kΩ，U4的15腳電壓約為0.1V。
3、4存儲器電路

擴展板上的存儲器電路實為SPI[由摩托羅拉(Motorola )公司開發(fā)的全雙工同步串行總線]通訊測試電路，存儲器采用華邦公司推出的一款具有SPI接口的閃存(NOR Flash) 芯片W25Q128(U1)，如圖9所示。

U1的存儲空間為128Mbit(即16M字節(jié))，工作電壓為2.7V~3.6V，其1腳(CS)為片選信號輸入端(低電平有效)，6腳(CLK )為串行時鐘輸入端，2腳(SO)為數(shù)據(jù)輸出端，5腳(SI)為數(shù)據(jù)輸入端，這4個引腳分別與U4的25~28腳相連。
U1的3腳(WP#)為寫保護輸入端，當(dāng)該腳為低電平時，輸入數(shù)據(jù)無法寫入寄存器中;7腳(HOLD)為暫?？刂贫耍?dāng)該引腳為低電平時，2腳呈高阻態(tài)，U1處于暫停工作狀態(tài)。
3、5通信電路
通訊電路是單片機與外部芯片或模塊之間的數(shù)據(jù)交換電路，具體有RS485 CAN、USB、PC等電路，如圖10所示。

P8為MPU6050模塊(軸運動處理傳感器)的接口，即rC擴展接口，采用PC通信方式:SCL是總線的時鐘線，用于主從設(shè)備間的計數(shù)同步;SDA是總線的數(shù)據(jù)線，用于收發(fā)數(shù)據(jù)。M1為Micro USB接口，U4的42、43腳通過數(shù)據(jù)線DATA+ DATA-與USB設(shè)備通信。U5(RS485)采用半雙工通訊方式(單+5V供電)，其6、7腳為接收和發(fā)送的差分信號端，兩腳之間接有阻值為1202的匹配電阻R19。當(dāng)6腳電壓高于7腳電壓時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為“1";反之，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為“0”。
U5的1腳(RO)為接收器的數(shù)據(jù)輸出端，4腳(DI)為驅(qū)動器的數(shù)據(jù)輸入端，分別與U4的13腳、12腳相連。U5的2.3 腳分別為接收使能端和發(fā)送使能端，當(dāng)2腳(RE)為低電平時，U5處于接收狀態(tài);當(dāng)3腳(DE )為高電平時，U5處于發(fā)送狀態(tài)。因U5工作在半雙工狀態(tài)，所以U5的2.3腳電平由U4同一腳(29腳)控制。
U7(TJA1050)是-款應(yīng)用于CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口芯片，具有為CAN控制器提供差分發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的功能，數(shù)據(jù)傳輸速率高達1Mbit/s，其6.7腳分別為低電平和高電平總線輸入/輸出端，與CAN總線接口相連;1腳(TXD)為串行數(shù)據(jù)發(fā)送端，4腳(RXD)為串行數(shù)據(jù)接收端，分別與U4的46腳、45腳相連。
3、6藍牙(Blue tooth)電路
本板的藍牙電路采用JDY-08型透傳模塊，如圖11所示。該模塊采用藍牙低功耗芯片CC2541，基于藍牙4.0協(xié)議，工作頻段為2.4GHz，調(diào)制方式為GFSK，最大發(fā)射距離為80m。

本模塊的22腳(POO) 為休眠喚醒信號輸入端，低電平時被“喚醒”;20腳(P02)、19腳(P01 )分別為串口信號(TL電平)的輸入與輸出端，分別與U4的12腳、13腳相連。
3.7 WIFI電路
本板的WIFI電路采用安信可科技公司開發(fā)的ESP-12F模塊，其核心處理器為ESP8266，支持標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.11b/g/n協(xié)議及完整的TCP/IP協(xié)議棧，如圖12所示。

本模塊的8腳(vCC)為3.3V供電端，要求供電電流不得小于500mA;1腳(REST)為復(fù)位端，3腳為始能端，分別通過電阻R16、R20上拉到3V，10腳(GPI015) 通過下拉電阻R21到地;12腳(GPIO0)為模式控制端，外接.上拉電阻R15與按鈕K3，當(dāng)該腳為高電平時(斷開K3)，模塊工作在運行模式狀態(tài);當(dāng)該腳為低電平時(閉合K3)，模塊工作在下載模式狀態(tài);16腳(TXD )為串行數(shù)據(jù)發(fā)送端，15腳(RXD)為串行數(shù)據(jù)接收端，分別與U4的22腳、21腳相連。