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嵌入式微控制器所需要的PCB電路設(shè)計(jì)是個(gè)相當(dāng)龐大的工程。對(duì)進(jìn)階的微控制器而言，光是資料表和技術(shù)文件就可以長(zhǎng)達(dá)好幾百頁(yè)。

 

在開(kāi)始設(shè)計(jì)電路前，最好可以先畫(huà)出專題中所有主要元件的運(yùn)作流程圖，包含所有和微控制器之間有界面的周邊裝置。

 

ARM Cortex-M微控制器

本文將聚焦在導(dǎo)入ARM Cortex-M微控制器所需的PCB電路設(shè)計(jì)考量。ARM Cortex-M微控制器有不同晶片制造商供應(yīng)的不同版本。

 

具有32位元架構(gòu)的ARM Cortex-M和典型的8位元微控制器相比特別適合密集與計(jì)算強(qiáng)度高的工作。如果有需要更大記憶體容量空間或?yàn)槲磥?lái)的擴(kuò)充需求而能簡(jiǎn)化系統(tǒng)平臺(tái)轉(zhuǎn)移的應(yīng)用，32位元微控制器也具有優(yōu)勢(shì)。

 

我們要討論的ARM Cortex-M微控制器是ST Microelectronics出品的STM32家族；更精確地說(shuō)，我們會(huì)聚焦在STM32F4系列。

 

然而，STM32家族其實(shí)包含很多機(jī)型，例如超低功耗的STM32L系列和效能高于及低于STM32F4版本的系列。效能最高的版本是STM32F7，每秒能夠執(zhí)行10億個(gè)指令。在效能最低的機(jī)型里則有每秒只執(zhí)行2600萬(wàn)個(gè)指令的STM32L0。

 

請(qǐng)參考下方圖1里本文所根據(jù)的STM32F4微控制器的電路圖。

 

圖 1. STM32F4微控制器的電路圖。

 

電源設(shè)計(jì)

電路的供電是硬件設(shè)計(jì)最重要的環(huán)節(jié)之一；不要等到設(shè)計(jì)的后期才決定供電和接地的配置。

微控制器使用的電流由多重因素決定，例如工作電壓、時(shí)脈頻率，和輸入/輸出腳位的負(fù)載。

MCU上每個(gè)電源VDD腳位旁應(yīng)該要有盡可能接近的位置安排1uF和100nF陶瓷電容器（例如圖1的C7和C8）來(lái)提供電源解藕。另外應(yīng)加裝4.7uF陶瓷電容器（圖1中C1）在接近供應(yīng)VDD的主要電路布線上IC的位置。

 

具有類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器（ADC）的微控制器通常也有獨(dú)立的電源（VDDA）和接地腳位（VSSA）專供類比訊號(hào)使用。這些腳位需特別避免雜訊。

 

VDDA腳位應(yīng)有1uF和10nF陶瓷電容器（圖1中C10、C11），位置盡可能接近VDDA腳位。在多數(shù)情況下，我發(fā)現(xiàn)最好在VDDA腳位也加裝一個(gè)電感器（圖1中L1），形成LC低通濾波器來(lái)提供更穩(wěn)定的類比電壓。

 

如果你的電源電壓高于微控制器的輸入電壓上限，則通常需要降壓型線性穩(wěn)壓器。舉例來(lái)說(shuō)，德州儀器出品的TPS795xx有特別低雜訊的特性，并且可以供應(yīng)高達(dá)500mA的電流。

 

如果你的電源電壓明顯高于微控制器所需的電壓，則降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器會(huì)是比較好的選擇。當(dāng)輸入電壓明顯高于輸出電壓時(shí)，線性穩(wěn)壓器會(huì)浪費(fèi)太多電力。

 

然而，通常能對(duì)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓用線性穩(wěn)壓器進(jìn)行次穩(wěn)壓還是最好，這是因?yàn)榫€性穩(wěn)壓器提供的電壓雜訊低很多。

 

時(shí)鐘

STM32F4可以內(nèi)部或外部的系統(tǒng)時(shí)鐘執(zhí)行。啟動(dòng)時(shí)使用的系統(tǒng)時(shí)鐘是內(nèi)部時(shí)脈（16 MHz），在系統(tǒng)起始化后可以透過(guò)軟體選取外部時(shí)脈來(lái)源。

 

STM32F4上的時(shí)鐘腳位可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)外部4到26 MHz 的石英晶體（參見(jiàn)圖1中X1）或可使用一個(gè)最高50 MHz的外部時(shí)鐘來(lái)源。

 

晶體的配置上必須嚴(yán)格遵守資料表上的指示。一般而言，布線要短，而晶體上的負(fù)載電容要和晶體制造商建議的數(shù)值相同。

 

GPIO

微控制器上的通用輸入輸出（GPIO）腳位可程式化，且可以透過(guò)軟體設(shè)定為輸入或輸出。

舉例來(lái)說(shuō)，圖1中的S1是和一個(gè)被程式化為輸入的GPIO腳位相連的按鈕。STM32提供內(nèi)建的上拉電阻器，所以這個(gè)按鈕不需要加裝外部的上拉電阻元件。此例的GPIO輸出用來(lái)驅(qū)動(dòng)LED。

 

多數(shù)的GPIO腳位亦具有其他功能，而晶片上的各種周邊元件就是透過(guò)這些多功能腳位和外界聯(lián)系。

 

并非所有內(nèi)部功能都能透過(guò)每個(gè)GPIO腳位使用，而且有嚴(yán)格的腳位對(duì)應(yīng)要遵守，所以選擇要使用哪些腳位時(shí)務(wù)必參考資料表。

 

GPIO腳位可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)各種負(fù)載，而多數(shù)的腳位可以供應(yīng)或承受最高25mA的電流。然而一般而言使用外部驅(qū)動(dòng)電路來(lái)減輕微控制器GPIO驅(qū)動(dòng)負(fù)載是較好的設(shè)計(jì)。可以參考圖1中MN1驅(qū)動(dòng)LED的例子。

 

STM32每個(gè)腳位都有額定的電流上限，也有所有GPIO腳位電流總和的上限。

 

連接周邊元件

STM32透過(guò)UART、I2C、SPI和USB等界面來(lái)提供序列訊號(hào)連接。

舉例來(lái)說(shuō)，在圖1里有一個(gè)溫度感應(yīng)器（U2 – LM75BDP）透過(guò)I2C匯流排連接到微控制器。I2C匯流排上需要兩個(gè)上拉電阻器（R2、R3）連接汲極開(kāi)路驅(qū)動(dòng)器。

 

對(duì)于多數(shù)低速感測(cè)器這類的應(yīng)用而言，我偏好使用I2C做為序列協(xié)定，因?yàn)樗挥脙蓷l電線來(lái)進(jìn)行通訊。另外，和需要額外晶片選擇工作埠來(lái)處理每個(gè)周邊元件的SPI不同的是I2C使用單一的位址。

圖1里的SPI匯流排連接到Invensense出品的MPU-9250九軸動(dòng)作感測(cè)器。MPU-9250包含一個(gè)三軸加速度計(jì)、一個(gè)三軸陀螺儀和一個(gè)三軸磁力儀。

 

編程連接器

STM32F4提供兩種系統(tǒng)內(nèi)程式編輯（ISP）界面：序列線除錯(cuò)（SWD）和JTAG。STM32較低價(jià)的版本只提供SWD界面。SWD和JTAG是微控制器最常采用的兩種編程界面。

 

結(jié)論

在本文中我們討論了微控制器的PCB電路設(shè)計(jì)，并針對(duì)能夠讀取輸入按鈕、驅(qū)動(dòng)LED、和I2C溫度感應(yīng)器以及SPI動(dòng)作感應(yīng)器通訊的STM32F4進(jìn)行介紹。