STM32自己从零开始实操08:STM32主控原理图

由于老师使用的各引脚分门别类的单片机原理图我没有找到，我使用是引脚按顺序摆放的，不方便一个模块一个模块截图展示，所以这部分使用老师的原理图。

一、电源

1.1电源的介绍

1.1.1数字电源和地（VDD和VSS）

数字电源引脚提供电压给所有的数字电路部分。这些数字电路包括：

• 处理器核心: 执行指令、处理数据。
• 存储器: 包括 Flash 和 SRAM，用于存储程序和数据。
• 数字外设: 包括 GPIO、UART、SPI、I2C、TIMERS 等，用于各种数字通信和控制。
• 内部振荡器: 产生时钟信号以驱动处理器和其他外设。

数字地引脚提供了所有数字电路部分的接地参考点，有：

• 所有通过 VDD 供电的电流最终都会返回 VSS，以形成一个完整的电流回路。
• 在 PCB 设计中，所有的 VSS 引脚通常都连接到一个共同的地平面，以减少电噪声和干扰。

1.1.2模拟电源和地（VDDA和VSSA）

模拟电源引脚提供电压给所有的模拟电路部分。主要包括：

• ADC（模数转换器）: 将模拟信号转换为数字信号。
• DAC（数模转换器）: 将数字信号转换为模拟信号。
• 内部参考电压源: 提供一个稳定的参考电压给 ADC 和 DAC ，确保转换精度。

模拟地引脚提供了所有模拟电路部分的接地参考点，有：

• 与 VSS 相同，所有通过 VDDA 供电的电流最终都会返回 VSSA，以形成一个完整的电流回路。

1.1.3两电源的区别与联系

数字电路通常会产生高频开关噪声，这些噪声如果直接干扰到模拟电路，会导致模拟信号的不稳定和精度下降。因此，使用独立的模拟电源和接地可以减少这种干扰。

模拟电路需要一个非常干净、稳定的电源，以确保精确的信号处理，因此 VDDA 通常通过额外的滤波电路进行去耦。

为了减少数字电路产生的高频噪声对模拟电路的干扰，VSSA 和 VSS 通常在 PCB 设计中被单独处理，只有在一个单点连接，通常是靠近电源入口的地方。

1.2滤波介绍

将 3.3V 的电源引入供单片机使用。

（1）120R 磁珠

• 作用: 磁珠是一种高频阻抗元件，串联在电源线上，阻止高频噪声沿电源线传播。
• 原理: 磁珠在直流和低频交流信号下表现为低阻抗，但在高频下表现为高阻抗，从而滤除高频噪声。
• 选择: 120Ω 的磁珠通常用于中等频率范围的噪声抑制。它在高频范围内提供足够的阻抗来衰减噪声。

（2）10µF 电容

• 作用: 10µF 电容用于低频滤波，平滑直流电压，消除较低频率的电源波动。
• 原理: 较大电容值在低频下有较小的阻抗，可以有效地平滑直流电压和滤除低频噪声。
• 位置: 10µF 电容通常放置在电源入口处，以平滑整个电源网络的电压。

（3）0.1µF 电容

• 作用: 0.1µF 电容用于高频滤波，抑制高频噪声和尖峰干扰。
• 原理: 较小电容值在高频下有较小的阻抗，可以有效地滤除高频噪声和尖峰干扰。
• 位置: 0.1µF 电容通常放置在每个 VDD/VDDA 引脚附近，尽量靠近 IC，以提供最有效的高频噪声滤波。 

（4）10nF 电容

• 补充滤波频段: 与其他滤波电容（10µF、0.1µF）结合使用，可以覆盖更宽的频率范围，为模拟电源提供全频段的电源噪声抑制（上面也说了模拟电源需要非常的纯净）。

1.3电路图

1.4陈氏理解（可能只有我自己能看懂）

数字信号（数字电源供电）比如信号线上的差分信号，1 就是 1 , 0 就是 0 ，差别还是挺大的，不容易混淆，但是变化快，存在对其他形式信号的干扰（此处就是指模拟信号），所以将数字信号和模拟信号区分开了。

再其次，模拟信号不像数字信号那样 1 就是 1 ，0 就是 0 ，它的值是多少会换算成相应的二进制数字，所以更要准确，滤波也更严格。

二、复位

2.1工作过程

1. 正常工作状态: 当复位按钮未按下时，上拉电阻将 RST 引脚维持在高电平。此时，微控制器处于正常工作状态。
2. 按下复位按钮: 当按下复位按钮时，RST 引脚被直接拉低到地。这触发了微控制器的复位过程。
3. 释放复位按钮: 当释放复位按钮时，RST 引脚通过上拉电阻恢复到高电平。需要去耦电容帮助滤除任何在恢复过程中的瞬态噪声（也有按下过程的去耦），确保 RST 引脚稳定地返回高电平，从而使微控制器从复位状态中正常启动。

2.2特殊情况

• 外部干扰: 在有较强电磁干扰的环境中，复位引脚可能会受到干扰，导致误复位。适当的滤波电路（如更大的电容或更低的上拉电阻）可以进一步增强抗干扰能力。
• 复位时间: 去耦电容的值决定了复位信号的时间常数。较大的电容会导致较长的复位时间，但可以更好地滤除低频噪声。需要根据实际应用进行选择。

2.3我有一个愚蠢的问题

问：为什么上拉到的电源是数字电源 VDD 而不是模拟电源 VDDA ？

答：

1. 电源稳定性

VDD 稳定性: VDD 是数字电源，通常由稳压器直接供电，电压相对稳定，且开机时能快速达到稳定值。复位电路需要一个稳定的电压源来保证复位信号的可靠性。

VDDA 依赖 VDD: VDDA 是模拟电源，虽然也很稳定，但它通常依赖于 VDD 的供电，在一些设计中，VDDA 可能会经过滤波和调节以满足模拟电路的需求，启动速度和稳定性可能稍微慢于 VDD。

2. 复位电路对数字电路的作用

复位电路主要针对数字电路: 复位信号主要用于重置 STM32 内部的数字电路（包括 CPU 和外设）。数字电路的工作电压是 VDD，因此复位引脚上拉到 VDD 更为合适。

3. 电源电流负载考虑

VDD 电流能力强: VDD 电源的电流供应能力通常大于 VDDA，因为它要供电给整个数字部分，包括处理器、内存和外设等。上拉电阻的电流负载对 VDD 的影响微乎其微。

VDDA负载要求高: VDDA 电源主要供电给模拟部分（如 ADC、DAC 等），这些电路对电源的纹波和噪声要求更高。将上拉电阻连接到 VDDA 可能会引入不必要的负载和噪声，影响模拟电路的性能。

2.4电路图

三、BOOT 启动

3.1介绍

BOOT 引脚（ BOOT0 和 BOOT1 ）用于选择微控制器的启动模式。通过不同的引脚电平组合，可以选择不同的启动模式，如下图所示：

3.2电路

将单片机的 BOOT0 和 BOOT1 引脚引出，通过 2×3 的公排针，可以通过跳线帽向上选择VDD_MCU （1），向下选择 GND （0），来配置单片机的启动模式。老师选择的启动方式为：从内置 SRAM 启动，如下图。

四、晶体电路

4.1 为什么STM32需要两个晶振电路？

STM32微控制器通常使用两个晶振电路是为了满足不同的时钟需求：

• 主晶振电路（8MHz）： 用于提供主系统时钟（HSE, High-Speed External Clock）。这个时钟源通常用于微控制器的核心处理单元、高速外设（如USB、CAN等），以及需要高精度、高速时钟的功能。
• 副晶振电路（32.768kHz）： 用于提供低功耗时钟（LSE, Low-Speed External Clock）。这个时钟源通常用于实时时钟（RTC, Real-Time Clock）和低功耗模式下的计时功能。32.768kHz的频率正好适合计时，因为它可以方便地用于生成1秒的时钟周期（32,768是2的15次方，适合二进制计数）。

4.2 为什么这两个晶振电路的频率是那样？

选择不同频率和规格的晶振主要基于以下原因：

• 8MHz晶振（主晶振）：

  • 频率选择: 8MHz是一个常用的高频率，能够满足STM32核心和高速外设的时钟需求。
  • 负载电容（22pF）： 确保晶振在该频率下的稳定性和可靠性。22pF是常见的负载电容值，用于匹配晶振的负载要求。

• 32.768kHz晶振（副晶振）：

  • 频率选择: 32.768kHz是标准的RTC晶振频率，适用于低功耗时钟应用。
  • 负载电容（10pF）： 这种低值电容适合低频率晶振，确保其在低频下的稳定振荡。

4.3 晶振电路是怎么运作的？（更容易理解4.4和4.5的问题）

（1）晶振起振

• 当电源接通时，晶振开始产生微弱的振荡信号。
• 该信号通过OSC_IN引脚进入STM32内部振荡器电路。

（2）负载电容调节

• C1和C2电容与晶振一起工作，确保晶振以其标称频率振荡。
• 负载电容值通常选取在10pF到22pF范围内，但实际值应根据晶振的规格书和电路板的寄生电容进行调整。

（3）信号放大

• STM32内部的振荡器电路对输入的微弱振荡信号进行放大，生成一个稳定的时钟信号。
• 这个稳定的时钟信号通过OSC_OUT引脚输出，并作为系统时钟供STM32使用。

（4）信号反馈

• 振荡器电路将放大的振荡信号通过OSC_OUT引脚反馈回晶振电路，继续维持晶振的振荡。
• 这个反馈环路确保晶振能够持续产生稳定的振荡信号。

（现在你就清楚了晶振电路中存在的一个回路了。）

4.4 为什么主晶振电路OSC有大电阻？有什么作用吗？

主晶振电路中包含一个1MΩ的大电阻（通常连接在OSC_IN和OSC_OUT之间），其主要作用如下：

• 防止启动困难: 大电阻提供了一个初始反馈路径，有助于晶振在上电时快速启动，避免由于初始状态不稳定导致的启动困难。
• 稳定振荡: 大电阻能够稳定振荡器的启动过程，确保振荡器能够在启动后快速进入稳定状态。

（说的通俗一点就是快一点形成4.3中说的电流回路。）

4.5 为什么副晶振电路OSC32没有大电阻？

副晶振电路通常不需要大电阻的原因包括：

• 频率和功率低： 32.768kHz的晶振工作在非常低的频率和功率下，启动相对容易，不需要额外的电阻来帮助启动。
• 低功耗设计: 副晶振电路通常用于RTC和低功耗应用，添加大电阻会增加功耗，不符合低功耗设计的要求。

4.6电路图

五、RTC 实时时钟

5.1 VBAT 引脚的功能

VBAT 引脚用于为 RTC 和备份寄存器供电，以便在主电源断开时，RTC 仍能继续运行。

5.2设计原理

1. 主电源供电（VDD_MCU）: 当主电源（VDD_MCU）供电时，BAT54-C 二极管正向偏置，VBAT 引脚通过二极管获得 VDD_MCU 的电压，RTC 和备份寄存器正常工作。
2. 备用电源供电: 当主电源断开时，BAT54-C 二极管防止电流反向流动，RTC 和备份寄存器可以通过 ZH1.25-2A 连接器从备用电源（如纽扣电池）继续供电，确保 RTC 的时间和备份数据不会丢失。

5.3原理图

5.3.1BAT54-C二极管的作用

1. 保证供电: 当主电源存在时，二极管正向偏置，保证 VBAT 引脚获得稳定的电压供电；当主电源断开时，二极管反向偏置，备用电源立即接替供电，保证 RTC 持续运行。
2. 防止反向电流: 确保在主电源断开时，备用电源电流不会流回到主电源电路，避免不必要的电能消耗和可能的电路损坏。同时也保证在主电源正常供电时，芯片的电流不会回流到备用电池中，造成损害。

5.3.2 ZH1.25-2A连接器的作用

1. 备用电源接口: 提供一个连接备用电源的接口，可以方便地连接和更换电池或其他备用电源。
2. 确保供电路径: 通过 ZH1.25-2A 连接器，备用电源可以可靠地提供电压给 VBAT 引脚，确保RTC的供电不中断。

六、Flash 芯片

在STM32微控制器中，外部Flash存储器（如W25Q64JVSSIQ）通常用于存储固件、数据日志或其他需要非易失性存储的应用。

电路设计与工作原理

1. CS# (Chip Select):

• 设计: CS#引脚通过PA15引脚控制。低电平激活芯片，高电平关闭芯片。
• 原理: 当CS#为低电平时，Flash芯片被选中，STM32可以与其通信；当CS#为高电平时，Flash芯片处于非活动状态，多个SPI设备可以共享同一条SPI总线。

2. SO (Serial Output):

• 设计: SO引脚通过PB4引脚（MISO，Master In Slave Out）连接到STM32。
• 原理: 用于在SPI通信中将数据从Flash芯片发送到STM32。

3. WP# (Write Protect):

• 设计: WP#引脚直接连接到3.3V电源。
• 原理: 将WP#连接到高电平（3.3V）禁用写保护功能，使能写操作。

4. GND (Ground):

• 设计: GND引脚连接到地。
• 原理: 提供芯片的电源回路。

5. SI (Serial Input):

• 设计: SI引脚通过PB5引脚（MOSI，Master Out Slave In）连接到STM32。
• 原理: 用于在SPI通信中将数据从STM32发送到Flash芯片。

6. CLK (Clock):

• 设计: CLK引脚通过PB3引脚连接到STM32。
• 原理: 提供SPI通信的时钟信号，由STM32生成并控制。

7. HOLD3#:

• 设计: HOLD3#引脚连接到3.3V电源。
• 原理: 将HOLD3#连接到高电平（3.3V）禁用暂停功能，使Flash芯片正常工作。

8. VCC (Power Supply):

• 设计: VCC引脚连接到3.3V电源。
• 原理: 为Flash芯片提供工作电压。

电源滤波电路

• 设计: 3.3V电源通过0.1uF电容连接到地。
• 原理: 去耦电容用于滤除电源线上的高频噪声，稳定供电，确保Flash芯片正常工作。

电路运行

1. 上电: 3.3V电源为Flash芯片提供电源，电容滤除电源噪声。
2. SPI通信: STM32通过SPI接口（PA15, PB3, PB4, PB5引脚）与Flash芯片通信：
   • PA15控制CS#，选择芯片。
   • PB3提供时钟信号（CLK）。
   • PB5发送数据到Flash芯片（MOSI）。
   • PB4接收Flash芯片的数据（MISO）。

为什么这样设计

1. 标准SPI接口: 这种连接方式符合SPI协议，便于STM32与Flash芯片通信。
2. 写保护: WP#连接到高电平，确保写操作不被禁用，方便数据写入。
3. 暂停功能: HOLD3#连接到高电平，禁用暂停功能，确保正常操作。
4. 滤波电路: 0.1uF电容滤除电源噪声，保障电源稳定，避免因噪声导致的通信错误。

其他设计方法

1. 硬件写保护: 如果需要硬件写保护功能，可以将WP#引脚连接到STM32的一个GPIO引脚，通过软件控制写保护状态。
2. 使用较大电容: 在电源滤波电路中，可以根据实际情况使用更大容量的电容（如1uF或10uF）进一步平滑电源电压。
3. 增加缓冲电路: 在噪声较大的环境中，可以在SPI信号线上增加缓冲电路，提高通信可靠性。

疑惑1：多个SPI设备共享同一条SPI总线

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种全双工的通信协议，支持主设备（Master）与多个从设备（Slave）之间的通信。你的电路设计中只有一个SPI从设备，但为了更全面地解释，提到了SPI总线的共享能力。多个SPI设备共享同一条SPI总线的原因和方法如下：

为什么共享同一条SPI总线？

1. 节省引脚: STM32或其他主控设备的引脚数量有限，通过共享SPI总线，可以连接多个SPI从设备而不增加额外的引脚需求。
2. 硬件资源复用: 共享SPI总线可以最大化利用现有的硬件资源，不需要为每个SPI从设备单独配置一条SPI总线。

如何实现多个SPI设备共享同一条SPI总线？

• 共用时钟和数据线: 所有从设备共享主设备的SCK（时钟），MOSI（主输出从输入），MISO（主输入从输出）引脚。
• 独立的芯片选择引脚: 每个从设备都有独立的CS#（Chip Select）引脚。通过控制不同的CS#引脚，可以选择与哪一个从设备进行通信。只有被选择的从设备会响应主设备的SPI指令。

例如：

• 设备A: CS_A 连接到 STM32 的一个 GPIO 引脚。
• 设备B: CS_B 连接到 STM32 的另一个 GPIO 引脚。

在通信时：

• 当需要与设备A通信时，将CS_A置低，CS_B置高。
• 当需要与设备B通信时，将CS_B置低，CS_A置高。

疑惑2：在SPI信号线上增加缓冲电路

在噪声较大的环境或长距离通信中，增加缓冲电路可以提高SPI信号的稳定性和可靠性。

增加缓冲电路的方法

1. 使用缓冲芯片: 选择适合的缓冲芯片（如74HC244、74HC541等）放置在主设备和从设备之间。
2. 串联电阻: 在SPI信号线上串联小阻值电阻（如几十欧姆），可以减缓信号上升和下降的速率，减少反射和噪声。
3. 电容滤波: 在信号线上并联小电容（如几皮法到几十皮法），可以滤除高频噪声。
4. 屏蔽电缆: 使用屏蔽电缆来减少电磁干扰。

七、SWD 调试接口

八、STM32