STM32單片機硬件關鍵基礎精華及注意事項 - 全文

　　STM32簡單介紹

　　一、背景

　　如果你正為項目的處理器而進行艱難的選擇：一方面抱怨16位單片機有限的指令和性能，另一方面又抱怨32位處理器的高成本和高功耗，那么，基于 ARM Cortex-M3內核的STM32系列處理器也許能幫你解決這個問題。使你不必在性能、成本、功耗等因素之間做出取舍和折衷。

　　即使你還沒有看完STM32的產品手冊，但對于這樣一款融合ARM和ST技術的“新生兒”相信你和我一樣不會擔心這款針對16位MCU應用領域的32位處理器的性能，但是從工程的角度來講，除了芯片本身的性能和成本之外，你或許還會考慮到開發工具的成本和廣泛度；存儲器的種類、規模、性能和容量；以及各種軟件獲得的難易，我相信你看完本專題會得到一個滿意的答案。

　　對于在16位MCU領域用慣專用在線仿真器（ICE）的工程師可能會擔心開發工具是否能夠很快的上手？開發復雜度和整體成本會不會增加？產品上市時間會不會延長？沒錯，對于32位嵌入式處理器來說，隨著時鐘頻率越來越高，加上復雜的封裝形式，ICE已越來越難勝任開發工具的工作，所以在32位嵌入式系統開發中多是采用JTAG仿真器而不是你熟悉的ICE。但是STM32采用串行單線調試和JTAG，通過JTAG調試器你可以直接從CPU獲取調試信息，從而將使你的產品設計大大簡化，而且開發工具的整體價格要低于ICE，何樂而不為？

　　有意思的是STM32系列芯片上印有一個蝴蝶圖像，據ST微控制器產品部Daniel COLONNA先生說，這是代表自由度，意在給工程師一個充分的創意空間。我則“曲解”為預示著一種蝴蝶效應，這種蝴蝶效應不僅會對方案提供商以及終端產品供應商帶來舉足輕重的影響，而且會引起競爭對手策略的改變……翅膀已煽動，讓我們一起靜觀其變！

　　二、STM32市面上流通的型號

　　截至2010年7月1日，市面流通的型號有：

　　基本型：STM32F101R6，STM32F101C8，STM32F101R8，STM32F101V8 ，STM32F101RB，STM32F101VB

　　增強型：STM32F103C8，STM32F103R8，STM32F103V8，STM32F103RB，STM32F103VB，STM32F103VE，STM32F103ZE

　　三、STM32系列的作用

　　ARM公司的高性能”Cortex-M3”內核

　　1.25DMips/MHz，而ARM7TDMI只有0.95DMips/MHz

　　一流的外設

　　1μs的雙12位ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI，18MHz的I/O翻轉速度

　　低功耗

　　在72MHz時消耗36mA（所有外設處于工作狀態），待機時下降到2μA

　　最大的集成度

　　復位電路、低電壓檢測、調壓器、精確的RC振蕩器等

　　簡單的結構和易用的工具

　　四、STM32F10x重要參數

　　2V-3.6V供電

　　容忍5V的I/O管腳

　　優異的安全時鐘模式

　　帶喚醒功能的低功耗模式

　　內部RC振蕩器

　　內嵌復位電路

　　工作溫度范圍：-40℃至+85℃或105℃

　　五、性能特點

　　基本型STM32F101：36MHz CPU，多達16K字節SRAM，1x12位ADC溫度傳感器

　　增強型STM32F103：72MHz CPU，多達20K字節SRAM，2x12位ADC 溫度傳感，PWM定時器，CAN，USB

　　六、STM32互聯型系列簡介：

　　全新STM32互連型（Connectivity）系列微控制器增加一個全速USB（OTG）接口，使終端產品在連接另一個USB設備時既可以充當USB主機又可充當USB從機；還增加一個硬件支持IEEE1588精確時間協議（PTP）的以太網接口，用硬件實現這個協議可降低CPU開銷，提高實時應用和聯網設備同步通信的響應速度。

　　全新互連型系列還是STM32家族中首款集成兩個CAN2.0B控制器的產品，讓開發人員能夠研制可連接兩條工業標準CAN（控制器區域網）總線的網關設備。此外，新系列微控制器還支持以太網、USB OTG和CAN2.0B外設接口同時工作，因此，開發人員只需一顆芯片就能設計整合所有這些外設接口的網關設備。

　　STM32互連型系列產品強化了音頻性能，采用一個先進的鎖相環機制，實現音頻級別的I2S通信。結合USB主機或從機功能，STM32可以從外部存儲器（U盤或MP3播放器）讀取、解碼和輸出音頻信號。設計人員還可以在新系列微控制器上開發人機界面（HMI）功能，如播放和停止按鍵，以及顯示器界面。這個功能使其可用于各種家庭音響設備，如音響底座系統、鬧鐘/音樂播放器和家庭影院。

　　新系列產品整合先進的面向連接的外設，標準的STM32外設（包括一個PWM定時器），高性能的32位ARM Cortex-M3 CPU，這些特性使開發人員可以在設備上（如家電、樓宇或工業自動化）整合多種功能，如馬達控制、用戶界面控制和設備互連功能。其它目標應用包括需要聯網、數據記錄或USB外設擴展功能的系統，如病患監視、銷售終端機、自動售貨機和保安系統。

　　包括新的互連型系列在內的STM32系列微控制器具有多種配套軟件和開發工具，其中包括意法半導體免費提供的軟件庫以及第三方工具廠商的廣泛支持。意法半導體還將推出一個新的評估板，目前正在向大客戶提供STM32F105和STM32F107互連型系列的樣片。

　　七、STM32新系列產品的功能：

　　STM32互連型系列產品分為兩個型號：STM32F105和STM32F107。STM32F105具有USB OTG 和CAN2.0B接口。STM32F107在USB OTG 和CAN2.0B接口基礎上增加了以太網10/100 MAC模塊。片上集成的以太網MAC支持MII和RMII，因此，實現一個完整的以太網收發器只需一個外部PHY芯片。只使用一個25MHz晶振即可給整個微控制器提供時鐘頻率，包括以太網和USB OTG外設接口。微控制器還能產生一個25MHz或50MHz的時鐘輸出，驅動外部以太網PHY層芯片，從而為客戶節省了一個附加晶振。

　　音頻功能方面，新系列微控制器提供兩個I2S音頻接口，支持主機和從機兩種模式，既用作輸入又可用作輸出，分辨率為16位或32位。音頻采樣頻率從8kHz到96kHz。利用新系列微控制器強大的處理性能，開發人員可以用軟件實現音頻編解碼器，從而消除了對外部組件的需求。

　　把U盤插入微控制器的USB OTG接口，可以現場升級軟件；也可以通過以太網下載代碼進行軟件升級。這個功能可簡化大型系統網絡（如遠程控制器或銷售終端設備）的管理和維護工作。

　　八、充分發揮 STM32架構的優勢：

　　除新增的功能強化型外設接口外，STM32互連系列還提供與其它STM32微控制器相同的標準接口，這種外設共用性提升了整個產品家族的應用靈活性，使開發人員可以在多個設計中重復使用同一個軟件。新STM32的標準外設包括10個定時器、兩個12位1-Msample/s 模數轉換器（交錯模式下2-Msample/s）、兩個12位數模轉換器、兩個I2C接口、五個USART接口和三個SPI端口。新產品外設共有12條DMA通道，還有一個CRC計算單元，像其它STM32微控制器一樣，支持96位唯一標識碼。

　　新系列微控制器還沿續了STM32產品家族的低電壓和節能兩大優點。2.0V到3.6V的工作電壓范圍兼容主流的電池技術，如鋰電池和鎳氫電池，封裝還設有一個電池工作模式專用引腳Vbat。以72MHz頻率從閃存執行代碼，僅消耗 27mA電流。低功耗模式共有四種，可將電流消耗降至兩微安。從低功耗模式快速啟動也同樣節省電能；啟動電路使用STM32內部生成的8MHz信號，將微控制器從停止模式喚醒用時小于6微秒。

　　九、存儲器和封裝選項：

　　在STM32F105和STM32F107互連型系列微控制器之前，意法半導體已經推出STM32基本型系列、增強型系列、USB基本型系列和增強型系列；新系列產品沿用增強型系列的72MHz處理頻率。內存包括64KB到256KB閃存和 20KB到64KB嵌入式SRAM。新系列采用LQFP64、LQFP100和LFBGA100三種封裝，不同的封裝保持引腳排列一致性，結合STM32 平臺的設計理念，開發人員通過選擇產品可重新優化功能、存儲器、性能和引腳數量，以最小的硬件變化來滿足個性化的應用需求。

　　STM32硬件關鍵設計精華集錦

　　如何保證ADC精度之STM32的ADC

　　共有最多3個ADC模塊，最多21個ADC輸入通道

　　特性

　　12位分辨率

　　自校準

　　轉換結束，注入轉換結束和發生模擬看門狗事件時產生中斷

　　帶內嵌數據一致的數據對齊

　　非常豐富的操作模式

　　雙重模式（帶2個或以上ADC的器件）

　　ADC轉換時間：

　　1μs：ADC時鐘為14MHz時達到最快

　　14個時鐘周期，轉換周期可調：14、20、26、41、54、68、84、252

　　ADC供電要求：2.4V~3.6V

　　ADC輸入范圍：VREF-≤VIN≤VREF+

　　規則通道轉換期間有DMA請求產生

　　模擬看門狗

　　ADC輸入通道映射

　　STM32的雙ADC操作模式

　　ADC的誤差種類

　　（1）理想ADC轉換曲線

　　（2）實際ADC轉換曲線

　　（3）實際ADC兩終點連線

　　ET 總誤差：實際ADC轉換曲線與理想曲線間的最大偏離

　　EO 偏移誤差：實際轉換曲線上第一次躍遷與理想曲線中第一次躍遷之差

　　EG 增益誤差：實際轉換曲線上最后一次躍遷與理想曲線中最后一次躍遷之差

　　ED 微分線性誤差：實際轉換曲線上步距與理想步距（1LSB）之差

　　EL 積分線性誤差：實際轉換曲線與終點曲線間最大偏離

　　消除影響ADC精度的因素（1）

　　1、ADC模塊自身的誤差

　　積分線性誤差（ILE）和微分線性誤差（DLE）依賴于ADC模塊的設計，校準它們是困難的。進行多次轉換再做平均可以減小它們的影響。偏移和增益誤差可以簡單地使用ADC模塊的自校準功能補償。

　　2、電源噪聲，尤其是開關電源（SMPS）的高頻噪聲

　　線性穩壓器具有較好的輸出。強烈建議在整流輸出端連接濾波電容。如果使用開關型電源，建議使用一個線性穩壓器為模擬部分供電。建議在電源線和地線之間連接具有良好高頻特性的電容，即在靠近電源一端應放置一個0.1μF和一個1~10μF的電容。每一對VDD和VSS管腳都需要使用單獨的去藕電容。VDDA管腳必須連接到2個外部的去藕電容器（10nF瓷介電容+1μF的鉭電容或瓷介電容）對于100腳和144腳封裝的產品，可以在VREF+上連接一個外部的ADC的參考輸入電壓，從而改善對輸入低電壓的精度。

　　消除影響ADC精度的因素（2）

　　消除影響ADC精度的因素（3）
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　　1、電源輸出不穩，隨負載變化

　　ADC模塊使用VREF+或VDDA作為模擬參考，數字數值的輸出是這個參考電壓與模擬輸入信號的比值，VREF+必須在各種負載情況下保持穩定。可以使用諸如LM236作為VREF+的參考電壓，這是一個2.5V的電壓參考二極管

　　2、模擬輸入信號的噪聲

　　平均值方法：適合處理不頻繁變化的模擬輸入信號，增加一個外部濾波器消除高頻噪聲。

　　3、將最大的信號幅度與ADC動態范圍匹配

　　選擇參考電壓（僅適合于具有VREF+引腳的產品），使用一個外部的前級放大器。

　　4、I/O引腳間的串擾（臨近數字信號的翻轉）

　　模擬信號線的周圍布置地線產生屏蔽，能有效地減小串擾干擾噪聲。

　　消除影響ADC精度的因素（4）

　　VDD與VDDA的處理

　　供電引腳

　　STM32共有7種封裝規格，共有多組VDD/VSS引腳，以及一組VDDA/VSSA引腳。

　　盡管所有VDD和所有VSS在內部相連，在芯片外部仍然需要連接上所有的VDD和VSS。因為導線較細，內部連接負載能力較差，抗干擾的能力也較差，如果漏接VDD或VSS，容易造成內部線路損壞，同時抗干擾能力下降。

　　VDD與VSS的去藕電容

　　每對VDD與VSS都必須在盡可能靠近芯片處分別放置一個10nF~100nF的高頻瓷介電容。在靠近VDD3和VSS3的地方放置一個4.7μF~10μF的鉭電容或瓷介電容。

　　VDD與VDDA的關系

　　VDDA為所有的模擬電路部分供電，包括：

　　ADC模塊，復位電路，PVD（可編程電壓監測器），PLL，上電復位（POR）和掉電復位（PDR）模塊，控制VBAT切換的開關等。即使不使用ADC功能，也需要連接VDDA，強烈建議VDD和VDDA使用同一個電源供電。VDD與VDDA之間的電壓差不能超過300mV，VDD與VDDA 應該同時上電或調電。

　　供電方案

　　如何達到最優功耗水準

　　低功耗模式

　　I/O引腳的處理

　　1、如果需要減小I/O端口的電流消耗，可以根據具體情況配置I/O端口的狀態：

　　輸入端口????配置為浮空輸入，帶外部上拉的輸出端口????配置為推挽輸出并輸出’1’，，帶外部下拉的輸出端口????配置為推挽輸出并輸出’0’。

　　2、未用的內部外設：

　　保持為關閉和默認的復位狀態：

　　不要進行重映射，復位寄存器RCC_APB1RSTR和RCC_APB2RSTR。關閉對應的時鐘，時鐘使能寄存器：RCC_AHBENR、RCC_APB2ENR和RCC_APB1ENR。

　　進入SLEEP模式的省電操作

　　1、為了降低系統功耗，進入SLEEP模式時，執行如下操作流程：

　　關閉無需等待中斷或事件的外設時鐘；設置進入機制（Sleep-Now或Sleep-on-Exit）；設置系統進入SLEEP模式。

　　2、退出睡眠模式的方式：

　　WFI（等待中斷），可由任一外設中斷觸發，WFE（等待事件），可由任一外設事件觸發。

　　進入STOP省電模式的操作

　　為了降低系統功耗，進入STOP模式的操作流程：

　　關閉設置為普通IO功能的GPIO口時鐘；

　　關閉已開啟時鐘的外設的使能位（尤其是ADC、DAC、USB等帶模擬模塊的外設）；

　　關閉已開啟時鐘的外設的時鐘；

　　關閉預取緩沖區，并將Flash等待周期置為0；

　　設置PWR_CR中LPDS位選擇電壓調節器的模式：

　　正常模式：電壓調節器處于正常供電狀態；

　　低功耗模式：可降低電壓調節器自身的功耗，

　　將MCU從STOP模式喚醒的時間有所增加；

　　設置系統進入STOP模式。

　　退出STOP省電模式的操作

　　1、退出停止模式：

　　以WFI進入時：任意外部中斷線的中斷；

　　以WFE進入時：任意外部中斷線的事件；

　　不包括PVD和USB喚醒事件。

　　2、從STOP模式恢復后，時鐘的配置返回到復位時的狀態（系統時鐘為HSI），用戶程序必須重新配置整個時鐘系統，包括PLL。

如何獲得高精度的RTC#e#

　　如何獲得高精度的RTC

　　STM32使用Pierce振蕩器，原理圖及重要參數如下：

　　三個步驟選擇一個合適的LSE

　　第一步：增益裕量（Gainmargin）計算

　　選擇一個晶振（參考MCU的數據手冊確定晶振的頻率）

　　計算晶振的增益裕量（Gainmargin）并檢查其是否大于5：

　　如果Gainmargin《 5，說明這不是一個合適的晶振，應當再挑選一個低ESR值和低CL值的晶振，重新第一步。如果Gainmargin》 5，進行第二步。

　　第二步：外部負載電容的計算

　　計算CL1和CL2的值，并檢查標定為該計算值的電容是否能在市場上獲得。如果能找到容值為計算值的電容，則晶振可以在期望的頻率正常起振。然后轉到第三步。

　　如果找不到容值為計算值的電容：

　　該應用對頻率要求很高，你可使用一個可變電容并將其調整到計算值，然后轉到第三步。如果對頻率的要求不是特別苛刻，選擇市場上能獲得的電容中容值距計算值最近的電容。

　　第三步：驅動級別及外部電阻的計算

　　計算驅動級別DL并檢查其是否大于DLcrystal：

　　如果DL《 DLcrystal，沒必要使用外部電阻，祝賀你，你找到了合適的晶振。如果DL》 DLcrystal，你應該計算RExt 使其確保DL《 DLcrystal 并據此重新計算Gainmargin。如果Gainmargin》 5，祝賀你，你找到了合適的晶振。如果Gainmargin《 5，你別無選擇，再重新挑選另外一個晶振吧。然后重新回到第一步。

　　ST推薦的LSE型號

　　對于STM32?的LSE部分，推薦使用CL《7pF的晶振（過大的CL會導致過大的gmcrit，從而無法保證足夠的增益裕量）。