基于STM32外围电路硬件经验分享

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攻城狮Melo 发布时间：2023-4-16 17:15

技术帖
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文章简介:	STM32外围电路硬件解析

复位电路：
      复位：让MCU回到最开始的状态。并且从头开始，重新执行程序

      我们什么时候需要复位？
                  1.烧录的时候

                  2.程序跑飞了的时候

                  3.上电复位（上电的时候需要复位）

      复位方式：
         1.上电复位： --- 一定要有
            MCU的Reset是复位引脚，当这个引脚为低电平时，单片机会产生复位。

         2. 按键复位：--- 可有可无（看需求）
            K10按下，产生复位动作

      这是阻容复位电路。当复位引脚低电平的时候复位。当上电的瞬间，C13电容开始充电，电容处于短路状态，电容上面的电压为低电平，此时MCU复位引脚被拉低，MCU执行复位，这样就实现了上电的时候复位功能了。
      实际上，单片机内部也有上电复位电路，那么我们之所以还要在单片机外部加上复位电路的原因是：因为外部上电复位电路复位时间较长，较长的复位时间，可以使得等电源、系统充分稳定后，MCU再来启动并执行程序，保证了MCU、系统正常运行。

      注意：由于电容的精度不够，而且电容还会受到温度的影响，存在温漂，所以阻容复位电路的延时并不精确。但是，阻容复位电路可以满足绝大部分的需要了。

      上电复位的目的：
      1.等待供电电源、系统稳定后，再来启动MCU，执行程序，否则MCU、系统无法正常运行。

      2.复位会初始化部分寄存器

      注意R21和C13的选择（一般选择10k电阻，104电容就可以，即：延时大约10uS）。其中，电容不能选择太小，否则C13电容很快就充满电了，那么此时电容上面就不是低电平了，但是，很有可能此时电源、系统还没有到达稳定状态。那么芯片供电电源、系统不稳定，就会导致MCU和整个系统工作有问题，有可能MCU时而启动成功，时而启动失败。

晶振电路：

单片机内部集成的HSI时钟源是就是RC振荡器。

晶振电路在布线的时候，尽量靠近单片机，因为晶振引脚，PCB走线也有电容电阻效应。

晶体振荡器分为无源晶振和有源晶振两种类型。

$ C6 U+ Q/ E& x. M* W0 v- I. p- D无源晶振：

      无源晶振与有源晶振的英文名称不同，无源晶振为 crystal（晶体），而有源晶振则叫做 oscillator（振荡器）。

      无源晶振是有2个引脚的无极性元件，需要借助于时钟电路才能产生振荡信号，自身无法振荡起来，所以“无源晶振”这个说法并不准确；有源晶振有 4只引脚，是一个完整的振荡器，其中除了石英晶体外，还有晶体管和阻容元件，因此体积较大。

      无源晶振和有源晶振的区别很多时候是大家直接通过观察了解到的。尤其是针对 2520贴片晶振，3225贴片晶振， 5032贴片晶振，并且是四脚封装的石英晶振来说，包括有源晶振，也包括无源晶振。

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有源晶振
      有源晶振通常的用法：一脚悬空，二脚接地，三脚接输出，四脚接电压。

      有源晶振不需要DSP的内部振荡器，信号质量好，比较稳定，而且连接方式相对简单（主要是做好电源滤波，通常使用一个电容和电感构成的 PI 型滤波网络，输出端用一个小阻值的电阻过滤信号即可），不需要复杂的配置电路。相对于无源晶体，有源晶振的缺陷是其信号电平是固定的，需要选择好合适输出电平，灵活性较差，而且价格高。

      有源晶振是由石英晶体组成的，石英晶片之所以能当为振荡器使用，是基于它的压电效应：在晶片的两个极上加一电场，会使晶体产生机械变形；在石英晶片上加上交变电压，晶体就会产生机械振动，同时机械变形振动又会产生交变电场，虽然这种交变电场的电压极其微弱，但其振动频率是十分稳定的。

      当外加交变电压的频率与晶片的固有频率（由晶片的尺寸和形状决定）相等时，机械振动的幅度将急剧增加，这种现象称为“压电谐振”。

      压电谐振状态的建立和维持都必须借助于振荡器电路才能实现。图 3 是一个串联型振荡器，晶体管 T1 和 T2 构成的两级放大器，石英晶体 XT 与电容 C2 构成 LC 电路。在这个电路中，石英晶体相当于一个电感，C2 为可变电容器，调节其容量即可使电路进入谐振状态。该振荡器供电电压为 5V，输出波形为方波。

UART、RS232、RS485它们之间的区别：
      UART，是通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），既然是“器”，显然，它就是个设备而已，要完成一个特定的功能的硬件，它本身并不是协议。那么它要完成什么功能呢？它的最基本功能，是串行数据和并行数据之间的转换。

      这就是UART做的最基本工作，进一步的，它还要控制“发车的班次”，比如确认一个Byte的这8个bit是什么时候开始的，又是什么时候结束的，两个班次之间至少要隔多长时间的缓冲，等等。这一部分，也具有协议的特征，但是相对于道路上的协议，更具有一般性，或曰，是与车在什么道路上开，相对独立的。

      RS232/RS485，是两种不同的电气协议，也就是说，是对电气特性以及物理特性的规定，作用于数据的传输通路上，它并不内含对数据的处理方式。比如，最显著的特征是：RS232使用3－15v有效电平，而UART，因为对电气特性并没有规定，所以直接使用CPU使用的电平，就是所谓的TTL电平（可能在0~3.3V之间）。更具体的，电气的特性也决定了线路的连接方式，比如RS232，规定用电平表示数据，因此线路就是单线路的，用两根线才能达到全双工的目的；而RS485，使用差分电平表示数据，因此，必须用两根线才能达到传输数据的基本要求，要实现全双工，必需用4根线。但是，无论使用RS232还是RS485，它们与UART是相对独立的，但是由于电气特性的差别，必须要有专用的器件和UART接驳，才能完成数据在线路和UART之间的正常流动。

      UART、RS232、RS485它们实际上都是串口上面的属性，只不过它们的功能不一样。UART的功能是将串行转并行，而RS232、RS485是一种电平标准

TTL电平信号:

TTL电平标准：
输出 L： <0.8V ；
输出 H：>2.4V。
输入 L： <1.2V ；
输入H： >2.0V。

      TTL电平信号之所以被广泛使用，原因是：通常我们采用二进制来表示数据。而且规定，+5V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”。这样的数据通信及电平规定方式，被称做TTL（晶体管-晶体管逻辑电平）信号系统。

      TTL电平长距离传输不了，抗干扰不行，衰减也大。长距离传输过程只能用RS232电平或者485电平，后者更远，在发送部分将TTL转换后，传输，接收部分再将传输电平转换为TTL电平。TTL作为逻辑电平很好，但是长距离传输确实能力有限。

RS232串口
RS232是计算机与通信工业应用中最广泛一种串行接口。它以全双工方式工作，需要地线、发送线和接收线三条线。RS232只能实现点对点的通信方式。
RS232串口缺点
●接口信号电平值较高，接口电路芯片容易损坏。
●传输速率低，最高波特率19200bps。
●抗干扰能力较差。
●传输距离有限，一般在15m以内。
●只能实现点对点的通讯方式。
RS232串口接口定义
RXD：接收数据，TXD：发送数据，GND/SG：信号地。

逻辑1(MARK)=-3V～-15V

逻辑0(SPACE)=+3～+15V

RS485串口
   RS485串口特点
●RS485采用平衡发送和差分接收，具有良好的抗干扰能力,信号能传输上千米。
●RS485有两线制和四线制两种接线。采用四线制时，只能实现点对多的通讯(即只能有一个主设备，其余为从设备)。四线制现在很少采用，现在多采用两线制接线方式。
●两线制RS485只能以半双式方式工作，收发不能同时进行。
●RS485在同一总线上最多可以接32个结点，可实现真正的多点通讯，但一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。
●因RS485接口具有良好的抗干扰能力，长的传输距离和多站能力等优点使其成为首选的串行接口。

      通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平在+2～+6V，负电平在-2～6V，另有一个信号地C。

USB电平：
电源线是5V，为USB设备提供最大500mA的电流，它与数据线上的电平无关，数据线是差分信号，通常D+和D-在+400mV~-400mV间变化,在传统的单端（Single-ended）通信中，一条线路来传输一个比特位。高电平表示1，低电平表示0。倘若在数据传输过程中受到干扰，高低电平信号完全可能因此产生突破临界值的大幅度扰动，一旦高电平或低电平信号超出临界值，信号就会出错。在差分传输电路中，输出电平为正电压时表示逻辑“1”，输出负电压时表示逻辑“0”，而输出“0”电压是没有意义的，它既不代表“1”，也不代表“0”。

CMOS电平
      COMS集成电路是互补对称金属氧化物半导体（Compiementary symmetry metal oxide semicoductor）集成电路的英文缩写，电路的许多基本逻辑单元都是用增强型PMOS晶体管和增强型NMOS管按照互补对称形式连接的，静态功耗很小。

      COMS电路的供电电压VDD范围比较广在+5~+15V均能正常工作，电压波动允许±10，当输出电压高于VDD-0.5V时为逻辑1，输出电压低于VSS+0.5V(VSS为数字地)为逻辑0。CMOS电路输出高电平约为0.9Vcc，而输出低电平约为0.1Vcc当输入电压高于VDD-1.5V时为逻辑1，输入电压低于VSS+1.5V(VSS为数字地)为逻辑0。CMOS电路中不适用的输入端不能悬空，否则逻辑混乱。

USB转串口电路：

这是一个USB接口电路，连接电脑。

      CH340是一个usb转串口的芯片（USB电路为5V，所以CH340芯片也是5V供电）。当然，串口的电平标准有很多，这里我们可以看到，我们是将USB转换为TTL电平，通过UART来与CPU进行通信。

      CH340的接收端RXD与CPU的发送端UART1 TX  相连接，即CPU通过TX发送消息给CH340的RXD接收，然后CH340又通过UD+将信息发送给USB接口。

   同理，CH340的接收端TXD与CPU的发送端UART1 RX  相连接。CH340通过UD-接收来自USB接口发送的信息，而CPU则通过RX来接收由CH340的TXD发送的信息。

      注意：CH340也需要用外部晶振电路来驱动。因为它需要在时钟的基础上面来发送/接收数据。

那为什么红框处要加一个二极管D4？
      我们可以看到，CH340芯片是5V供电，而cpu是3.3V供电。当cpu的UART1 RX接收来自CH340的TXD发送的数据的时候，此时D4二极管截止，D4二极管的阳极就为上拉电阻提供的3.3V，而不是CH340芯片的5V。那么此时，cpu识别到的电平就是TTL电平3.3V，而不是5V电平。