【深大电赛】32位单片机核心板设计

简介:采用了STM32系列单片机作为主控,设计了一款小型化的核心单片机PCB电路,并且可兼容STM32系列下所有LQFP-144封装的主控。

开源协议: GPL 3.0

发布时间:2020-06-19 10:03:27
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描述

1.****需求分析****

题目的基础要求为:除核心32位单片机外,至少包含1个复位按键、3个独立按键、2个LED、下载接口以及串行通信接口,OLED显示驱动,并引出部分或全部IO端口。最后编写检测程序检测所有功能能否正常使用。

核心32位单片机可以选取意法半导体公司出品的STM32系列芯片,由于STM32已经十分普遍,其相关资料信息也十分完善,有利于后续的题目实施开展。该系列芯片拥有丰富寄存器和通讯协议,能满足各种嵌入式开放,能够满足题目的核心单片机要求。

众所周知,外设的使用开发与其主控的芯片型号无关。因此,我们对此设计了一款具备兼容不同主控芯片的开发板,以核心板和外设板结合形成32bit处理器的开发板。利用STM32封装的规律设计了一款小型化的核心单片机PCB电路,能够安装在不同的外设主板上,随时可以更换工作环境。该核心单片机除了MCU的基础外围电路外,还拥有NAND闪存,SDRAM,以及采用BTB板对板连接器对外引出全部IO端口,方便今后不同功能的设计。除此之外,在同一封装(LQFP-144)下,该PCB电路还能兼容不同系列的主控芯片。

2.****方案选择与论证****

采用STM32系列的单片机作为主控,外加NAND闪存,SDRAM作为核心板,外部配有网络芯片、音频解吗芯片、串口转换芯片、CAN通信总线等常用外设内容作为外设开发板,可以供初学者学习使用以及开发DEMO时的材料。电路采用四层设计,用BTB板对板连接器连接核心板和外设板并引出全部IO端口。

其具有以下优点:

1、四层板容易小型化,BTB会使核心板更容易安装到不同的主板上,方便使用和更换。

2、外设丰富,可以为初学者提供不同难度梯度的学习内容。

3、资源配合度高,可以组合不同外设完成丰富的应用功能。

3. 系统架构及功能描述

3.1****核心板****

核心单片机电路设计参考了正点原子的核心板方案[1],再依据官方的数据手册[2]的参考设计,核心板的设计框架如下图3-1所示。主控为STM32系列(LQFP-144封装)的芯片,基本核心电路为主控及其外围电路。除此之外,还有采用SPI通讯的闪存,采用Parallel通讯的NAND闪存、SDRAM。BTB板对板连接器对外输出所有主控的所有GPIO端口。电路的电源可来源于BTB连接的主板上,或者采用USB提供。USB也与STM32的端口连接,可以用于数据通讯。

图3-1 核心单片机的框架

3.2****外设开发板****

外设大多是由通用标准的总线接口或者通信协议进行连接通讯的。因此在开发外设板时,只需要将不同外设所需要的接口引出,便可以通过总线控制外设。外设接口分别有:

SPI:串行外设总线,其总线的引线有SCK、MOSI、MISO以及不同设备的片选线,具备了高速全双工等特点。在使用过程中,有多个不同的设备均可连接在同一个SPI总线中,通过不同片选线来与不同的外设进行数据交换,从而使总线通讯效率提高。使用SPI进行通讯的外设有OLED显示屏、FLASH闪存芯片、触摸屏、NRF通信芯片等。

ETH:以太网通信接口,包括了RMII等接口,以RMII接口连接开发板中的PHY物理层网卡芯片后,在软件中搭载LWIP协议栈即可实现网络通讯。

SAI:音频传输总线,包括了PCM等信号解调机制,可以以SAI总线接口连接音频解码芯片再利用功放芯片实现 音频播放。当然,也能够配合USB FS传输协议实现USB声卡功能。

CAN:控制器局域网络,是ISO国际标准化的串行通信协议,能够连接所有通过CAN进行通信的设备,例如工业电机、大功率电气设备等。

ADC:模数转换芯片,可用于模拟信号的数字化采集。

SDIO:SD卡以及MMC等存储卡的通信总线,可用于搭建FAFTS文件系统。

FMC:灵活内存控制器,可用于拓展芯片内存,同时也可以利用FMC来进行LCD的显示控制,由于LCD中自带GRAM显存,因此可以将其抽象为内存的方式来进行读写。

GPIO:通用IO口,可以用于外部中断的信号输入以及高低电平的输出,例如LED灯、

按键识别等。

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图3-2 开发板整体框架

4****.电路图和PCB****

4.1****核心板****

核心板的主控芯片为STM32F429ZIT6,除了最小系统板外,还有内存、电源、两个LED。

内存采用32MB的SDRAM,32MB的SPI通讯FLASH,以及256MB的NAND FLASH。

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图4.1 内存电路

电源电路,如图5-1、图5-2:USB提供5V电源,经过F1自恢复保险丝连接到U5开关电源芯片上,U5位MPS公司的MP2162GQH-Z,最大输入电压6V,最大电流可持续输出2A,并且其外围元器件极少,方便小型化设计。

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图4.2 降压电路

LED分别为红色和绿色。

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图4.3 LED电路

4.****2外设开发板****

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图4.4 外设开发板电路1

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图4.5 外设开发板电路2

核心板与外设开发板之间通过四个30PIN的BTB连接,含有:

1. SWD调试口。

2. USB接口口。

3. 复位按钮。

4. 开关降压电源

5. 4个复位按钮。

6. 串口模块。

7. TF卡插槽。

8. DS18B20温度传感器。

9. OLED显示器

10. LCD显示器。

11. PWM控制的MOS晶体管。

12. NRF通讯模块。

13. CAN通讯模块。

14. RMII通讯的10/100M网口模块。

15. PCM音频解码器。

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