STM32F103 最小系统 PCB 设计与原理

这篇文章是来自我学习：

​​​​​​带着你从手册开始画板 STM最小系统板教程系列(一)_哔哩哔哩_bilibili​​​​​​

这套教程的笔记，同时本文中也参考了其他教程以及我遇到的困惑与自答，最终汇总。

一、单片机最小系统

单片机最小系统是由芯片外部接上时钟电路、复位电路和电源构成的一个基本应用系统。主要包含的部分，单片机、时钟电路、复位电路、电源电路、程序加载口。

下图就 是PCB 最终效果。

二、主控芯片

这里使用 STM32F103CBT6，首先应该设置启动模式电路，在STM32 都有 BOOT1 和 BOOT0 两个引脚，接低或者高电平即可配置。

在系统复位后，SYSCLK的第4个上升沿，BOOT引脚的值将被锁存。用户可以通过设置BOOT1和BOOT0引脚的状态，来选择在复位后的启动模式。

一般来说，我们都使用主闪存模式 (flash)，来作为启动区域。

不过在烧录串口程序中，我们则需要系统存储器启动系统。系统储存器在出厂时设定了 bootloader (引导程序)，用此方式启动，向 STM32 串口写入代码，引导程序将会帮我们把把代码写入到 flash 中。之后将引脚转化到主闪存模式 (flash)，复位即成功烧录代码并运行。

当然如果我们使用 stlink、DAP 之类的调试器，则不需要设置这些，并且它还具有代码断点查看内存等功能。不过本教程并没有板载内置调试器，如果想用则只能外置了。

2.1 主控芯片 PCB 设计

以下便是 STM32F103CBT6 的 BOOT1 和 BOOT2 引脚原理图。

在 BOOT1 处接入了一个按钮，使得我们可以切换主闪存和系统储存。

 最后我们把电路整理成这样：

 

三、复位电路 

根据 STM32F103x8B 数据手册 5.3.13 章节提示，复位引脚在芯片内部以及接了一个永久上拉电阻。也就是通上电此引脚将永久处于高电平。同时也给出了推荐电路设计。

3.1 复位电路 PCB 设计

我们并不使用手册中建议的复位电路，而是采用这样的结构：

 

上图复位电路，在刚上电时c1电容需要一定时间充电，在此时 NRST 处于低电平。低电平时系统复位，这样每次上电系统就能自动复位一次。或者我们摁下按钮，也会使得电路接地，进行复位。

四、外接晶振

根据 STM32F103x8B 数据手册 5.3.6 章节提示，高速外部时钟 (HSE) 的频率应该在 0~25MHz 之间，低速外部时钟 (LSE) 应该在 0~1000KHz 之间。在这里我们使用其中的两个典型值 8MHz 和32.768KHz。

32.768KHz 在 15 次二分频后即可得到 1Hz 很适合作为时钟使用。

4.1 外接晶振 PCB 设计

 晶振电路需接入两个 20pf 电容。

五、电源 

5.1 线性稳压器 (LDO) 

 在这里使用了 me6206a33 作为稳压电源，主要是因为他体积小，比较适合这个板子。

根据参考手册提示，VIN 和 VOUT 都需要接入 1uF 的电容。

pcb设计如下：5V 为输入电源，3.3V 为输出。 

5.2 STM32 电源引脚配置

其中名词解释： 

VCC	电路的供电正电压	VDDD	芯片的工作数字正电压
GND	电路的供电负电压	VSSD	芯片的工作数字正电压
VDD	芯片的工作正电压	VREF+	ADC基准参考正电压
VSS	芯片的工作负电压	VREF-	ADC基准参考负电压
VDDA	芯片的工作模拟正电压	VBAT	电池或其他电源供电
VSSA	芯片的工作模拟负电压	VEE	负电压供电

 在图中提示出很重要的一点：VDD 被要求接入 5x100nf + 1x4.7uf  共六个电容。VDDA 和 VREF+ 也被要求接入特定的电容。 所以我们构建电路：

 

我在观察一些开源项目时，发现很多项目并没有按照这手册说明给足电容。关于这个问题我特地咨询了一位工程师：

 并接入 STM32：

5.3 电源的 pcb 设计

 

六、串口转 USB

6.1 CH340N 概述

首先我们需要使用一颗 CH340N 将串口转化为差分信号，这样才能输出到 usb 中。

 

CH340 内置时钟，不需要外接晶振。同时 CH340 也作为一个系列出现，我们在这里使用最小封装CH340N。

 手册说明，VCC 需要外接 0.1uF 的电容。同时 UD+ 和 UD- 可直接接入到 usb 无需电阻。

电路实现如下：

6.2 Type-C 接口

 

 

 标准的 type-c 接口是 24PIN，我们不需要这么多，只需要去掉 tx 和 rx 的 16 PIN 版即可。

 通过 CH340N 将数据转化为差分信号，后接入 type-c 的 A6、A7、B6 和 B6 差分口。其中最重要的 type-c 的CC1 和 CC2口，这两个数据口决定了插入方向，插入的版本等。

CC1 和 CC2 都接入下拉电阻即可配置 type-c 为 UFP 模式，即为被供电设备，下表中说明了 UFP 几种子模式。图中说的 Ra下拉是 1.2k 下拉电阻。Rd 下拉是 5.1k 下拉电阻。

我们需要使用的是 debug mode (调试模式)，即 CC1 和 CC2 都接入 5.1k 下拉电阻。至于其他几种模式用途我还没有完全搞懂，不做介绍。

PCB 接线如下：因为正反有两排接口，所以无论是vcc、接地和差分均有一对口。

6.3 串口转 USB 的 pcb 设计

 

七 总结