开发板硬件结构
第一章开发板硬件结构
OpenM3V开发板，是作者专门为本书设计的硬件原型，采用了ST公司基于M3核的STM32F103VB，可通过ISP下载及JTAG方式调试和下载。
开发板上提供了众多的功能部件，都是工程师在实际应用中常用和必需要使用的模块，充分使用这些模块能尽可能的发挥STM32系列的性能。这些功能模块包括有键盘和LED灯功能部件；I2C方式接口的EEPROM储存器电路；两个RS232串口电路；简单AD采集电路，语音AD采集电路；CAN接口电路；USB接口电路；JTAG接口电路；后备供电电路；SPI方式接口的FLASH储存器接口电路模块，SPI方式接口的SD卡电路，SPI方式接口的128*64点阵液晶接口电路，SPI方式接口2.4G无线通信模块接口电路，SPI方式接口的779 MHz 至928MHz频段无线模块接口电路；PWM方式调光电路，PWM方式语音输出电路，连接直流无刷电机驱动板的接口电路等众多功能模块电路，同时结合灵活的跳线，所有的IO口都可以单独引出，极大的方便读者进行嵌入式开发实验。
1.1电路原理图
OpenM3V开发板硬件原理图如图1-1-1，1-1-2，1-1-3，1-1-4，1-1-5所示。
图1-1-1 芯片最小系统部分
图1-1-2
图1-1-3
1.2 原理图说明
1.2.1电源电路
STM32系列的工作电压(VDD)为2.0～3.6V。通过内置的电压调节器提供所需的1.8V电源。当主电源VDD掉电后，通过VBAT脚为实时时钟(RTC)和备份寄存器提供电源。OpenM3V开发板电源电路如图1-2-1所示，使用USB口输入5V电源，通过电容滤波和电感对瞬态电流的限制，使用LM1117为系统提供稳定的3.3V电源。当系统供电后，有一指示灯被点亮，提示系统处于供电状态。
图 1-2-1 电源电路
STM32F103V系列具有独立的模拟电源引脚，为了提高模拟系统的抗噪性，模拟部分应该与数字部分分开供电，如图1-2-2所示。在电路上，使用L1，L2 ，C5，C6用于模拟电路部分隔离来自数字电路部分的噪声。
图 1-2-2
1.2.2系统复位电路
在STM32系列芯片中，由于有完善的内部复位电路，外部复位电路就特别简单，只需要使用阻容复位方式就可以，图1-2-3是系统的复位电路。
图 1-2-3 复位电路图
1.2.3时钟电路
STM32系列的控制器可以使用外部晶振或外部时钟源，经过内部PLL或不经过内部PLL为系统提供参考时钟，也可以使用内部RC振荡器经过或不经过内部PLL为系统提供时钟源。当使用外部晶振作为系统时钟源时，外部晶振的频率在4MHz—16MHz，可以为系统提供精确的系统参考源。
OpenM3V开发板使用8MHz外接晶振为系统提供精确的系统时钟参考，使用32.768kHz低速外部晶体作为RTC时钟源，连接到芯片的PC14、PC15脚。具体电路见图1-2-4所示
图 1-2-4 晶振电路图
1.2.4JTAG接口电路
OpenM3V开发板采用标准14脚JTAG仿真调试接口。14脚JTAG仿真调试接口信号定义与STM32F103VB连接如图1-2-5所示。注意，当用户不使用JTAG口，而是作为普通IO口使用时，要注意其口线上的上拉和下拉电阻的影响，当然也可以焊下这些电阻不用。
图 1-2-5 JTAG接口电路
1.2.5串口电路
STM32系列芯片有2-5个不等异步串口，STM32F103VB拥有3个异步串口。开发板通过一片MAX3232把串口1和串口2的3.3V电平转换为RS232电平。通过一个跳线组J5，可以把这些端口与串口部分电路断开或相连接。当跳线帽短接时，连接芯片引脚的到串口电平转换电路，当跳线帽断开时，这些脚可以作为通用IO口用。
开发板上，STM32F103VB的PA10（69脚）对应RX1，PA9（68脚）对应TX1，PA3（26脚）对应RX2，PA2（25脚）对应TX2。这两个串口的数据发送端连接到DB9母头的2号脚，数据接收端连接到DB9母头的3号脚，DB9接头与PC机串口相接时，使用直连串口线相连接。同时串口1可以作为程序ISP下载的接口。具体电路见图1-2-6所示
图 1-2-6 串口电路图
1.2.6键盘电路
OpenM3V开发板有独立的7个按键，分别为K1—K7，如图1-2-7所示所示。由于STM32F系列芯片的每一个引脚都可以定义为中断脚，也可以定义这些按键作为外部中断输入口，或用作唤醒在睡眠或停机状态的CPU。
开发板上，PE0连接K1,PE1连接K2…PE6连接K7。虽然所有的STM32F系列芯片内部都有上拉和下拉选项，在此处加上上拉电阻只是更好的说明这个上拉电阻的作用。在对功耗要求很严的应用中，按键的上拉电阻阻值应相应取大一点，以减少这一部分的电流消耗。在按键的两端，加上一个电容，它能旁路掉一定量的键盘按下和松开时的抖动，其值在0.1uF到1.0uF间，此处采用0.1uF电容。
按键按下时，采集到的电压值为低，按键松开时，采集到的电压值为高。通过判断连接到芯片IO口电压的高低来判断按键的状态。
图 1-2-7 按键电路图
1.2.7LED灯电路
OpenM3V开发板有独立的8个LED灯，使用IO口来控制，分别是使用PD0控制LED1，PD1控制LED2…PD7控制LED8。当IO口为高电平时，LED灯灭，当IO口为低电平时，LED灯亮。具体电路如图1-2-8所示。
图 1-2-8 LED电路图
同时还有一路使用PWM来模拟DAC输出可以调光输出的LED灯，电路如图1-2-9所示。PWM_V连接芯片的PD14脚，也即重映射TIM4的CH3脚。
图 1-2-9 PWM驱动电路图
1.2.8I2C接口电路
STM32F103VB具有2路均支持400KHz高速通信模式的硬件I2C电路接口。在开发板上使用一片具有I2C 接口的EEPROM储存器芯片24C02，可以通过I2C接口实现数据的读写等操作。电路图如图1-2-10所示，24C02连接到STM32F103VB的I2C_2接口，使用跳线J6与系统相接。只有到跳线帽短接时，I2C_2接口的连接到24C02芯片上，当断开时，I2C_2接口可以用作普通的IO口。
I2C总线上拉电阻的值与总线速度有关，当总线速度高达400KHz时，应使用1K的电阻，可以实现快速的总线上升和下降变化。当使用标志的100KHz总线速度时，可以选用5.6K或10K总线上拉电阻，以降低总线操作时的功率消耗。为了兼容高速总线，此处选用1K总线上拉电阻。
图 1-2-10 24C02接口电路图
1.2.9ADC电路
STM32F103VB具有2个12位模数转换器，共有17个通道，转换速率高达1000KHz。具有独立的参考电源引脚。开发板通过跳线J12可以选择经过隔离的3.3V或语音采集电压参考，也可以直接从需要的地方引入参考电压。注意J12跳线最多只能选择一个，开发板初始状态时参考源选择VREF_3.3。具体跳线电路如图1-2-10
图 1-2-11 ADC参考跳线图
OpenM3V开发板提供一路直流电压测量电路，一路语音采集电路。直流电压采集电路如图1-2-12所示，直流电压连接到ADC_13脚。可调电阻调节输入到ADC的电压，在VIN点可以通过万用表测出电压值。开发板上直接使用电源作为参考源，不能满足高精度的电压测量，也没有发挥出12位ADC的性能，如果需要完全发挥STM32F103VB芯片ADC的性能，需要使用精密参考源引入VREF+脚。
图1-2-12 直流电压采集电路
1.2.10USB电路
USB外设实现了USB2.0全速总线接口。USB外设支持USB挂起/恢复操作，可以停止设备时钟实现低功耗。 ST-EasyM3开发板通过USB接口提供电源，接口电路如图1-2-13所示。
通过J2跳线可以断开和接通USB电路，通过J1可以选择通过CPU控制上拉还是始终选择上拉。如果选择CPU来控制上拉，则通过PC11来控制。
图 1-2-13 USB接口电路
1.2.11CAN电路
bxCAN是基本扩展CAN(Basic Extended CAN)的缩写，它支持CAN协议2.0A和2.0B。它的设计目标是，以最小的CPU负荷来高效处理大量收到的报文。它也支持报文发送的优先级要求(优先级特性可软件配置)。CAN主要用于对安全紧要的应用，bxCAN提供所有支持时间触发通信模式所需的硬件功能。
STM32F103VB芯片有一路硬件CAN接口，电路图1-2-14所示。通过跳线J3来连接和断开芯片与CAN驱动的连接，使用65HVD230驱动芯片连接到CAN总线上。使用J4跳线来选择使用使用终端200欧网络电阻。
图 1-2-14 CAN 接口电路图
1.2.12语音采集和语音播放电路
STM32F103VB芯片拥有性能优越的ADC和高效的PWM输出，可以充分使用芯片的资源来进行语音的采集和语音输出。图1-2-15是语音采集和语音输出的电路图。
语音采集使用ADC_1，使用语音采集时，ADC参考源要选择（J12）VREF_MIC。语音采样使用18KHz/S 的采样频率，使用12位数据。语音输出PWM频率为18K，与语音采样速率一样。
我们可以通过PC机或MP3等设备输入音频信号，通过STM32采集，然后通过PWM方式输出来，通过扬声器或耳机复现，实现语音采集和语音播放。
图 1-2-15 语音采集和播放电路
1.2.13SPI接口电路
串行外设接口(SPI)允许芯片与外部设备以半/全双工、同步、串行方式通信。此接口可以被配置成主模式，并为外部从设备提供通信时钟(SCK)。接口还能以多主配置方式工作。它可用于多种用途，包括使用一条双向数据线的双线单工同步传输。
STM32F103VB具有2路SPI接口，最高速度可以达到18MHz。ST-EasyM3开发板上拥有众多的SPI接口设备，通过SPI可以很容易的连接众多设备，实现与这些设备的高速通信。
开发板上的SPI接口设备非常丰富，有2.4G无线模块接口，863MHz—925MHz频率无线模块接口，SD卡接口，128*64点阵液晶接口，FLASH储存器接口和TF/SD卡接口。
1》2.4G无线接口，其电路如图1-2-16所示。通过J8跳线来连接和断开与2.4G无线模块控制口线与芯片的连接。L4和C22及C23为无线模块电源进行滤波，保证无线模块电源的干净度。STM32F103VB 芯片的SPI2接口与无线模块的SPI接口相连。
图 1-2-16 2.4G无线模块
2》830MHz—925MHz无线模块接口，其电路如图1-2-17所示。通过J11来接通和断开芯片与模块的连接。L5、C56和C57为无线模块电源进行滤波，以保证无线模块电源的干净度。STM32F103VB芯片的SPI1与无线模块的SPI接口相连。
图 1-2-17 ISM工业频段无线模块
3》 128*64点阵LCD模块接口，其电路如图1-2-18所示。通过J7跳线来连通和断开芯片与LCD点阵模块的连接。在开发板上，相应的放置了点阵液晶模块所必须的元器件。当要使用点阵液晶模块时，J7跳线必须全部短接。
图 1-2-18 128*64点阵模块接口电路
4》SD/TF卡接口，其电路如图1-2-19所示。通过跳线J9来选通和断开芯片与SD/TF卡的连接。通过SD_POWER口线来控制SD/TF卡的供电，可以重新复位SD/TF卡。通过对SD_FIND口线电平的判断，来识别SD/TF卡是否插入。当SD/TF卡供电时，LED11灯将被点亮。
图 1-2-19 TF/SD卡接口电路
5》FLASH储存器接口，其具体电路如图1-2-20所示。通过J10跳线来接通和断开芯片与FLASH储存器的连接。在开发板上有一片具有SPI接口的FLASH储存器芯片SST25V016B，可以通过SPI接口高速的实现数据的读和写操作，SST25V016B连接到芯片的SPI2接口。
图1-2-20 FLASH接口电路
1.2.14电机驱动板接口电路
STM32F系列芯片中，至少有一个高级定时器，这个定时器的许多功能是为方便控制电机设立的。开发板上的电机驱动板接口，其具体电路如图1-2-21所示。在J13接口中引入了T1_CH1、T1_CH1N、T1_CH2、T1_CH2N、T1_CH2、T1_CH2N用于控制电机的三相六极；T3_1_H1、T3_2_H2、T3_3_H3用于连接霍尔传感器，T4_1_B1、T4_2_B2用于连接编码器；ADC_1、ADC_2、ADC_3、ADC_T用于采集三相电流和驱动板上的温度；T1_BKIN用作紧急按钮用。同时可以为开发板提供3.3V和5.0V电源。
图 1-2-21 电机驱动板接口
1.3 开发板元器件布局图
OpenM3V开发板原件布局如图1-3-1所示。
图1-3-1 开发板元器件图
1.3.1跳线器说明
OpenM3V开发板跳线器说明一览表见表1-3-1。
表1-3-1 跳线器说明表
跳线器IO口跳线选择功能说明
J1PC11USB_ABLE此为三端跳线，短接USB_ABLE端时，由PC11控制上拉，短接地
时，联通上拉电阻。
J2PA12USBDP短接时，PA12连接USBDP
PA11USBDM短接时，PA11连接USBDM，使用USB时，两个都需短接。
J3PB9CANTX短接时，PB9连接CANTX
PB8CANRX短接时，PB8连接CANRX，使用CAN时，两个都需短接。
J4------短接时，连接200欧电阻。
J5PA9TX1短接时，PA9连接RS232电平转换芯片
PA10RX1短接时，PA12连接RS232电平转换芯片
PA2TX2短接时，PA12连接RS232电平转换芯片
PA3RX2短接时，PA12连接RS232电平转换芯片
J6PB10SCL2短接时，连接24C02的SCL脚
PB11SDA2短接时，连接24C02的SDA脚
J7PD8LCD_A0短接时，PD8连接点阵液晶模块的控制口线
PD9LCD_REST短接时，PD9连接点阵液晶模块的复位口线
PD10LCD_SS短接时，PD10连接点阵液晶模块的片选口线
开发板上的众多功能模块，可以通过跳线与芯片连接或断开。开发板上绝大部分采用2针跳线，跳线器的两边均标记有其相应的功能符号，当跳线短接时，CPU连接功能模块，当跳线断开时，CPU和功能模块断开，可以作为普通的IO口用。在这12个跳线块中，J1，为三端跳线，可以选择跳接GND和USB_ABLE，J12为参考电源跳线块，当使用ADC模块时，必须选择一个参考源。一般测试可以选用VREF_3.3，当使用语音采集电路时，可以选择VREF_MIC。
切记，参考源只能跳接一个，跳接VREF_3.3时，就不能接VREF_MIC，反之一样。J5跳线块为接通UART1和UART2用，当使用UART1时，必须跳接TX1和RX1这两个跳线，当使用UART2时，必须跳接TX2和RX2。其他的跳线块在使用器功能部件时必须全部跳接上。
下面对每一个跳线器做详细的说明：
J1 USB上拉电阻控制
J1跳线器，其在开发板上位置见图1-3-2所示，是惟一的三端跳线器，跳线器的中间引脚连接上拉电阻控制端。当跳线帽跳接到GND端时，中间引脚连接到GND，这时控制端口接入低电平，电路导通，使能上拉电阻。当跳线帽端口跳接到USB_ABLE端口时，上拉电阻控制端与芯片的PC11端口相连，当PC11输出高电平时，电路截止，失能上拉电阻，当PC11输出低电平时，电路导通，使能上拉电阻。这时可以在程序中来控制上拉电阻是否有效。
J2 USB接口
通过跳线器J2的选择，STM32F103VB的USB数据引脚USBDP和USBDM连接到USB接口电路和USB插座上，可以通过USB进行数据通信。J2跳线器和USB接口在开发板上位置见图1-3-2所示。
图 1-3-2 USB和CAN功能模块在PCB电路板上的位置图
J3 CAN接口
通过跳线J3的选择，STM32F103VB的CAN总线CANRX和CANTX链接到CAN总线驱动器上，可以实现CAN总线通信。开发板上的CAN总线驱动器没有采用隔离电源和实行电气隔离，在真正的实际应用中，隔离是必不可少的，由于需要隔离，增加了CAN总线的使用成本。J3跳线器及CAN接口在开发板上的位置见图1-3-3所示。
J4 终端网络电阻
当此设备处在CAN总线的终端是，通过J4跳线选择接入200欧的终端电阻。当此设备不是CAN总线终端设备时，去掉J4跳线帽，断开终端电阻。J4跳线器在开发板上的位置见图1-3-3所示。
J5 UART串口
通过J5跳线器的选择，STM32F103VB的UART1和UART2引脚连接到MAX3232转换芯片上，进而连通道DB9插座上，从而可以进行串口通信。当短接RX1和TX1跳线帽时，UART1串口被连接，当短接RX2和TX2时，UART2串口被连接。UART1和UART2可以独立被连接使用。J5跳线器及串口在开发板上的位置见图1-3-4所示。
图 1-3-4
J6 I2C接口
通过跳线器J6的选择，STM32F103VB芯片的I2C总线SCL2和SDA2将与开发板上的24C02相连，芯片可以通过I2C总线对24C02进行读或写操作。J6和24C02在开发板上具体位置见图1-3-5所示。
图 1-3-5
J7 点阵液晶接口
通过跳线器J7的选择，STM32F103VB芯片可以连接到128*64点阵液晶模块上，以驱动液晶模块。芯片通过PD8脚控制液晶模块A0口，以实现数据和指令的转换，通过PD9脚来控制液晶模块的复位脚，通过PD10脚来作为SPI选择液晶模块的片选脚。液晶模块连接到芯片的SPI2接口。J7跳线器和128*64液晶模块接口在开发板上的具体位置见图1-3-6所示。开发板标准配置没有此液晶模块。
图 1-3-6
J8 2.4G无线模块接口
通过跳线器J8的选择，STM32F103VB芯片可以连接到2.4G无线模块上，以驱动无线模块实现数据的无线通讯完成。开发板上标准配置没有2.4G无线模块，其具体位置见图1-3-7所示。
图 1-3-7
J9 SD/TF卡
通过跳线器可以选择，STM32F103VB芯片的SPI1可以连接到SD/TF卡接口上。由于TF卡广泛应用于手机和数码设备中，在通用的容量下，有更小的体积，在市场中的占有量大大超过SD卡，具有更大的通用性，在开发板上没有选用大多数开发板选用的SD卡座，而是选用了更加通用的TF卡座。
短接跳线器J9，芯片通过PA0脚，可以控制SD/TF卡的电源开关；芯片通过对PC2脚电平的读取，可以获知TF卡是否插入到卡座中；PA4为SP1是否选择TF卡通讯的片选脚。J9跳线器和TF卡座在开发板上具体位置如图1-3-8所示。
J10 FLASH存储器
通过跳线器J10可以选择，芯片的SPI2接口可以连接到FLASH存储器SST25VF016B芯片上，通过SPI对SST25VF016B进行读写操作。J10跳线器在板上的具体位置见图1-3-5所示。
J11 工业ISM频段模块
通过跳线器J11的选择，STM32F103VB芯片可以连接到工业ISM频段无线模块上，以驱动无线模块实现数据的无线通讯完成。开发板上标准配置没有工业ISM频段无线模块，J11跳线器和工业ISM频段无线模块在开发板上的具体位置见图1-3-9所示。