4. 初识STM32

本章参考资料:1、《STM8和STM32产品选型手册》

4.1. 什么是STM32

STM32,从字面上来理解,ST是意法半导体,M是Microelectronics的缩写,32表示32位,合起来理解,STM32就是指ST公司开发的32位微控制器。在如今的32位控制器当中,STM32可以说是最璀璨的新星,它受宠若娇,大受工程师和市场的青睐,无芯能出其右。

4.1.1. STM32诞生的背景

51 是嵌入式学习中一款入门级的精典MCU,因其结构简单,易于教学,且可以通过串口编程而不需要额外的仿真器, 所以在教学时被大量采用,至今很多大学在嵌入式教学中用的还是 51。51 诞生于 70 年代,属于传统的 8 位单片机, 如今,久经岁月的洗礼,既有其辉煌又有其不足。 现在的市场产品竞争越来越激烈,对成本极其敏感,相应地对MCU 的性能要求也更苛刻:更多功能,更低功耗,易用界面和多任务。 面对这些要求,51 现有的资源就显得得抓襟见肘。所以无论是高校教学还是市场需求,都急需一款新的 MCU 来为这个领域注入新的活力。

基于这样的市场需求, ARM 公司推出了其全新的基于 ARMv7 架构的 32 位 Cortex-M3 微控制器内核。紧随其后,ST(意法半导体)公司就推出了基于 Cortex-M3 内核的 MCU——STM32。STM32 凭借其产品线的多样化、极高的性价比、简单易用的库开发方式,迅速在众多 Cortex-M3 MCU 中脱颖而出,成为最闪亮的一颗新星。STM32 一上市就迅速占领了中低端 MCU 市场,受到了市场和工程师的无比青睐,颇有星火燎原之势。

作为一名合格的嵌入式工程师,面对新出现的技术,我们不是充耳不闻, 而是要尽快吻合市场的需要,跟上技术的潮流。如今 STM32 的出现就是一种趋势,一种潮流,我们要做的就是搭上这趟快车,让自己的技术更有竞争力。

4.2. STM32能做什么

STM32属于一个微控制器,自带了各种常用通信接口,比如USART、I2C、SPI等,可接非常多的传感器,可以控制很多的设备。现实生活中,我们接触到的很多电器产品都有STM32的身影,比如智能手环,微型四轴飞行器,平衡车、移动POST机,智能电饭锅,3D打印机等等。下面我们以最近最为火爆的两个产品来讲解下,一个是手环,一个是飞行器。

4.2.1. 智能手环

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图 4‑1 三星 GearFit 智能手环

红圈:STM32F439ZIY6S处理器(我们简称之为439),2048KB FLASH ,256KB RAM ,WLCSP143封装。

橙圈:Macronix MX69V28F64 16 MB闪存,基于MCP封装的存储器,是一种包含了NOR和SRAM的闪存,这在手环手机这种移动设备中经常使用,优点是体积小,可以减小PCB的尺寸。这个闪存用的439的FSMC接口驱动。

黄圈:InvenSense MPU-6500陀螺仪/加速度计,用439的I2C接口驱动。

绿圈:博通BCM4334WKUBG芯片,支持802.11n,蓝牙4.0+HS以及FM接收芯片,用439的SDIO或者SPI接口驱动。

显示:1.84”可弯曲屏幕(Super AMOLED),432 x 128像素。触摸部分用439的I2C接口驱动,OLED显示部分用LTDC接口驱动。

表格 4‑1 三星Gear Fit 和野火STM32f103“指南者”资源对比

资源

三星Gear Fit

指南者

CPU

STM32F439ZIY6S,WLCSP143封装

STM32F103VET6,LQPF100 封装

存储

NOR+SRAM 16MB,FSMC接口

串行FLASH 16MB ,SPI 接口

显示

1.84寸的 AMOLED,RGB接口,LTDC驱动

3.2寸电阻屏,FSMC接口

陀螺仪

MPU6050,I2C接口

可外接MPU6050模块,I2C接口

无线通信

蓝牙:博通BCM4334,SDIO或者SPI接口

WIFI:ESP8266,UART接口

除了这几个重要资源的对比,我们的指南者开发板上还板载了EEPROM,USB转串口,蜂鸣器,LED,普通按键,电容按键等外设资源,还可以扩展VS1053 MP3模块,W5500以太网模块,利用这些可以充分的学习STM32F103VET6这个芯片。在板子上面,还可以跑系统ucosiii,学习图形界面emwin。如果功夫所至,学完之后,自己都可以做一个类似Gear Fit这样的手环。可很多人又会说,Gear Fit 涉及硬件和软件,整个系统这么复杂,并不是一个人可以完成的。说的没错,我们可以做不了,但是我们的能力可以无限接近,多学点,技多不压身嘛。

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图 4‑2 ucosiii+emwin 做的系统界面(指南者的开机界面)

4.2.2. 微型四轴飞行器

现在无人机非常火热,高端的无人机用STM32做不来,但是小型的四轴飞行器用STM32还是绰绰有余的。如图 4‑3所示飞行器的基本都可以用STM32搞定。

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图 4‑3 微型四轴飞行器

上面的是属于产品,如果想自己DIY,可以在入门STM32之后,买一本飞行器DIY的书,边做边学。入门级的书籍推荐《四轴飞行器DIY—基于STM32微控制器》,见图 4‑4。

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图 4‑4 四轴飞行器DIY —基于STM32微控制器

4.2.3. 淘宝众筹

学会了STM32,想自己做产品,如何实现自己的梦想,淘宝众筹吧。做出产品原型,用别人的钱为自己的梦想买单。

淘宝众筹科技类网址:这里面有很多小玩意都可以用STM32实现,只要你的创意到了,就会有人买单,前提是我们要先学会STM32。

https://hi.taobao.com/market/hi/list.php?spm=a215p.1596646.1.8.LbVyJk#type=121288001

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图 4‑5 淘宝众筹科技类

4.3. STM32怎么选型

4.3.1. STM32分类

STM32有很多系列,可以满足市场的各种需求,从内核上分有Cortex-M0、M3、M4和M7这几种, 每个内核又大概分为主流、高性能和低功耗。具体的见 表格4_2

单纯从学习的角度出发,可以选择F1和F4,F1代表了基础型,基于Cortex-M3内核,主频为72MHZ,F4代表了高性能,基于Cortex-M4内核,主频180M。

之于F1,F4(429系列以上)除了内核不同和主频的提升外,升级的明显特色就是带了LCD控制器和摄像头接口,支持SDRAM,这个区别在项目选型上会被优先考虑。但是从大学教学和用户初学来说,还是首选F1系列,目前在市场上资料最多,产品占有量最多的就是F1系列的STM32。

表格 4‑2 STM8和STM32分类

CPU位数

内核

系列

描述

32

Cortex-M0

STM32-F0

入门级

STM32-L0

低功耗

Cortex-M3

STM32-F1

基础型,主频72M

STM32-F2

高性能

STM32-L1

低功耗

Cortex-M4

STM32-F3

混和信号

STM32-F4

高性能,主频180M

STM32-L4

低功耗

Cortex-M7

STM32-F7

高性能

8

超级版6502

STM8S

标准系列

STM8AF

标准系列的汽车应用

STM8AL

低功耗的汽车应用

STM8L

低功耗

4.3.2. STM32 命名方法

这里我们以野火F103指南者用的型号STM32F103VET6来讲解下STM32的命名方法。

表格 4‑3 STM32F103VET6命名解释

STM32F103VET6

家族

STM32,表示32bit的MCU

产品类型

F表示基础型

具体特性

基础型

引脚数目

V表示100pin,其他常用的为C表示48,R表示64,Z表示144,Z表示144,B表示208,N表示216

FLASH大小

E表示512KB,其他常用的为C表示256,E表示512,I表示2048

封装

T表示QFP封装,这个是最常用的封装

温度

6表示温度等级为A:-40~85°

有关更详细的命名方法见 图4_6

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图 4‑6 STM8和STM32命名方法,摘自《STM8和STM32选型手册》

4.3.3. 选择合适的MCU

了解了STM32的分类和命名方法之后,就可以根据项目的具体需求先大概选择哪类内核的MCU,普通应用,不需要接大屏幕的一般选择Cortex-M3内核的F1系列,如果要追求高性能,需要大量的数据运算,且需要外接RGB大屏幕的则选择Cortex-M4内核的F429系列。

明确了大方向之后,接下来就是细分选型,先确定引脚,引脚多的功能就多,价格也贵,具体得根据实际项目中需要使用到什么功能,够用就好。确定好了引脚数目之后再选择FLASH大小,相同引脚数的MCU会有不同的FLASH大小可供选择,这个也是根据实际需要选择,程序大的就选择大点的FLASH,要是产品一量产,这些省下来的都是钱啊。有些月出货量以KK(百万数量级)为单位的产品,不仅是MCU,连电阻电容能少用就少用,更甚者连PCB的过孔的多少都有讲究。项目中的元器件的选型的水深的很,很多学问。

4.3.3.1. 如何分配原理图IO

在画原理图之前,一般的做法是先把引脚分类好,然后才开始画原理图,引脚分类具体见 表格4_4

表格 4‑4 画原理图时的引脚分类

引脚分类

引脚说明说明

电源

(VBAT)、(VDD VSS)、(VDDA VSSA)、(VREF+ VREF-)等

晶振IO

主晶振IO,RTC晶振IO

下载IO

用于JTAG下载的IO:JTMS、JTCK、JTDI、JTDO、NJTRST

BOOT IO

BOOT0、BOOT1,用于设置系统的启动方式

复位IO

NRST,用于外部复位

上面5部分IO组成的系统我们也叫做最小系统

GPIO

专用器件接到专用的总线,比如I2C,SPI,SDIO,FSMC,DCMI这些总线的器件需要接到专用的IO

普通的元器件接到GPIO,比如蜂鸣器,LED,按键等元器件用普通的GPIO即

如果还有剩下的IO,可根据项目需要引出或者不引出

4.3.3.2. 如何寻找IO的功能说明

要想根据功能来分配IO,那就得先知道每个IO的功能说明,这个我们可以从官方的数据手册里面找到。在学习的时候,有两个官方资料我们会经常用到,一个是参考手册(英文叫Reference manual),另外一个是数据手册(英文叫Data Sheet)。两者的具体区别见 表格4_5

表格 4‑5 参考手册和数据手册的内容区别

手册

主要内容

说明

参考手册

片上外设的功能说明和寄存器描述

对片上每一个外设的功能和使用做了详细的说明,包含寄存器的详细描述。编程的时候需要反复查询这个手册。

数据手册

功能概览

主要讲这个芯片有哪些功能,属于概括性的介绍。芯片选型的时候首先看这个部分。

引脚说明

详细描述每一个引脚的功能,设计原理图的时候和写程序的时候需要参考这部分。

内存映射

讲解该芯片的内存映射,列举每个总线的地址和包含有哪些外设。

封装特性

讲解芯片的封装,包含每个引脚的长度宽度等,我们画PCB封装的时候需要参考这部分的参数。

一句话概括:数据手册主要用于芯片选型和设计原理图时参考,参考手册主要用于在编程的时候查阅。官方的这两个文档可以从官方网址里面下载:http://www.stmcu.org/document/list/index/category-150,也可以从我们配置的光盘资料里面找到。

在数据手册中,有关引脚定义的部分在“Pinouts and pin description”这个小节中,具体定义见 表格4_6

表格 4‑6 数据手册中对引脚定义

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表格 4‑7 对引脚定义的解读

名称

缩写

说明

1.引脚序号

阿拉伯数字表示LQFP封装,英文字母开头的表示BGA封装。引脚序号这里列出了有6种封装型号,具体使用哪一种要根据实际情况来选择。

2.引脚名称

指复位状态下的引脚名称

3.引脚类型

S

电源引脚

I

输入引脚

I/O

输入/输出引脚

4.I/O结构

FT

兼容5V

TTa

只支持3V3,且直接到ADC

B

BOOT引脚

RST

复位引脚,内部带弱上拉

5.主功能

每个引脚复位后的功能

6.复用功能

这里指的是IO的默认的复用功能

7.重映射功能

IO除了默认的复用功能之外,还可以通过重映射的方法映射到其他的IO,这样可以增加IO口功能的多样性和灵活性。

4.3.3.3. 开始分配原理图IO

比如我们的F103“指南者”使用的MCU型号是STM32F103VET6,封装为LQFP100,我们在数据手册中找到这个封装的引脚定义,然后根据引脚序号,一个一个复制出来, 整理成excel表。具体整理方法按照 表格4_4 画原理图时的引脚分类即可。分配好之后就开始画原理图。

4.3.4. PCB哪里打样

设计好原理图,画好PCB之后,需要把板子做出来,进行软硬件联调。首先得PCB打样,这里我推荐一家我经常打样的厂家,深圳嘉立创(JLC),行业标杆,良心价格,网址:http://www.sz-jlc.com。一块10CM*10CM以内的板子,三天做好,50块就可以搞定,还包邮,简直便宜到掉渣。如果你足够懒,不想自己焊接电阻电容二三极管什么的,嘉立创还可以帮你把PCB样板上的阻容贴好给你,打样贴片一条龙。

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