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MM32F5 硬件系统设计

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本帖最后由 MM灵灵灵 于 2022-9-13 15:55 编辑

MM32F5 硬件系统设计

本文以 KiCad v6.0 设计一个简单的 MM32F5277E9PV 的开发板为例,通过原理图讲述 MM32F5 硬件系统设计,中间会提到一些电路设计中遇到的问题,供大家参考。

一.最小系统设计

最小系统是 MM32F5 能够工作的电路设计,包括 MM32F5 系列的芯片,去耦电容,复位电路,外部时钟电路(可选)以及电源。

  • 元件绘制
首先,我们需要绘制一个名为 MM32F5277E9PV 的元件,绘制元件的信息来自于该芯片的产品手册,可在灵动官网中查看。

在 “引脚定义及复用功能” 章节中,通过引脚分布图可以直观看到不同封装芯片的引脚分布情况(图1),或者是通过引脚定义表,查看引脚功能和序号。


不同用户对 MCU 元件的绘制方法有所不同,较大的器件甚至可以绘制成多个单元,从而能在一张原理图中放下整个器件。

本文介绍一种绘制方法,规则如下:
1.   元件以单个矩形表示,引脚分布在矩形的左右两边。
2.   电源引脚集中放置在左上角,VDD 在上,VSS 在下。
3. GPIO 引脚在右侧放置,且按照 PORT 顺序排列,不同 PORT 中间间隔一个引脚位置,若右侧放置数量过多,可适当将部分 GPIO 放置在左侧。
4.  复位引脚在矩形左侧绘制,其位置在电源引脚的下面,GPIO引脚的上面。
元件绘制如图所示,由于绘制的元件较长,分成三张图片表示(图2,图3,图4):




当然,这种画法也存在一定的问题,A4 大小的原理图需要纸张竖向才能放得下,一般使用的话都调整成 A3 大小绘制。

元件绘制有一些建议:
1.   不建议按照芯片形状绘制,否则一个大矩形,中间空着,浪费原理图空间不说,看着也并不舒服。
2.   引脚按照功能分类,方便索引,如上面提到 GPIO 引脚在右侧放置,且按照 PORT 顺序排列,并没有按照引脚顺序排列,这样方便查找指定功能的引脚。
总之,原理图的第一需求是让用户看得懂,看着舒服,其次才是让机器明白电路之间的关系,因此绘制元件时,也需考虑怎么才能让用户看着舒服,再将元件绘制完整。

  • 去耦电容
几乎每个器件的电源附近都要放置一个容值为 100nF 左右的去耦电容,来提高系统的稳定性。在此推荐,每个VDD 附近都要就近放置一个 100nF 的去耦电容。MM32F5277E9PV 有11个 VDD 引脚,1个 VDDA 引脚,一个 VBAT 引脚,一个 VREF+ 引脚,因此需要放置14个去耦电容(图5)。

当然,本文的目标是设计一款简单的开发板,对 ADC 的需求没有那么严格,因此 VDDA 以及 VREF+ 与 VDD 使用同样的电源,若有对 ADC 严格要求的场景,需额外使用更加稳定的基准电源,来保证 ADC 的正常工作。同样的,如果有 RTC 需求,VBAT 也需额外处理。


  • 复位电路
产品手册中有对复位 电路的描述(图6):


通过产品手册可知,为保证系统稳定工作,建议在复位引脚添加一个上拉电阻,和一个接地的电容。作为一个开发板,方便调试,再加上一个按键,方便复位(图7)。


  • 外部时钟
MM32F5277E9PV 内置经出厂调校的 8MHz 高速 RC 振荡器,在一些简单的场合,无需再添加外部晶振,但即使是经出厂调教过,RC 振荡器提供的时钟依然存在误差,对于高精度要求的场合,比如说 USB,尤其是产品在进行 USB 认证时,对时钟精准度要求极高,此时就需要使用外部晶振提供更加精确的时钟来源了。

常见的外部晶振频率一般有 8MHz 和 12MHz,还有32.768KHz 的晶振作为外部低速时钟来源,用于 RTC。如果有 USB 需求的用户,外部高速时钟建议使用 12.000MHz 的晶振,注意12后面有小数点带三个零,比单纯的 12MHz 晶振更精确,这样才能给 USB 提供更精确的时钟。

如图所示(图8),本文采用 12MHz 晶振作为外部高速时钟来源,22pF的负载电容,510K 的反馈电阻。


本文要设计的开发板无 RTC 需求,因此不再放置 32.768KHz 晶振。若有 RTC 需求的用户,可参照 12MHz 晶振的规则,注意选择好负载电容的容值即可。

  • 电源
前文的图片中已经可以看到,存在两种不同的电源:VMCU 和 VCC3,VMCU 是用于测量 MCU 功耗而单独设计的电源,实际与 VCC3 导通(图9)。


MM32F5277E9PV 具有较宽的电压范围,支持2.0V ~ 5.5V 供电,但实际电路中,需要考虑外围器件的工作电压,比如稍后介绍的 QSPI Flash,就只能在 2.7V~ 3.6V 左右的电压下工作,综合考虑,在实际电路中,VCC3 的电压选择为3.3V。

本文设计的开发板供电来源为 USB 供电,开发板带有两个 TYPE-C 接口,存在两路 USB 电源,为防止电流倒灌,需使用过二极管隔离。

完整的电源原理图如图所示(图10):



还有个VLCD?这一路是单独给 LCD 屏这个吃电大户提供的,开发板选择使用 XC6206 LDO 作为电源芯片,考虑到可提供的电流较小,因此放置两路 LDO,且 LCD 单独供电,避免电流较大,LDO 吃不消。

为什么两个 LDO 不并联放置?考虑到的一个问题是两个 LDO 总会存在少许差异,如输出电压不一致,若并联放置,则可能其中一个 LDO 在拼命干活, 另个 LDO 在那闲着,那放置两个 LDO 就没有什么意义了。

  • 外设器件设计
最小系统有了,MCU 就能够正常工作了,但没有外围器件,MCU 就是一个光杆司令,你甚至感受不到 MCU 已经运行起来了,除非让它以最大功耗工作,过好一会后,能感受到 MCU 有一丢丢的温热。

那么,就加一丢丢细节,丰富下这个最小系统吧,下面将讲述几个外设的电路设计:

  • USB 转串口
串口是一个常用的好东西,简单实用,加一个 USB 转串口的器件,方便用户在电脑上查看 MCU 的工作日志呗。

原理图放上(图11):


大多数用户使用串口时,习惯使用 PA9 & PA10 作为调试用的串口引脚,同时具有 ISP 下载程序的功能,但当使用 USB 功能时,PA9 & PA10 会被占用,因此建议使用 PB6 & PB7 引脚作为调试用串口引脚,也具有 ISP 下载功能,且不会被 USB 占用,岂不美哉?

有一个细节(图12),我见过一些板载 USB 转串口的方案,都没有考虑一个问题:串口芯片一般工作在 USB 提供的 5V 电压下,TXD 输出的高电平也是 5V 电压,而 MCU 以及其它外设,是工作在 3.3V 电压下的,如果没有隔离,会影响其他器件的正常工作,因此需要在串口引脚之间,加入肖特基二极管,起到隔离的作用。当然,MCU 的 RX 引脚,也要配置成上拉输入才行。


分析下电路,USB 转串口的 TXD 如果输出高电平,二极管左侧电压高于右侧,二极管截止,MCU 的 RXD 配置为上拉输入,默认为高电平,因此可以接收到 USB 转串口发出的高电平信号;USB 转串口的 TXD 如果输出低电平,二极管左侧电压低于于右侧,二极管导通,MCU 的 RXD 也因此被拉低,接收到了 USB 转串口发出的低电平信号,数据就这样传输起来了,当然,二极管需要选择肖特基二极管这种快恢复的二极管,避免丢数据。

需要注意的是,USB 转串口芯片要根据手册描述来决定是否串联阻抗匹配电阻,否则会造成芯片无法正常工作。

  • QSPI Flash
MM32F5 系列的一大优势就是具有 QSPI 接口,可以连接 QSPI Flash,并且 XIP 执行 QSPI Flash 中存储程序。

原理图放上(图13):


一个芯片加了好多电阻,其实很多是冗余的,为了适配更多的 SPI Flash 芯片,我们来一一分析下:

以 IO2 和 IO3 引脚的上拉电阻为例,这两个引脚可能会被复用为 HOLD 引脚和 WP 引脚,当这两个引脚处于低电平时,QSPI Flash 芯片就不能随心所欲的使用了,因此,建议手动拉高这两个引脚,防止 QSPI Flash 不能正常使用。当然,在做产品时,可以省略这些上拉电阻,先将IO2 和 IO3 连接的 GPIO 配置为推挽输出模式,输出高电平,待将 QSPI Flash 配置为四线模式时,再将这两个 GPIO 恢复为 QSPI 模式,操作 QSPI Flash。

原理图中的 0R 电阻,其实阻值并不是 0R,而是需要根据 QSPI Flash 的阻抗特性,匹配相应的匹配电阻,以 W25Q 系列芯片为例,建议将 0R 电阻替换为 22R 或 33R 的电阻(仅供参考),否则在四线模式下,读写的数据可能会出错,其它 QSPI Flash 如 FM25Q系列芯片实测 0R 电阻也可用,但实际应用过程中,需根据芯片手册和实际场景,来更换匹配电阻的阻值。

  • SRAM
使用 QSPI Flash 扩展了 MM32F5277E9PV 的 Flash 大小,何不再扩展下它的 SRAM 呢?

常见的 SRAM 芯片有 SRAM 和 PSRAM 两种,PSRAM 其实是 DRAM 加控制器实现的,对外的接口和 SRAM 无差,但成本会比 SRAM 低不少,感兴趣的用户可以了解下。

放原理图(图14):


原理图没什么好讲的,把线连起来就行,重点是 PCB 布线,SRAM 走的是并行信号,并且信号频率也挺高的,需要考虑下线路的问题了:
1.   PCB 布线是否等长?
2.   信号线过孔数量是否过多?
布线要等长,这一条其实挺难实现的,如果没特别要求,在实际布线中,只要别差个十万八千里,也没啥大问题,调整 FSMC 的工作参数,别让它工作的太快也能用起来,当然,这样的话性能肯定会受影响,就需要综合考虑情况了。

过孔其实挺烦人的,每增加一个过孔,就相当于在信号线上加了个数皮法的电容,信号质量肯定会受影响,因此,要减少过孔数量,实测两三个没啥问题,但过孔多了,还是得担心信号质量问题了。

  • LCD
同 SRAM 一样,LCD 也是使用 FSMC 驱动,当然,SPI 也可以,但有 FSMC,为什么还要用 SPI 慢悠悠刷屏呢?

放原理图(图15):


信号线也没什么多讲的,接上就行,需要注意几点:
1.   同 SRAM 一样,注意信号线要尽可能等长,过孔数量尽可能少。
2.   LCD_RS 可接 FSMC 任意一根地址线,但软件要根据所接的地址线,来决定向哪个地址读写数据。
3.   LCD_RST 接任意 GPIO,该 GPIO 配置为普通的推挽输出即可,与 FSMC 无关。
需要看的就是这个 LCD 的背光控制了,LCD 背光来自于 LED,由于工作电流较大,不能单纯使用限流电阻草草了事,而应该使用三极管进行电流控制,LCD_BL 同 LCD_RST 一样,接任意 GPIO,该 GPIO 配置为普通的推挽输出即可,与 FSMC 无关,当然,如果想实现屏幕亮度控制的话,可用带定时器 PWM 输出的引脚作为背光控制,使用 PWM 波控制屏幕亮度。

二.结语

本文通过设计一个 MM32F5277E9PV 开发板的原理图讲解下 MM32F5 的硬件系统设计,以及分享下设计电路中遇到过的坑,比如说 USB 转串口的问题,一个是 USB D+ & D- 不加串联电阻,一个是串口电流倒灌,都是本文作者切身实际踩过的坑,希望大家设计电路时,能够注意到这些问题,减少 PCB 打样的次数,也希望能有更多的人,选择使用 MM32F5 系列的芯片,做出更多更有趣的产品。

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沙发
guijial511| | 2022-9-13 22:08 | 只看该作者
赶紧做个开发板出来

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简介:上海灵动微电子股份有限公司成立于 2011 年,是中国本土通用 32 位 MCU 产品及解决方案供应商。 灵动股份的 MCU 产品以 MM32 为标识,基于 Arm Cortex-M 系列内核,自主研发软硬件和生态系统。目前已量产近 300 多款型号,累计交付超 4 亿颗,在本土通用 32 位 MCU 公司中位居前列。

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