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El diseño del Circuito de PCB necesario para el Microcontrolador integrado es un proyecto enorme. Para los microcontroladores avanzados, solo las tablas de datos y los documentos técnicos pueden llegar a cientos de páginas.
Antes de comenzar a diseñar el circuito, es mejor dibujar un diagrama de flujo de operación de todos los componentes principales del tema, incluidos todos los periféricos que tienen una interfaz con el microcontrolador.
Microcontrolador ARM Cortex - m
Este artículo se centrará en las precauciones de diseño de placas de circuito PCB necesarias para importar el Microcontrolador ARM Cortex - m. El Microcontrolador ARM Cortex - M tiene diferentes versiones de diferentes fabricantes de chips.
En comparación con los microcontroladores típicos de 8 bits, ARM Cortex - M con arquitectura de 32 bits es especialmente adecuado para trabajos intensivos y intensivos en computación. Los microcontroladores de 32 bits también tienen ventajas si hay aplicaciones que requieren más capacidad de memoria o si se puede simplificar la migración de la plataforma del sistema para satisfacer futuras necesidades de expansión.
El Microcontrolador ARM Cortex - m que estamos discutiendo es la serie stm32 producida por ST microelectronics; Más precisamente, nos centraremos en la serie stm32f4.
Sin embargo, la serie STM 32 en realidad incluye muchos modelos, como la serie STM 32l de ultra baja potencia y la serie con mayor y menor rendimiento que la versión STM 32f4. La versión más eficiente es STM 32f7, que puede ejecutar mil millones de instrucciones por segundo. Stm32l0 es uno de los modelos más eficientes, que solo realiza 26 millones de instrucciones por segundo.
Diseño de la fuente de alimentación
La fuente de alimentación del circuito es uno de los aspectos más importantes del diseño de hardware; No espere hasta más tarde en el diseño para decidir la configuración de la fuente de alimentación y la puesta a tierra.
La corriente utilizada por el Microcontrolador está determinada por varios factores, como el voltaje de funcionamiento, la frecuencia del reloj y la carga en el pin de entrada / salida.
Los condensadores cerámicos 1uf y 100nf (como C7 y C8 en la figura 1) deben estar lo más cerca posible del pin Vd de cada fuente de alimentación en el mcu para proporcionar desacoplamiento de la fuente de alimentación. Además, los condensadores cerámicos 4.7uf (c1 en la figura 1) deben instalarse cerca de la posición IC en el cableado del circuito principal que proporciona el vdd.
Los microcontroladores con convertidores analógicos a digital (adc) también suelen tener fuentes de alimentación independientes (vda) y pines de tierra (vssa) dedicados a señales analógicas. Estos Pines deben evitar especialmente el ruido.
Si el voltaje de su fuente de alimentación está por encima del límite superior del voltaje de entrada del microcontrolador, generalmente se necesita un regulador lineal antihipertensivo. Por ejemplo, el tps795xx producido por Texas Instruments tiene características de ruido particularmente bajas y puede proporcionar hasta 500 ma de corriente eléctrica.
Si el voltaje de su fuente de alimentación es significativamente mayor que el requerido por el microcontrolador, el regulador de voltaje del interruptor de reducción de tensión será una mejor opción. Cuando el voltaje de entrada es significativamente superior al voltaje de salida, el regulador lineal desperdiciará demasiada potencia.
Sin embargo, por lo general es mejor utilizar un regulador lineal para ajustar el voltaje de salida del regulador del interruptor de forma secundaria, ya que el ruido de voltaje proporcionado por el regulador lineal es mucho menor.
Reloj
Stm32f4 se puede ejecutar con un reloj del sistema interno o externo. El reloj del sistema utilizado al arrancar es el interno (16 mhz). Una vez iniciado el sistema, se puede seleccionar una fuente externa de reloj de tiempo a través del software.
Los pines de reloj en STM 32f4 pueden conducir cristales de cuarzo externos de 4 a 26 MHz (x1 en la figura 1) o pueden utilizar fuentes de reloj externo de hasta 50 mhz.
La configuración del cristal debe seguir estrictamente las instrucciones de la tabla de datos. En general, el cableado debe ser corto y el capacitor de carga en el cristal debe ser el mismo valor recomendado por el fabricante del cristal.
Gpio
Los pines de entrada y salida universal (gpio) en el Microcontrolador son programables y se pueden configurar como entrada o salida a través del software.
Por ejemplo, el S1 en la figura 1 es un botón conectado al Pin gpio, que está programado como entrada. El stm32 ofrece una resistencia de tracción incorporada, por lo que este botón no requiere la instalación de una resistencia de tracción externa. La salida gpio en este ejemplo se utiliza para conducir led.
La mayoría de los pines gpio también tienen otras funciones, y varios componentes periféricos en el chip se comunican con el mundo exterior a través de estos Pines multifuncionales.
No todas las funciones internas se pueden utilizar a través de cada Pin gpio, y es necesario cumplir con el estricto mapeo de pin, por lo que asegúrese de referirse a la tabla de datos al elegir qué Pin usar.
Los pines gpio se pueden utilizar para impulsar varias cargas, y la mayoría de los pines pueden proporcionar o soportar hasta 25 ma de corriente. Sin embargo, en general, el uso de circuitos de accionamiento externo para reducir la carga de los conductores gpio del Microcontrolador es un mejor diseño. Para un ejemplo de LED impulsado por mn1, consulte la figura 1.
Cada pin de stm32 tiene un límite superior de corriente nominal y un límite superior de corriente total para todos los Pin gpio.
Conectar componentes periféricos
Stm32 ofrece conexiones de señal serie a través de las interfaces uart, i2c, SPI y usb.
En la figura 1, por ejemplo, hay un sensor de temperatura (u2 - lm75bdp) conectado al Microcontrolador a través del bus i2c. Se necesitan dos resistencias de tracción (r2, r3) en el bus i2c para conectarse al conductor de circuito abierto de drenaje.
Para la mayoría de las aplicaciones, como los sensores de baja velocidad, prefiero usar el i2c como protocolo serie porque solo utiliza dos cables para comunicarse. Además, a diferencia de spi, SPI necesita chips adicionales para seleccionar puertos de trabajo para procesar cada componente periférico, y i2c utiliza una sola Dirección.
El bus SPI está conectado al sensor de movimiento de nueve ejes MPU - 9250 producido por invensense. El MPU - 9250 contiene un acelerómetro de tres ejes, un giroscopio de tres coordenadas y un magnetómetro de tres ejes.
Conector de programación
Stm32f4 ofrece dos interfaces de Edición de programas dentro del sistema (isp): depuración de líneas seriales (swd) y jtag. La versión stm32, que es más barata, solo ofrece una interfaz swd. Swd y JTAG son las dos interfaces de programación más utilizadas por los microcontroladores.
Conclusiones
En este artículo discutimos el diseño del Circuito de PCB del Microcontrolador e introducimos el STM 32f4, que puede leer el botón de entrada, conducir el led y comunicarse con el sensor de temperatura i2c y el sensor de movimiento spi.
