基于STM32芯片的工控板設計

張盼盼，張團善，付道義

（西安工程大學 陜西 西安 710048）

相比于傳統的CPU與外圍設備一體的電路，采用工控板的設計方法具有易于移植、方便重復應用的特點。STM32工控板是一款極高性價比、尺寸極為緊湊的嵌入式控制模塊。產品尺寸比一張名片還小卻實現了幾乎所有的工業計算機所需要的功能，可廣泛應用于科研、軍工、電力、工控、車載、通手持設備、醫療器械、教學等嵌入式領域。

1 產品規格

STM32工控板載入嵌入式高性能32位處理器，該處理器是以Cortex-M3為內核，該內核采用了哈佛結構，擁有獨立的指令總線和數據總線，可以讓取指與數據訪問并行不悖[1]。STM32工控板設計要求包括可以直接驅動7寸彩屏、帶有以太網模塊[2]和豐富的外接接口用于控制電機等外設。

2 系統硬件設計

系統框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統框圖Fig.1 Structure diagram of the hardware system

2.1 主控芯片電路

該系統采用STM32F103VE芯片，此芯片是STM32的增強型系列，如圖2所示。內核為ARM 32位的CortexTM-M3 CPU最高72 MHz工作頻率，在存儲器的0等待周期訪問時可達1.25 DMips/MHz（Dhrystone 2.1），可實現單周期乘法和硬件除法。

圖2 主控芯片電路Fig.2 Circuit of master chip

該芯片帶512K字節的閃存程序存儲器，高達64k字節的SRAM，帶有4個片選的靜態存儲器控制器。支持CF卡、SRAM、PSRAM、NOR和NAND存儲器，具有并行LCD接口，兼容8080/6800模式。

該工控板具有豐富的外接通信接口，包含多達2個I2C接口（支持SMBus/PMBus）、多達5個USART接口（支持ISO7816，LIN，IrDA接口和調制解調控制）、多達3個SPI接口（18M位/秒），2個可復用為I2S接口、CAN接口（2.0B主動）、USB2.0全速接口、SDIO接口。

選擇STM32芯片的另一個原因在于，它有多達11個定時器。4個16位定時器，每個定時器有多達4個用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計數的通道和增量編碼器輸入。2個16位帶死區控制和緊急剎車，用于電機控制的PWM高級控制定時器。2個看門狗定時器（獨立的和窗口型的）。系統時間定時器：24位自減型計數器。2個16位基本定時器用于驅動DAC[3]。主芯片電路如圖2所示。

2.2 7寸屏控制電路

采用STM32+SSD1963控制7寸屏的顯示，雖然屏的控制器可以用CPLD或者FPGA來實現，但是考慮到此工控板的尺寸大小和穩定性，我們放棄自己設計顯示屏控制器的想法，而是采用集成度很高的SSD1963芯片，如圖3所示。

圖3 7寸屏驅動電路Fig.3 Circuit of 7-inch screen driver

2.3 以太網控制器電路和差分電路

考慮到現階段無線網絡的廣泛應用，以太網是目前全球使用最廣泛的局域網技術，出色的性價比、靈活性和互操作性是其優勢。在過去20年里，其標準一直隨著網絡的需求不斷改進。作為IP網絡的一種極具吸引力的解決方案，以太網具有下列關鍵特性：可擴充性；靈活的部署距離，支持從短程局域網（大約100 m）到長距離城域網（40 km以上）的各種網絡應用；成本低；靈活性和互操作性；易于使用和管理。以太網電路連接方式如圖4所示。

圖4 以太網驅動電路Fig.4 Circuit of Ethernet driver

差分電路[4]是具有這樣一種功能的電路。該電路的輸入端是兩個信號的輸入，這兩個信號的差值，為電路有效輸入信號，電路的輸出是對這兩個輸入信號之差的放大。設想這樣一種情景，如果存在干擾信號，會對兩個輸入信號產生相同的干擾，通過二者之差，干擾信號的有效輸入為零，這就達到了抗共模干擾的目的。該方案采用THC63LVDM83R芯片作為差分電路主芯片。如圖5所示。

圖5 差分電路Fig.5 Differential circuit

3 工控板的調試

為了檢測方案的可行性和工控板的完整性，用一個流水燈例程進行測試。作為經典的入門實驗，非流水燈莫屬。工控板本身是不帶LED顯示燈的，我們利用手邊的開發板上的4個LED燈進行實驗。它們分別為DS1、DS2、DS3、DS4。實驗的預期目的是實現LED燈的交替閃爍。

3.1 實驗原理

流水燈的關鍵實際是如何控制STM32[5]的處理器的GPIO接口，作為IO口，輸出指定的電平信號。

STM32的IO口 可以由軟件配置成8中模式：

1）模擬輸入；

2）輸入浮空；

3）輸入下拉；

4）輸入上拉；

5）開漏輸出；

6）推挽輸出；

7）復用功能開漏輸出；

8）復用功能推挽輸出。對應到STM32庫文件中的定義如下

Typedef enum

{GPIO_Mode_AIN=0x0，

GPIO_Mode_IN_FLOATING=0x04，

GPIO_Mode_IPD=0x28，

GPIO_Mode_IPU=0x48，

GPIO_Mode_Out_OD=0x14，

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed＝GPIO_Speed_50MHz；//配置GPIO端口速率

3.2 實驗結果

實驗的最終結果達到了預期目的，實現LED燈的交替閃爍。嘗試了更改管腳，用其他輸出端口控制LED，均可實現控制LED燈閃爍。板級調試取得初步成功。

4 工控板實物

如圖6、7所示。

圖6 焊接前的工控板Fig.6 The industrial control board before welding

圖7 焊接后的工控板Fig.7 The industrial control board after welding

5 結束語

文中設計的工控板是一款低成本、高性價比的工控板。它不僅僅可以用于簡單的實驗，還可以用于復雜的工業場所。我們將把它用于電腦橫機系統和棉襪機系統的電控單元。此板的應用不僅僅局限于此，使用者可以根據自己的興趣和需要，自己探索、研究。此次設計采用的SSD1963芯片，只能用于7寸屏彩屏的驅動，無法驅動其他尺寸的屏。此方案在對屏的驅動方面，存在著在不足。下一代的設計中，我們計劃采用FPGA芯片取代專用SSD1963芯片，使工控板的應用范圍更加廣泛。

[1]Joseph Yiu.Cortex－M3權威指南[M].宋巖，譯.北京：北京航空航天大學出版社，2009.

[2]李正軍.現場總線與工業以太網及其應用系統設計[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[3]STM32F103XX Cortex－M3 programming manual.STM32F 103XX Datasheet[EB/OL].[2009－04－01].http：//infocenter.arm.com/help/topic/com.arm.doc.ddi0337e/DDI0337E_cortex_m3_r1p1_trm.pdf.

[4]謝詹奇.高速LVDS收發器的研究與設計[D].上海：上海交通大學，2008.

[5]夏駿，王甜.基于STM32和GSM的遠程遙控定時開關裝置[J].電子科技，2013（1）：112－114，130.XIA Jun，WANG Tian.Remote control timer switch based on STM32 and GSM[J].Electronic Science and Technology，2013（1）：112－114，130.

[6]周立功.ARM嵌入式系統軟件開發實例[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[7]STM32F103XX Referencemanual.STM32F103XX Datasheet[EB/OL].[2009－04－01].http：//www.st.com/stonline/stappl/resourceSelector/app?page＝resourceSelector&doctype＝PROGRAMMING_MANUAL&FamilyID＝141.pdf.