基于STM32F103控制電路的一種芯片替代優化設計方案

嚴寧 彭富倫 趙青林 陳洪彩 李松 曹越

（西安應用光學研究所，陜西 西安 710065）

0 引言

以集成電路為代表的各種電子元器件，廣泛應用于計算機、電力、金融、通信設備等公共設施和航空、航天、電子、船舶和工業等各種裝制和設備上。我國電子元器件產業雖然起步并不晚，但受各種因素的影響，在元器件的門類、品種、性能和質量可靠性方面與國外產品相比都有較大差距，特別是集成電路、光電子器件、電真空器件等類別差距更大[1]。

目前我國電子設備選用進口電子元器件主要面臨停產斷檔、出口限制與禁運、存在安全隱患、假冒偽劣以及篩選測試困難等多種問題。擁有自主知識產權的集成電路已日益成為經濟發展的命脈、社會進步的基礎、國際競爭的籌碼甚至國家安全的保障[2]。

近年來，我國信息化關鍵軟硬件技術得到了長足發展，特別是基礎電子元器件性能有了大幅度提升[3]；我國生產元器件的研制單位及生產廠家越來越多，電子元器件自主研發已取得長足的發展，有些元器件已經設計完成并通過鑒定[4]。但由于受到進口廠家占比大，裝備研究單位眾多，每個單位對裝備電子元器件的控制水平和方式不同的影響，導致我國在裝備電子元器件自主研究上，同一功能的元器件經常出現選擇多種規格的產品，這樣的情況導致進口元器件的選型比較分散[5]。

STM32F103為ST公司出品的ARM架構32位MCU，使用Cortex-M3核心有72MHz主頻，擁有512KBFlash儲存，可在-40～+85℃環境中工作，具有8組GPIO接口，擴展性非常好[6]，適用于電力電子系統方面的應用、電機驅動、應用控制等，由于其低廉的價格和強大的功能，其在嵌入式產品中被廣泛應用[7]。本文從器件選型、電路原理、軟件流程、工程應用與驗證等方面給出一種自主研發替代方案，該方案可完全替代基于STM32F103微處理器的控制電路。

1 電路原理

采用本方案設計的電路實現對具有RS422通信方式的設備進行控制的功能，該電路具有3路RS422通信接口，可同時控制3個不同的設備進行工作。

該電路采集外部開關輸入的開關量，根據對應開關量信息形成控制指令，將控制指令通過RS422串行接口發送給外部設備，實現對外部設備的控制；該電路具有上電自檢功能，上電時對電路外部特征量進行檢查，形成自檢結果，并將自檢結果上報給上位機；該電路接收外部串口發送的命令信息，對命令信息進行處理，并形成處理結果，將控制指令、自檢結果及處理信息通過外部接口進行上報。圖1為電路原理框圖。

圖1 電路原理框圖

2 芯片替代優化設計方案

該方案主控芯片采用原位替代，接口及其他電子元件采用功能替代，主要電子元器件替代方案見表1。主控部分原理如圖2所示。接口部分原理如圖3所示。

表1 主要電子元器件芯片替代方案

圖2 主控部分原理圖

圖3 接口部分原理圖

3 軟件控制流程

軟件采用C語言進行編寫。軟件控制流程如圖4所示。程序上電后先進行初始化，包括端口、數據、看門狗、寄存器等初始化，然后讀取上電自檢狀態和運行狀態，并將上電自檢及運行狀態通過外設串口進行上報；程序進入三個并行的線程，周期查詢自檢狀態、復位看門狗并形成自檢上報信息，對自檢指示單元進行控制；周期查詢外設開關、復位看門狗，對開關量進行去抖處理以保證開關的靈敏可靠，根據開關量信息判斷出命令值并形成上報命令信息，同時對命令信息通過外設串口進行上報；周期查詢外設串口接收狀態，當有數據到來時及時接收數據，并對數據進行判斷處理，處理完成后通過串口返回處理結果及狀態信息。

圖4 軟件控制流程圖

4 設計注意事項

4.1 串口數據接收

在對電路進行調試時，由于主控ARM芯片在串口接收底層設計上較原芯片存在差異，之前能夠用原芯片實現的軟件程序，移植到替代芯片中時，出現了接收數據丟包的問題。后經查該問題由接收電路產生的毛刺引起。

該問題解決措施：一是選用帶隔離的接口芯片，通過隔離芯片去除接收數據端的影響；二是在接收負端與地和接收正端與電源之間跨接上拉與下拉電阻，如圖5所示。

圖5 接口電路接收端增加上下拉電阻

4.2 串口奇偶校驗設置

由于該芯片在奇偶校驗開啟時必須設置為奇校驗或者偶校驗，而當設置為無校驗時，則默認關閉奇偶校驗，即設置為無校驗位時，不對校驗位進行判斷。基于以上，當設置為無校驗時，無論前端輸入數據是奇校驗、偶校驗異或無校驗，均不進行判斷，從而會造成當通信格式對校驗位約束為無校驗時，對三種校驗模式均會正常接收的情況。

軟件設計中，在編制軟件需求規格說明文檔時，需要在通信協議里明確通信格式的奇偶校驗方式，當校驗方式為無校驗時，需要進一步說明對校驗位不做判斷，以免在進行軟件測評時會出現文檔描述和實際操作不一致的問題。

4.3 程序下載

在程序下載過程中，ARM主處理芯片有時會出現程序下載不成功的情況，提示錯誤信息如圖6所示。

圖6 下載錯誤提示

造成該問題的原因是ARM芯片存儲中已有代碼段時，再次寫入會造成數據沖突。解決方法是先對芯片進行擦除處理再進行程序下載操作。

5 結論

該替代方案設計的電路隨工程項目完成了軟、硬件的各項考核，經過了兩輪樣機研制過程，通過了樣機研制過程中的各項試驗，即通過了環境試驗、電磁兼容試驗、可靠性試驗等驗證，通過了軟件二方測試、三方測試。在研制驗證過程中除接收數據出現丟包問題外未出現其他問題。

該電路通過工程試驗驗證，具有功能性能良好、可靠性高、工作穩定的優點。該設計方案對基于STM32F103微處理器實現的控制電路，在進行自主研發替代設計時，具有普遍廣泛的應用價值。