STM32F3 включает в себя серию 32-разрядных микроконтроллеров с высокой производительностью, функциональностью реального времени, цифровой обработкой сигналов, низким энергопотреблением и низким напряжением, при этом сохраняя высокую степень интеграции и простоту разработки. Не имеющая себе равных линейка продуктов STM32 основана на ядре, соответствующем промышленным стандартам, и предлагает широкий спектр инструментов и программных опций, что делает ее идеальной для небольших проектов и готовых платформ.
Введение в STM32F3
STM32F3 — новейший продукт, выпущенный компанией STmicroelectronics. Он объединяет 32-разрядное ядро ARM Cortex-M4 с инструкциями DSP и FPU, работающее на частоте 72 МГц, усовершенствованные аналоговые периферийные устройства и встроенную память Flash и SRAM. Благодаря интегрированной эффективной структуре питания и нескольким режимам энергопотребления STM32F3 снижает энергопотребление на уровне приложений и упрощает их проектирование.
Эта серия микроконтроллеров также включает в себя быстрый 12-разрядный АЦП с частотой 5 МГц, прецизионный 16-разрядный сигма-дельта АЦП, программируемый усилитель с 4 ступенями усиления и точностью 1%, быстрый компаратор с частотой 50 нс и многофункциональный блок управления тактовой частотой 144 МГц.
Благодаря своим возможностям в режиме реального времени, цифровой обработке сигналов, низкому энергопотреблению и работе при низком напряжении, STM32F3 может эффективно обрабатывать смешанные сигналы в таких схемах, как трехфазные контроллеры двигателей, биохимические и промышленные датчики, а также аудиофильтры, и может широко использоваться в потребительских, медицинских, практических приложениях для портативных фитнес-устройств, систем мониторинга и измерения.
Особенности STM32F3
- Сверхбыстрый компаратор (25 нс)
- Операционный усилитель с программируемым коэффициентом усиления
- 12-разрядный ЦАП
- Сверхбыстрый 12-разрядный АЦП, 5 млн. выборок в секунду на канал (пять миллионов выборок в секунду), до 18 млн. выборок в секунду в чередующемся режиме
- Точный 16-разрядный АЦП сигма-дельта (21 канал)
- Core Coupled Memory SRAM (Program Accelerator) — это архитектура памяти, предназначенная для повышения производительности программ, критичных по времени, которая может увеличить производительность на 43 %.
- Усовершенствованный 16-разрядный таймер PWM с частотой 144 МГц (разрешение < 7 нс) для приложений управления
- Таймер высокого разрешения (217 пс) с самокомпенсацией дрейфа питания и температуры
- Гибкая матрица межсоединений обеспечивает автономную связь между периферийными устройствами, экономя ресурсы ЦП и энергопотребление.
Технические характеристики STM32F3
Серия STM32 F3 включает устройства с встроенной флэш-памятью объемом от 64 до 256 КБ и оперативной памятью SRAM объемом 48 КБ. Варианты корпусов: WLCSP66 (менее 4,3 x 4,3 мм), LQFP48, LQFP64, LQFP100 и UFBGA100.
| Manufacturer | STMicroelectronics |
|---|---|
| Core | ARM Cortex M4F |
| Data Bus Width | 32 bit |
| I/O Count | 39 |
| Maximum Clock Frequency | 72 MHz |
| Flash Memory (Maximum) | 256 KB |
| Data RAM Size | 32 KB |
| On-chip ADC | Yes |
| Operating Supply Voltage | 1.65 V to 3.6 V, 2 V to 3.6 V, 2.2 V to 3.6 V |
| Operating Temperature Range | -40°C to +85°C |
| Package | LQFP-48, 64, 100 |
| Mounting Style | SMD/SMT |
Часы STM32F3
STM32F3 использует 4 источника тактовой частоты: LSE для встроенного RTC; HSE для работы MCU; HSI для системного тактового генератора; LSI для управления IWDG и RTC. Каждый источник тактовой частоты можно включать или выключать по отдельности, когда он не используется, чтобы снизить энергопотребление.
Часы HSE
Частота внешнего тактового сигнала высокой скорости (HSE) OSC имеет 2 источника тактовой частоты: внешний кварцевый генератор/керамический резонатор HSE, внешний тактовый генератор пользователя HSE. При размещении печатной платы резонатор и емкость нагрузки должны быть расположены как можно ближе к выводам генератора, чтобы минимизировать искажение выходного сигнала и время установления колебаний. Значение емкости нагрузки должно быть соответствующим образом скорректировано в зависимости от выбранного генератора.
Внешний кварцевый генератор (кварцевый генератор HSE)
Преимущество внешнего генератора 4-32 МГц заключается в его очень высокой точности. Флаг HSERDY (RCC_CR) в регистре управления тактовой частотой указывает, стабилен ли генератор HSE. Этот такт не может использоваться, пока аппаратное обеспечение не установит этот бит при запуске. Прерывания могут генерироваться, если прерывания включены в регистре прерываний тактовой частоты (RCC_CIR). Кварцевый генератор HSE можно включить или выключить с помощью бита HSEON в регистре управления тактовой частотой (RCC_CR).
Внешний источник (обход HSE)
В этом режиме необходимо подключить внешний источник тактовой частоты с максимальной частотой не более 32 МГц. Вывод OSC_IN должен управляться внешним тактовым сигналом (прямоугольным, синусоидальным или треугольным) с коэффициентом заполнения 40-60% в зависимости от частоты, а вывод OSC_OUT может использоваться как GPIO.
Часы LSE
Кварцевый генератор LSE представляет собой низкочастотный внешний кварцевый генератор или керамический резонатор с частотой 32,768 кГц. Он может использоваться в качестве источника тактовой частоты для часов реального времени (RTC) для обеспечения функций часов/календаря или других функций синхронизации. Он обладает такими преимуществами, как низкое энергопотребление и высокая точность.
Кварцевый генератор LSE включается и выключается с помощью бита LSEON в регистре управления резервным доменом (RCC_BDCR). Сила привода кварцевого генератора может быть изменена во время работы с помощью битов LSEDRV[1:0] в регистре управления резервным доменом (RCC_BDCR) для достижения оптимального баланса между надежностью, коротким временем запуска и низким энергопотреблением.
Флаг LSERDY в регистре управления резервным доменом (RCC_BDCR) указывает, стабилен ли кварцевый генератор LSE. При запуске выходной тактовый сигнал кварцевого генератора LSE может использоваться только после того, как аппаратное обеспечение установит этот бит. Прерывания могут генерироваться, если прерывания включены в регистре прерываний тактового генератора (RCC_CIR).
В этом режиме необходимо обеспечить внешний источник тактовой частоты с максимальной частотой не более 1 МГц. Для управления выводом OSC32_IN необходимо использовать внешний тактовый сигнал (прямоугольный, синусоидальный или треугольный) с коэффициентом заполнения примерно 50%, а вывод OSC32_OUT можно использовать в качестве GPIO.
Часы HSI
Тактовый сигнал HSI генерируется внутренним RC-генератором 8 МГц и может использоваться непосредственно в качестве системного тактового генератора (SYSCLK) или входа PLL. Преимуществом RC-генератора HSI является его более низкая стоимость (не требуются внешние компоненты). Кроме того, его скорость запуска выше, чем у кварцевого генератора HSE, но даже после калибровки его точность частоты не так хороша, как у внешнего кварцевого генератора или керамического резонатора.
Поскольку производственный процесс различается, частоты RC-генераторов разных микросхем также различаются. ST проводит заводскую калибровку каждого устройства для достижения точности 1% при TA = 25 ℃. Кроме того, тактовый генератор HSI может быть подключен к мультиплексору MCO. Тактовый генератор может быть подключен к входу таймера 16 в F30x и к входу таймера 14 в F37x, чтобы пользователь мог откалибровать генератор.
Часы низкого уровня синхронизации
Частота низкоскоростного внутреннего RC-тактового генератора (LSI RC) составляет примерно 40 кГц (от 30 кГц до 60 кГц). Тактовый генератор LSI может использоваться в качестве источника тактовой частоты с низким энергопотреблением для поддержания работы в режимах остановки и ожидания, чтобы управлять независимым сторожевым таймером (IWDG) и RTC. Он также может быть опционально предоставлен RTC для автоматического пробуждения в режиме остановки/ожидания.
Проектирование печатных плат STM32F3
По техническим причинам лучше использовать многослойную печатную плату (PCB) с одним слоем, предназначенным для заземления (VSS), и другим слоем, предназначенным для питания VDD. Это обеспечивает хорошую развязку и экранирование.
Расположение компонентов и параметры
Начальная компоновка печатной платы должна иметь отдельные цепи с высокоточными цепями, низковольтными цепями, цифровыми компонентами и цепями, разделенными в зависимости от характеристик электромагнитных помех цепи. Это помогает уменьшить перекрестную связь, которая вызывает шумы на печатной плате. Соответствующие параметры компонентов см. в таблице ниже.
| Components | Value | Count | Notes |
|---|---|---|---|
| MCU | STM32F303VCT6 | 1 | 100-pin package |
| Capacitor | 100nF | 4 | For STM32F303: 4 units For STM32F373/378: 3 units Ceramic Capacitors (Decoupling) |
| Capacitor | 4.7μF | 1 | Ceramic Capacitor (Decoupling) |
| Resistor | 390Ω | 1 | For HSE: Value depends on crystal characteristics. |
| Resistor | 0Ω | 1 | For LSE: Value depends on crystal characteristics. |
| Resistor | 10KΩ | 4 | For JTAG and boot mode pull-up and pull-down resistors. |
| Capacitor | 100nF | 3 | For RESET button, VDDA, and VREF+ (Ceramic Capacitors). |
| Capacitor | 1μF | 2 | For VDDA and VREF+. |
| Capacitor | 100nF | 3 | For VDDSDx and VREFSD+ (Ceramic Capacitors, only for STM32F37x). |
| Capacitor | 1μF | 3 | For VDDSDx and VREFSD+ (only for STM32F37x). |
| Capacitor | 10pF | 2 | For LSE: Value depends on crystal characteristics. |
| Capacitor | 20pF | 2 | For HSE: Value depends on crystal characteristics. |
| Crystal | 8MHz | 1 | For HSE |
| Crystal | 32kHz | 1 | For LSE |
| Embedded | 3V3 | 1 | If an external battery is not used in the application, it is recommended to connect VBAT externally to VDD. |
| Switch | - | 1 | For selecting the correct boot mode. |
| Button | B1 | 1 | Used as a reset button. |
| JTAG Connector | - | 1 | For MCU programming/debugging. |
Заземление и питание (VSS, VDD, VSSA, VDDA, VSSSD, VDDSD)
Каждый блок (шум, чувствительный нижний, цифровой и т. д.) должен быть заземлен индивидуально, а все заземления должны быть единой точкой. Кольца должны быть исключены или иметь минимальную площадь. Источник питания должен быть расположен близко к проводу заземления, чтобы минимизировать площадь контура питания. Это связано с тем, что контур питания ведет себя как антенна, поэтому он является основным источником и приемником электромагнитных помех. Все области печатной платы, не содержащие компонентов, должны быть заполнены дополнительным заземлением для создания экранирования (особенно при использовании однослойных печатных плат).
Декуплинг
Все выводы питания и заземления должны быть правильно подключены к источнику питания. Эти соединения, включая контактные площадки, дорожки и отверстия, должны иметь как можно меньшее сопротивление. Обычно это достигается за счет увеличения ширины дорожек, предпочтительно с использованием специальных плоскостей питания в многослойных печатных платах.
Кроме того, каждая пара выводов питания должна быть развязана с помощью керамического фильтрующего конденсатора емкостью 100 нФ и соединена между выводами питания устройства STM32F3xx с помощью химического конденсатора емкостью примерно 4,7 мкФ. Эти конденсаторы необходимо размещать как можно ближе к соответствующим выводам в нижней части печатной платы или под ними. Типичные значения составляют от 10 нФ до 100 нФ, но точное значение зависит от потребностей приложения.
Неиспользуемый ввод-вывод
Обычно приложение не использует 100% ресурсов микроконтроллера. Для повышения производительности EMC и предотвращения дополнительного энергопотребления неиспользуемые тактовые генераторы, счетчики или входы/выходы не должны оставаться в плавающем состоянии и должны быть привязаны к фиксированным логическим уровням 0 или 1. Для этого используются внешние или внутренние подтягивающие или опускающие резисторы на неиспользуемых контактах ввода-вывода; либо программное обеспечение для настройки GPIO в режим вывода. Неиспользуемые функции должны быть заморожены или отключены, что также является их значением по умолчанию.
Различные типы STM32F3
Микроконтроллеры серии STM32F3 включают в себя модели STM32F301, STM32F302, STM32F303 и другие типы. Они не только объединяют в себе различные периферийные устройства, но и предлагают более высокую производительность и аналоговые возможности для управления до тремя двигателями FOC.
STM32F301
STM32F301 — это микроконтроллер смешанного сигнала, который использует ядро ARM Cortex-M4 (DSP, FPU) и работает на частоте 72 МГц.
Эта серия микроконтроллеров имеет следующие характеристики:
- До 3 сверхбыстрых компараторов (<30 нс)
- Операционный усилитель (PGA) с программируемым коэффициентом усиления • 12-разрядный ЦАП
- Сверхбыстрый 12-разрядный АЦП с частотой дискретизации 5 МГц
- Быстрый таймер управления двигателем с частотой 144 МГц (разрешение < 7 нс)
- Микроконтроллер STM32F301 работает от 2,0 до 3,6 В
- Объем памяти варьируется от 32 до 64 Кбайт, а корпуса доступны с 32 до 64 выводами
STM32F302
STM32F302 — это микроконтроллер смешанного сигнала, который использует ядро ARM Cortex-M4 (DSP, FPU) и работает на частоте 72 МГц.
Эта серия микроконтроллеров имеет следующие характеристики:
- До 4 быстрых и сверхбыстрых компараторов (<30 нс)
- До 2 операционных усилителей (PGA) с программируемым коэффициентом усиления
- 12-разрядный ЦАП
- До 2 сверхбыстрых 12-разрядных АЦП с частотой дискретизации 5 МГц
- Быстрый таймер управления двигателем с частотой 144 МГц (разрешение < 7 нс)
- Коммуникационный интерфейс USB FS и CAN 2.0B
- Микроконтроллер STM32F302 работает от 2,0 до 3,6 В
- Объем памяти от 32 до 256 Кбайт, количество выводов от 32 до 100
- Диапазон рабочих температур: от -40 до 85 °C или от -40 до 105 °C (температура перехода составляет 125 °C)
STM32F303
STM32F303 — это микроконтроллер смешанного сигнала, который использует ядро ARM Cortex-M4 (DSP, FPU) и работает на частоте 72 МГц. Это группа устройств с отличными характеристиками в серии микроконтроллеров STM32F30x.
Эта серия микроконтроллеров имеет следующие характеристики:
- До 7 быстрых и сверхбыстрых компараторов (<30 нс)
- До 4 операционных усилителей (PGA) с программируемым коэффициентом усиления
- До 2 12-разрядных ЦАП
- До 4 сверхбыстрых 12-разрядных АЦП с частотой дискретизации 5 МГц
- До 3 быстрых таймеров управления двигателем с частотой 144 МГц (разрешение < 7 нс)
- Коммуникационный интерфейс USB FS и CAN 2.0B
- SRAM с ядром (увеличение производительности на 43% по сравнению с выполнением Flash)
- Микроконтроллер STM32F303 работает при напряжении от 2,0 до 3,6 В
- Объем памяти от 32 до 256 Кбайт, количество выводов от 32 до 100
- Диапазон температур от -40 до 85 °C или от -40 до 105 °C (температура перехода составляет 125 °C)
