基于STM32F103控制電路的一種芯片替代優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

嚴(yán)寧 彭富倫 趙青林 陳洪彩 李松 曹越

（西安應(yīng)用光學(xué)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(yīng)用于計(jì)算機(jī)、電力、金融、通信設(shè)備等公共設(shè)施和航空、航天、電子、船舶和工業(yè)等各種裝制和設(shè)備上。我國(guó)電子元器件產(chǎn)業(yè)雖然起步并不晚，但受各種因素的影響，在元器件的門(mén)類(lèi)、品種、性能和質(zhì)量可靠性方面與國(guó)外產(chǎn)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(lèi)別差距更大[1]。

目前我國(guó)電子設(shè)備選用進(jìn)口電子元器件主要面臨停產(chǎn)斷檔、出口限制與禁運(yùn)、存在安全隱患、假冒偽劣以及篩選測(cè)試?yán)щy等多種問(wèn)題。擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的集成電路已日益成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈、社會(huì)進(jìn)步的基礎(chǔ)、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的籌碼甚至國(guó)家安全的保障[2]。

近年來(lái)，我國(guó)信息化關(guān)鍵軟硬件技術(shù)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，特別是基礎(chǔ)電子元器件性能有了大幅度提升[3]；我國(guó)生產(chǎn)元器件的研制單位及生產(chǎn)廠家越來(lái)越多，電子元器件自主研發(fā)已取得長(zhǎng)足的發(fā)展，有些元器件已經(jīng)設(shè)計(jì)完成并通過(guò)鑒定[4]。但由于受到進(jìn)口廠家占比大，裝備研究單位眾多，每個(gè)單位對(duì)裝備電子元器件的控制水平和方式不同的影響，導(dǎo)致我國(guó)在裝備電子元器件自主研究上，同一功能的元器件經(jīng)常出現(xiàn)選擇多種規(guī)格的產(chǎn)品，這樣的情況導(dǎo)致進(jìn)口元器件的選型比較分散[5]。

STM32F103為ST公司出品的ARM架構(gòu)32位MCU，使用Cortex-M3核心有72MHz主頻，擁有512KBFlash儲(chǔ)存，可在-40～+85℃環(huán)境中工作，具有8組GPIO接口，擴(kuò)展性非常好[6]，適用于電力電子系統(tǒng)方面的應(yīng)用、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用控制等，由于其低廉的價(jià)格和強(qiáng)大的功能，其在嵌入式產(chǎn)品中被廣泛應(yīng)用[7]。本文從器件選型、電路原理、軟件流程、工程應(yīng)用與驗(yàn)證等方面給出一種自主研發(fā)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(shè)計(jì)的電路實(shí)現(xiàn)對(duì)具有RS422通信方式的設(shè)備進(jìn)行控制的功能，該電路具有3路RS422通信接口，可同時(shí)控制3個(gè)不同的設(shè)備進(jìn)行工作。

該電路采集外部開(kāi)關(guān)輸入的開(kāi)關(guān)量，根據(jù)對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)量信息形成控制指令，將控制指令通過(guò)RS422串行接口發(fā)送給外部設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的控制；該電路具有上電自檢功能，上電時(shí)對(duì)電路外部特征量進(jìn)行檢查，形成自檢結(jié)果，并將自檢結(jié)果上報(bào)給上位機(jī)；該電路接收外部串口發(fā)送的命令信息，對(duì)命令信息進(jìn)行處理，并形成處理結(jié)果，將控制指令、自檢結(jié)果及處理信息通過(guò)外部接口進(jìn)行上報(bào)。圖1為電路原理框圖。

圖1 電路原理框圖

2 芯片替代優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jiàn)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(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)。軟件控制流程如圖4所示。程序上電后先進(jìn)行初始化，包括端口、數(shù)據(jù)、看門(mén)狗、寄存器等初始化，然后讀取上電自檢狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)，并將上電自檢及運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)外設(shè)串口進(jìn)行上報(bào)；程序進(jìn)入三個(gè)并行的線程，周期查詢自檢狀態(tài)、復(fù)位看門(mén)狗并形成自檢上報(bào)信息，對(duì)自檢指示單元進(jìn)行控制；周期查詢外設(shè)開(kāi)關(guān)、復(fù)位看門(mén)狗，對(duì)開(kāi)關(guān)量進(jìn)行去抖處理以保證開(kāi)關(guān)的靈敏可靠，根據(jù)開(kāi)關(guān)量信息判斷出命令值并形成上報(bào)命令信息，同時(shí)對(duì)命令信息通過(guò)外設(shè)串口進(jìn)行上報(bào)；周期查詢外設(shè)串口接收狀態(tài)，當(dāng)有數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)及時(shí)接收數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷處理，處理完成后通過(guò)串口返回處理結(jié)果及狀態(tài)信息。

圖4 軟件控制流程圖

4 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

4.1 串口數(shù)據(jù)接收

在對(duì)電路進(jìn)行調(diào)試時(shí)，由于主控ARM芯片在串口接收底層設(shè)計(jì)上較原芯片存在差異，之前能夠用原芯片實(shí)現(xiàn)的軟件程序，移植到替代芯片中時(shí)，出現(xiàn)了接收數(shù)據(jù)丟包的問(wèn)題。后經(jīng)查該問(wèn)題由接收電路產(chǎn)生的毛刺引起。

該問(wèn)題解決措施：一是選用帶隔離的接口芯片，通過(guò)隔離芯片去除接收數(shù)據(jù)端的影響；二是在接收負(fù)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(yàn)設(shè)置

由于該芯片在奇偶校驗(yàn)開(kāi)啟時(shí)必須設(shè)置為奇校驗(yàn)或者偶校驗(yàn)，而當(dāng)設(shè)置為無(wú)校驗(yàn)時(shí)，則默認(rèn)關(guān)閉奇偶校驗(yàn)，即設(shè)置為無(wú)校驗(yàn)位時(shí)，不對(duì)校驗(yàn)位進(jìn)行判斷。基于以上，當(dāng)設(shè)置為無(wú)校驗(yàn)時(shí)，無(wú)論前端輸入數(shù)據(jù)是奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)異或無(wú)校驗(yàn)，均不進(jìn)行判斷，從而會(huì)造成當(dāng)通信格式對(duì)校驗(yàn)位約束為無(wú)校驗(yàn)時(shí)，對(duì)三種校驗(yàn)?zāi)Ｊ骄鶗?huì)正常接收的情況。

軟件設(shè)計(jì)中，在編制軟件需求規(guī)格說(shuō)明文檔時(shí)，需要在通信協(xié)議里明確通信格式的奇偶校驗(yàn)方式，當(dāng)校驗(yàn)方式為無(wú)校驗(yàn)時(shí)，需要進(jìn)一步說(shuō)明對(duì)校驗(yàn)位不做判斷，以免在進(jìn)行軟件測(cè)評(píng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)文檔描述和實(shí)際操作不一致的問(wèn)題。

4.3 程序下載

在程序下載過(guò)程中，ARM主處理芯片有時(shí)會(huì)出現(xiàn)程序下載不成功的情況，提示錯(cuò)誤信息如圖6所示。

圖6 下載錯(cuò)誤提示

造成該問(wèn)題的原因是ARM芯片存儲(chǔ)中已有代碼段時(shí)，再次寫(xiě)入會(huì)造成數(shù)據(jù)沖突。解決方法是先對(duì)芯片進(jìn)行擦除處理再進(jìn)行程序下載操作。

5 結(jié)論

該替代方案設(shè)計(jì)的電路隨工程項(xiàng)目完成了軟、硬件的各項(xiàng)考核，經(jīng)過(guò)了兩輪樣機(jī)研制過(guò)程，通過(guò)了樣機(jī)研制過(guò)程中的各項(xiàng)試驗(yàn)，即通過(guò)了環(huán)境試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)等驗(yàn)證，通過(guò)了軟件二方測(cè)試、三方測(cè)試。在研制驗(yàn)證過(guò)程中除接收數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟包問(wèn)題外未出現(xiàn)其他問(wèn)題。

該電路通過(guò)工程試驗(yàn)驗(yàn)證，具有功能性能良好、可靠性高、工作穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。該設(shè)計(jì)方案對(duì)基于STM32F103微處理器實(shí)現(xiàn)的控制電路，在進(jìn)行自主研發(fā)替代設(shè)計(jì)時(shí)，具有普遍廣泛的應(yīng)用價(jià)值。