怎樣設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的MM32F5277E9PV開發(fā)板

本文以 KiCad v6.0 設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的 MM32F5277E9PV 的開發(fā)板為例，通過(guò)原理圖講述 MM32F5 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，中間會(huì)提到一些電路設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題，供大家參考。

最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

最小系統(tǒng)是 MM32F5 能夠工作的電路設(shè)計(jì)，包括 MM32F5 系列的芯片，去耦電容，復(fù)位電路，外部時(shí)鐘電路（可選）以及電源。

元件繪制

首先，我們需要繪制一個(gè)名為 MM32F5277E9PV 的元件，繪制元件的信息來(lái)自于該芯片的產(chǎn)品手冊(cè)，可在靈動(dòng)官網(wǎng)中查看。

在 “引腳定義及復(fù)用功能” 章節(jié)中，通過(guò)引腳分布圖可以直觀看到不同封裝芯片的引腳分布情況（圖1），或者是通過(guò)引腳定義表，查看引腳功能和序號(hào)。

圖1 MM32F5270 LQFP144封裝引腳排布

不同用戶對(duì) MCU 元件的繪制方法有所不同，較大的器件甚至可以繪制成多個(gè)單元，從而能在一張?jiān)韴D中放下整個(gè)器件。

本文介紹一種繪制方法，規(guī)則如下：

1. 元件以單個(gè)矩形表示，引腳分布在矩形的左右兩邊。

2. 電源引腳集中放置在左上角，VDD 在上，VSS 在下。

3.GPIO 引腳在右側(cè)放置，且按照 PORT 順序排列，不同 PORT 中間間隔一個(gè)引腳位置，若右側(cè)放置數(shù)量過(guò)多，可適當(dāng)將部分 GPIO 放置在左側(cè)。

4. 復(fù)位引腳在矩形左側(cè)繪制，其位置在電源引腳的下面，GPIO引腳的上面。

元件繪制如圖所示，由于繪制的元件較長(zhǎng)，分成三張圖片表示（圖2，圖3，圖4）：

圖2 MM32F5277E9PV 元件符號(hào) part A

圖3 MM32F5277E9PV 元件符號(hào) part B

圖4 MM32F5277E9PV 元件符號(hào) part C

當(dāng)然，這種畫法也存在一定的問(wèn)題，A4 大小的原理圖需要紙張豎向才能放得下，一般使用的話都調(diào)整成 A3 大小繪制。

元件繪制有一些建議：

1. 不建議按照芯片形狀繪制，否則一個(gè)大矩形，中間空著，浪費(fèi)原理圖空間不說(shuō)，看著也并不舒服。

2. 引腳按照功能分類，方便索引，如上面提到 GPIO 引腳在右側(cè)放置，且按照 PORT 順序排列，并沒(méi)有按照引腳順序排列，這樣方便查找指定功能的引腳。

總之，原理圖的第一需求是讓用戶看得懂，看著舒服，其次才是讓機(jī)器明白電路之間的關(guān)系，因此繪制元件時(shí)，也需考慮怎么才能讓用戶看著舒服，再將元件繪制完整。

去耦電容

幾乎每個(gè)器件的電源附近都要放置一個(gè)容值為 100nF 左右的去耦電容，來(lái)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在此推薦，每個(gè)VDD 附近都要就近放置一個(gè) 100nF 的去耦電容。MM32F5277E9PV 有11個(gè) VDD 引腳，1個(gè) VDDA 引腳，一個(gè) VBAT 引腳，一個(gè) VREF+ 引腳，因此需要放置14個(gè)去耦電容（圖5）。

當(dāng)然，本文的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一款簡(jiǎn)單的開發(fā)板，對(duì) ADC 的需求沒(méi)有那么嚴(yán)格，因此 VDDA 以及 VREF+ 與 VDD 使用同樣的電源，若有對(duì) ADC 嚴(yán)格要求的場(chǎng)景，需額外使用更加穩(wěn)定的基準(zhǔn)電源，來(lái)保證 ADC 的正常工作。同樣的，如果有 RTC 需求，VBAT 也需額外處理。

圖5 去耦電容

復(fù)位電路

產(chǎn)品手冊(cè)中有對(duì)復(fù)位 電路的描述（圖6）：

圖6 手冊(cè)中的復(fù)位電路

通過(guò)產(chǎn)品手冊(cè)可知，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作，建議在復(fù)位引腳添加一個(gè)上拉電阻，和一個(gè)接地的電容。作為一個(gè)開發(fā)板，方便調(diào)試，再加上一個(gè)按鍵，方便復(fù)位（圖7）。

圖7 原理圖：復(fù)位電路

外部時(shí)鐘

MM32F5277E9PV 內(nèi)置經(jīng)出廠調(diào)校的 8MHz 高速 RC 振蕩器，在一些簡(jiǎn)單的場(chǎng)合，無(wú)需再添加外部晶振，但即使是經(jīng)出廠調(diào)教過(guò)，RC 振蕩器提供的時(shí)鐘依然存在誤差，對(duì)于高精度要求的場(chǎng)合，比如說(shuō) USB，尤其是產(chǎn)品在進(jìn)行 USB 認(rèn)證時(shí)，對(duì)時(shí)鐘精準(zhǔn)度要求極高，此時(shí)就需要使用外部晶振提供更加精確的時(shí)鐘來(lái)源了。

常見(jiàn)的外部晶振頻率一般有 8MHz 和 12MHz，還有32.768KHz 的晶振作為外部低速時(shí)鐘來(lái)源，用于 RTC。如果有 USB 需求的用戶，外部高速時(shí)鐘建議使用 12.000MHz 的晶振，注意12后面有小數(shù)點(diǎn)帶三個(gè)零，比單純的 12MHz 晶振更精確，這樣才能給 USB 提供更精確的時(shí)鐘。

如圖所示（圖8），本文采用 12MHz 晶振作為外部高速時(shí)鐘來(lái)源，22pF的負(fù)載電容，510K 的反饋電阻。

圖8 原理圖：外部高速時(shí)鐘晶振

本文要設(shè)計(jì)的開發(fā)板無(wú) RTC 需求，因此不再放置 32.768KHz 晶振。若有 RTC 需求的用戶，可參照 12MHz 晶振的規(guī)則，注意選擇好負(fù)載電容的容值即可。

電源

前文的圖片中已經(jīng)可以看到，存在兩種不同的電源：VMCU 和 VCC3，VMCU 是用于測(cè)量 MCU 功耗而單獨(dú)設(shè)計(jì)的電源，實(shí)際與 VCC3 導(dǎo)通（圖9）。

圖9 原理圖細(xì)節(jié)：VCC3 和 VMCU 的關(guān)系

MM32F5277E9PV 具有較寬的電壓范圍，支持2.0V ~ 5.5V 供電，但實(shí)際電路中，需要考慮外圍器件的工作電壓，比如稍后介紹的 QSPI Flash，就只能在 2.7V~ 3.6V 左右的電壓下工作，綜合考慮，在實(shí)際電路中，VCC3 的電壓選擇為3.3V。

本文設(shè)計(jì)的開發(fā)板供電來(lái)源為 USB 供電，開發(fā)板帶有兩個(gè) TYPE-C 接口，存在兩路 USB 電源，為防止電流倒灌，需使用過(guò)二極管隔離。

完整的電源原理圖如圖所示（圖10）：

圖10 原理圖：電源

還有個(gè)VLCD？這一路是單獨(dú)給 LCD 屏這個(gè)吃電大戶提供的，開發(fā)板選擇使用 XC6206 LDO 作為電源芯片，考慮到可提供的電流較小，因此放置兩路 LDO，且 LCD 單獨(dú)供電，避免電流較大，LDO 吃不消。

為什么兩個(gè) LDO 不并聯(lián)放置？考慮到的一個(gè)問(wèn)題是兩個(gè) LDO 總會(huì)存在少許差異，如輸出電壓不一致，若并聯(lián)放置，則可能其中一個(gè) LDO 在拼命干活， 另個(gè) LDO 在那閑著，那放置兩個(gè) LDO 就沒(méi)有什么意義了。

外設(shè)器件設(shè)計(jì)

最小系統(tǒng)有了，MCU 就能夠正常工作了，但沒(méi)有外圍器件，MCU 就是一個(gè)光桿司令，你甚至感受不到 MCU 已經(jīng)運(yùn)行起來(lái)了，除非讓它以最大功耗工作，過(guò)好一會(huì)后，能感受到 MCU 有一丟丟的溫?zé)帷?/p>

那么，就加一丟丟細(xì)節(jié)，豐富下這個(gè)最小系統(tǒng)吧，下面將講述幾個(gè)外設(shè)的電路設(shè)計(jì)：

USB 轉(zhuǎn)串口

串口是一個(gè)常用的好東西，簡(jiǎn)單實(shí)用，加一個(gè) USB 轉(zhuǎn)串口的器件，方便用戶在電腦上查看 MCU 的工作日志唄。

原理圖放上（圖11）：

圖11 原理圖：USB 轉(zhuǎn)串口

大多數(shù)用戶使用串口時(shí)，習(xí)慣使用 PA9 & PA10 作為調(diào)試用的串口引腳，同時(shí)具有 ISP 下載程序的功能，但當(dāng)使用 USB 功能時(shí)，PA9 & PA10 會(huì)被占用，因此建議使用 PB6 & PB7 引腳作為調(diào)試用串口引腳，也具有 ISP 下載功能，且不會(huì)被 USB 占用，豈不美哉？

有一個(gè)細(xì)節(jié)（圖12），我見(jiàn)過(guò)一些板載 USB 轉(zhuǎn)串口的方案，都沒(méi)有考慮一個(gè)問(wèn)題：串口芯片一般工作在 USB 提供的 5V 電壓下，TXD 輸出的高電平也是 5V 電壓，而 MCU 以及其它外設(shè)，是工作在 3.3V 電壓下的，如果沒(méi)有隔離，會(huì)影響其他器件的正常工作，因此需要在串口引腳之間，加入肖特基二極管，起到隔離的作用。當(dāng)然，MCU 的 RX 引腳，也要配置成上拉輸入才行。

圖12 原理圖細(xì)節(jié)：隔離二極管

分析下電路，USB 轉(zhuǎn)串口的 TXD 如果輸出高電平，二極管左側(cè)電壓高于右側(cè)，二極管截止，MCU 的 RXD 配置為上拉輸入，默認(rèn)為高電平，因此可以接收到 USB 轉(zhuǎn)串口發(fā)出的高電平信號(hào)；USB 轉(zhuǎn)串口的 TXD 如果輸出低電平，二極管左側(cè)電壓低于于右側(cè)，二極管導(dǎo)通，MCU 的 RXD 也因此被拉低，接收到了 USB 轉(zhuǎn)串口發(fā)出的低電平信號(hào)，數(shù)據(jù)就這樣傳輸起來(lái)了，當(dāng)然，二極管需要選擇肖特基二極管這種快恢復(fù)的二極管，避免丟數(shù)據(jù)。

需要注意的是，USB 轉(zhuǎn)串口芯片要根據(jù)手冊(cè)描述來(lái)決定是否串聯(lián)阻抗匹配電阻，否則會(huì)造成芯片無(wú)法正常工作。

QSPI Flash

MM32F5 系列的一大優(yōu)勢(shì)就是具有 QSPI 接口，可以連接 QSPI Flash，并且 XIP 執(zhí)行 QSPI Flash 中存儲(chǔ)程序。

原理圖放上（圖13）：

圖13 原理圖：QSPI Flash

一個(gè)芯片加了好多電阻，其實(shí)很多是冗余的，為了適配更多的 SPI Flash 芯片，我們來(lái)一一分析下：

以 IO2 和 IO3 引腳的上拉電阻為例，這兩個(gè)引腳可能會(huì)被復(fù)用為 HOLD 引腳和 WP 引腳，當(dāng)這兩個(gè)引腳處于低電平時(shí)，QSPI Flash 芯片就不能隨心所欲的使用了，因此，建議手動(dòng)拉高這兩個(gè)引腳，防止 QSPI Flash 不能正常使用。當(dāng)然，在做產(chǎn)品時(shí)，可以省略這些上拉電阻，先將IO2 和 IO3 連接的 GPIO 配置為推挽輸出模式，輸出高電平，待將 QSPI Flash 配置為四線模式時(shí)，再將這兩個(gè) GPIO 恢復(fù)為 QSPI 模式，操作 QSPI Flash。

原理圖中的 0R 電阻，其實(shí)阻值并不是 0R，而是需要根據(jù) QSPI Flash 的阻抗特性，匹配相應(yīng)的匹配電阻，以 W25Q 系列芯片為例，建議將 0R 電阻替換為 22R 或 33R 的電阻（僅供參考），否則在四線模式下，讀寫的數(shù)據(jù)可能會(huì)出錯(cuò)，其它 QSPI Flash 如 FM25Q系列芯片實(shí)測(cè) 0R 電阻也可用，但實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，需根據(jù)芯片手冊(cè)和實(shí)際場(chǎng)景，來(lái)更換匹配電阻的阻值。

SRAM

使用 QSPI Flash 擴(kuò)展了 MM32F5277E9PV 的 Flash 大小，何不再擴(kuò)展下它的 SRAM 呢？

常見(jiàn)的 SRAM 芯片有 SRAM 和 PSRAM 兩種，PSRAM 其實(shí)是 DRAM 加控制器實(shí)現(xiàn)的，對(duì)外的接口和 SRAM 無(wú)差，但成本會(huì)比 SRAM 低不少，感興趣的用戶可以了解下。

放原理圖（圖14）：

圖14 原理圖：片外 SRAM

原理圖沒(méi)什么好講的，把線連起來(lái)就行，重點(diǎn)是 PCB 布線，SRAM 走的是并行信號(hào)，并且信號(hào)頻率也挺高的，需要考慮下線路的問(wèn)題了：

1. PCB 布線是否等長(zhǎng)？

2. 信號(hào)線過(guò)孔數(shù)量是否過(guò)多？

布線要等長(zhǎng)，這一條其實(shí)挺難實(shí)現(xiàn)的，如果沒(méi)特別要求，在實(shí)際布線中，只要?jiǎng)e差個(gè)十萬(wàn)八千里，也沒(méi)啥大問(wèn)題，調(diào)整 FSMC 的工作參數(shù)，別讓它工作的太快也能用起來(lái)，當(dāng)然，這樣的話性能肯定會(huì)受影響，就需要綜合考慮情況了。

過(guò)孔其實(shí)挺煩人的，每增加一個(gè)過(guò)孔，就相當(dāng)于在信號(hào)線上加了個(gè)數(shù)皮法的電容，信號(hào)質(zhì)量肯定會(huì)受影響，因此，要減少過(guò)孔數(shù)量，實(shí)測(cè)兩三個(gè)沒(méi)啥問(wèn)題，但過(guò)孔多了，還是得擔(dān)心信號(hào)質(zhì)量問(wèn)題了。

LCD

同 SRAM 一樣，LCD 也是使用 FSMC 驅(qū)動(dòng)，當(dāng)然，SPI 也可以，但有 FSMC，為什么還要用 SPI 慢悠悠刷屏呢？

放原理圖（圖15）：

圖15 原理圖：LCD

信號(hào)線也沒(méi)什么多講的，接上就行，需要注意幾點(diǎn)：

1. 同 SRAM 一樣，注意信號(hào)線要盡可能等長(zhǎng)，過(guò)孔數(shù)量盡可能少。

2. LCD_RS 可接 FSMC 任意一根地址線，但軟件要根據(jù)所接的地址線，來(lái)決定向哪個(gè)地址讀寫數(shù)據(jù)。

3.LCD_RST 接任意 GPIO，該 GPIO 配置為普通的推挽輸出即可，與 FSMC 無(wú)關(guān)。

需要看的就是這個(gè) LCD 的背光控制了，LCD 背光來(lái)自于 LED，由于工作電流較大，不能單純使用限流電阻草草了事，而應(yīng)該使用三極管進(jìn)行電流控制，LCD_BL 同 LCD_RST 一樣，接任意 GPIO，該 GPIO 配置為普通的推挽輸出即可，與 FSMC 無(wú)關(guān)，當(dāng)然，如果想實(shí)現(xiàn)屏幕亮度控制的話，可用帶定時(shí)器 PWM 輸出的引腳作為背光控制，使用 PWM 波控制屏幕亮度。

結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè) MM32F5277E9PV 開發(fā)板的原理圖講解下 MM32F5 的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及分享下設(shè)計(jì)電路中遇到過(guò)的坑，比如說(shuō) USB 轉(zhuǎn)串口的問(wèn)題，一個(gè)是 USB D+ & D- 不加串聯(lián)電阻，一個(gè)是串口電流倒灌，都是本文作者切身實(shí)際踩過(guò)的坑，希望大家設(shè)計(jì)電路時(shí)，能夠注意到這些問(wèn)題，減少 PCB 打樣的次數(shù)，也希望能有更多的人，選擇使用 MM32F5 系列的芯片，做出更多更有趣的產(chǎn)品。

審核編輯：劉清