本帖最后由 lkl0305 于 2015-12-22 09:58 编辑
“小身材，大智慧”
——STM32 NUCLEO-F031K6测评（一）
lkl0305
首先再次感谢eric_wang版主把仅有的一块NUCLEO-F031K6的测评机会给我，经过几天的学习试用，有些体会与收获，现在给大家带来我的第一个测评贴，希望不辱使命。测评内容有不足之处，希望大家批评指正。
本次测评包括以下内容：
1、NUCLEO简介
2、NUCLEO-F031K6初识
3、STM32F031K6心（芯）
4、NUCLEO-F031K6探索
5、Mbed云端开发
6、结语
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一、NUCLEO简介
ST（意法半导体）公司在2014年推出了Nucleo开发平台，以成本低、扩展方便、通用性强等特点，被越来越多的工程师和电子爱好者使用。Nucleo最开始推出时，使用64脚的MCU做主控制器，称为Nucleo 64。2015年又推出新的32引脚的Nucleo开发平台，称为Nucleo 32。就在这几天，发现Nucleo家族又多新成员，采用144引脚作为控制器的Nucleo144。这样下来，Nucleo开发平台就基本涵盖了ST公司的性能高中低、封装小中大等几十种种控制器，可谓非常丰富！
不论哪种款Nucleo板，在设计时都一成不变的带有ST-LINK/V2-1编程调试器、Arduino接口、基本外设（LED、Button）、支持ST的最新HAL固件库、STM32CubeMX硬件配置工具、多种集成IDE（IAR, MDK, GCC-based IDEs）、Mbed云端开发等共同特点。
STM 32的 Nucleo开发板的这一设计，为用户提供了一个经济实惠且灵活的方式与任何STM32微控制器搭建技术原型，并可从性能，功耗和功能的各种组合中做以选择。给开发者更多的选择，同时又可在不同微控制器之间迁移开发提供便利，不需要花费更多的时间就可以轻松上手。
下面分别是Nucleo 32、Nucleo 64、Nucleo 144的图片，大家可以窥见一斑。
图1-1Nucleo 32开发板
图1-2Nucleo 64开发板
图1-3Nucleo 144开发板
二、NUCLEO-F031K6初识
这次测评的开发板是NUCLEO-F031K6，是隶属于Nucleo 32系列，采用携带方便的吸塑包装，只包含了拇指大小的NUCLEO-F031K6开发板。
图2-1吸塑包装图
拿在手里，NUCLEO-F031K6开发板有拇指大小，小巧玲珑。
图2-2NUCLEO-F031K6开发板
来看一下具体大小，通过实测，开发板长不足5.5cm，宽不足2cm。其中上下两个芯片分别是电源开关IC(ST890CDR)和主控制芯片STM32F031K6T6。
图2-3NUCLEO-F031K6开发板正面
下图是NUCLEO-F031K6开发板背面图，可以看到32引脚Nucleo板同样自带了ST-LINK/V2-1调试器/编程器。
图2-4NUCLEO-F031K6开发板背面
正好手头有一块NUCLEO-F030R8开发板，把32引脚的NUCLEO-F031K6和64引脚的NUCLEO-F030R8放在一起合影，更加凸显NUCLEO-F031K6的小巧。
图2-5NUCLEO-F030R8与NUCLEO-F031K6对比
通过两者的对比，可以看出，两者都配备ST-LINK/V2-1调试器/编程器；有简单的板载外设；提供Arduino接口；多种供电方式等。
但两者也有不同，比如最上面的USB接口，NUCLEO-F030R8采用的是mini USB接口，而NUCLEO-F031K6采用更小的mirco USB接口；前者不但提供Arduino UNO R3接口，同时还提供更多引脚的ST Morpho接口，而后者仅仅提供了Arduino™ nano外扩接口；前者MCU有外接32768晶振，而后者MCU无外扩晶振（虽然有一个晶振焊盘）。
NUCLEO-F031K6开发板对外提供了Arduino™ nano接口，方便外接附件，给用户提供了一个更加灵活的开发平台。具体的Arduino™ nano接口定义可以在包装的说明页找到，大家可以在这里了解NUCLEO-F031K6接口定义和开发板的主要特点等信息。
图2-6NUCLEO-F031K6说明页正面
可以看到，NUCLEO-F031K6开发板采用32脚的STM32F031K6T6，属于ARM® 32-bit Cortex®-M0 CPU，主频高达48 MHz；32-KB Flash存储器和4-KB SRAM存储器；提供Arduino™ nano外部接口；板载ST-LINK/V2-1调试器/编程器；支持Mbed云端开发。
在说明页的背面，有开发板的快速使用、开发工具和系统配置等要求。
图2-7NUCLEO-F031K6说明页背面
通过上面的Getting STARTED，我们来开启NUCLEO-F031K6的体验之旅吧。
1、检查确认开发板背面的跳线接口JP1通过短接帽短接（不容易找到，位置在开发板背面最下部）。
2、将NUCLEO-F031K6开发板用USB type A到mirco-B的转接线连接至电脑，大家就会发现ST-LINK/V2-1调试器/编程器指示灯LD1和电源指示灯LD2点亮，同时用户指示灯LD3开始闪烁。
3、在开发板正面将Arduino™ nano接口的左面CN3接口的D2（5脚）和GND（4脚）的跳线帽去掉，就会发现用户LED灯LD3的闪烁频率变快了。
这个DEMO演示在任何一块NUCLEO开发板上都是自带的例程。这里我们发现，在NUCLEO-F031K6开发板上没有为用户提供用户按钮（在NUCLEO64开发板上的蓝色用户按钮），而使用了跳线帽来模拟按钮的动作，这个想法还是比较巧妙的！
三、STM32F031K6T6心（芯）
NUCLEO-F031K6虽然小巧，但是不简单，源于它有一个强大芯，基于ARM® 32-bit Cortex®-M0 ，主频可达48MHz的STM32F031K6T6。
STM32 F0是入门级Cortex™-M0微控制器MCU，特别适合成本敏感型应用，集实时性能、低功耗运算和先进的STM32架构及外设于一身，包含有STM32F0x0、STM32F0x1、STM32F0x2几个系列。
其中STM32 F0x1系列，主要面向需要32位性能的8位和16位应用（如家庭娱乐产品、家用电器和工业设备等）。该系列产品具有16~256KB片上Flash存储器、多至32KB的SRAM和多种通信接口，包括USART、SPI、I2C、HMDI CEC和16位PWM电机控制定时器。该封装涵盖了从20到100引脚。具有更高的集成度，更好的用户体验。下图即是目前STM32 F0x1系列芯片，图中标红的是NUCLEO-F031K6开发板的板载MCU。
图3-1STM32 F0x1系列
下图就是NUCLEO-F031K6开发板的STM32F031K6芯。
图3-2 NUCLEO-F031K6开发板主控芯片
下图是STM32F031K6微控制器的内部结构原理框图。
图3-3 STM32F031K6框图
可以看到，其主要特点：
（1）内核基于ARM® 32-bit Cortex®-M0 CPU,主频高达48 MHz。
（2）32 Kbytes片内Flash存储器。
（3）4 Kbytes片内SRAM存储器，带有硬件校验。
（4）电源电压：2.0-3.6 V。
（5）低功耗模式：睡眠、停机和待机。
（6）晶振可用4至32 MHz。
（7）5通道DMA控制器。
（8）1×12位，1.0us的ADC（最多10个通道）。
（9）多达9计时器。
（10）1个I2C接口，支持快速模式加（1Mbit/s）。
（11）1个USART，支持主同步SPI和调制解调器控制。
（12）1个SPI高达18Mbit/s。
（13）串行线调试（SWD）。
（14）温度范围：-40-+105°C。
可以看到，STM32F031K6虽然身材小巧，但是这款MCU继承了ST的ARM Cortex™-M的优良基因，内部资源丰富，可应用与家庭娱乐产品、家用电器、物联网IOT和工业设备等。
四、NUCLEO-F031K6探索
NUCLEO-F031K6是在ST原有Nucleo的64引脚基础上，推出的最新的32引脚版本。
STM32 Nucleo-32系列开发板目前包括NUCLEO-F031K6、NUCLEO-F042K6、NUCLEO-F303K8、NUCLEO-L031K6等几个型号。
1、NUCLEO-F031K6开发板的主要特点：
（1）采用32引脚封装的STM32F031K6微处理器
（2）提供Arduino Nano扩展接口
（3）支持云端开发环境Mbed
（4）板载ST-LINK/V2-1编程调试器
（5）USB支持三种接口：
a.虚拟串口
b.存储器
c.调试接口
（6）可变的电源供电
a.USB接口供电
b.Arduino Nano扩展接口供电
（7）提供三个LED灯：
a.LD1作为USB通信指示灯
b.LD2作为电源指示灯
c.LD3是用户指示灯
（8）1个复位按键
（9）支持多种可选的集成开发环境：IAR™, Keil®, GCC-based IDEs等
2、NUCLEO-F031K6开发板功能配置
下图是Nucleo-32开发板的功能框图，可以看出开发板由1个STM32 MCU、1个ST-LINK/V2-1编程调试器、Arduino Nano扩展接口、1个复位按键和一个用户LED组成。
图4-1 NUCLEO-F031K6开发板功能框图
3、NUCLEO-F031K6与NUCLEO-F030R8功能对比
接下来我们还是拿同类型的NUCLEO-F030R8与NUCLEO-F031K6的对比，下图是比较能够说明两者的区别与联系。
图4-2 NUCLEO-F031K6与NUCLEO-F030R8功能对比
4、NUCLEO-F031K6开发板硬件布局
图4-3 NUCLEO-F031K6开发板顶层分布
图4-4 NUCLEO-F031K6开发板低层分布
通过布局图我们可以感觉虽然NUCLEO-F031K6开发板体积不大，但是该有的功能都有了，而且布局非常紧凑，电路板两面都有元件放置，正面是目标单片机部分，背面是ST-LINK部分，电路板上面一如既往的设计了许多锡桥跳线，可以很方便的对电路的功能进行设置，而且又不占用太多空间。
5、NUCLEO-F031K6开发板接口定义
NUCLEO-F031K6开发板提供Arduino™ nano接口，方便外接附件来搭建用户的应用系统。下图应该比较清晰的展示了开发板的接口分布。
图4-5 NUCLEO-F031K6开发板接口定义
可以看出，虽然开发板外扩接口比较少，但是通过端口复用功能，提供了非常丰富的功能。
6、ST-LINK/V2-1编程调试器
Nucleo-32开发板内嵌一个ST-LINK/V2-1编程调试器，通过SWD接口与目标MCU直接连接，可对目标MCU进行编程和调试功能，同时可实现：
（1）USB接口虚拟串口
（2）USB接口存储器
（3）USB电源管理
这里要注意，ST-LINK/V2-1编程调试器不支持SWIM接口和低于3V的工作电压。
7、供电电源选择
Nucleo-32开发板供电方式可以选择使用电脑的USB接口供电，也可以通过Arduino Nano接口的CN4选择外部电源：VIN（7-12V电源）、+5V（5V电源）或者+3V3引脚供电。在这里需要注意，如果选择+3V3接口供电，这时ST-LINK不能工作。下面来分析一下两种供电：
（1）使用USB接口对开发板供电
Nucleo-32开发板可以使用ST-LINK编程调试器的USB接口供电。这里要注意，在电脑的UAB主机在ST-LINK部分USB枚举完成之前，只能向开发板提供100mA电流。只有当枚举过程中，Nucleo-32开发板要求电脑的USB接口随后提供300mA的电流。如果电脑的USB接口能够提供300mA电流，这时目标MCU才能上电成功，同时LD2指示灯点亮，那么大家在随后开发过程中，应保证系统电流需要限制在最大300mA。如果电脑的USB接口不能提供300mA电流给开发板，那么目标单片机不会上电，这是红色指示灯LD2不亮，这是必须考虑使用外部电源为开发板供电。
注意，在开发板上，可通过SB1来配置最大消耗电流。如下表，当通过USB供电时，如果SB1被设置成ON（被焊接上），则最大供电电流不应超过100mA。而默认情况下，SB1被设置成OFF（未被短接），这时可以获得最大300Ma电流。
具体配置可见下表：
另一点特别注意，如果想要不通过电脑，而用USB电源适配器给开发板供电，这时无法完成USB枚举过程，则需要将SB1设置为ON。
结合开发板原理图，整个USB供电过程可分析如下：
图4-6 USB供电电路
（2）使用外部电源供电
Nucleo-32开发板外部供电可采用三种方法进行：VIN（7-12V）、+5V（5V）或者+3V3。外部供电可见下表。
8、LED指示灯
Nucleo-32开发板上有三个LED灯，分别是：
（1）LD1三色（绿、橙、红）LED，用来指示ST-LINK的链接状态，默认LD1正常情况是红色，具体指示信息如下：
•红色LED慢闪：连接USB电源后，USB初始化之前
•红色LED快闪：PC正在与STLINK之间进行第一个正确的沟通（枚举过程）
•红色LED亮： PC和ST-LINK/ V2-1的初始化完成
•绿色LED亮：与目标板之间进行一次成功初始化通信后
•红色LED和绿色LED交替闪烁：正在与目标板的通信时
•绿色LED亮：通信成功完成
•橙色LED亮：通讯故障
（2）LD2红色LED，作为目标单片机部分正常供电并且+5V电源可用
（3）LD3绿色LED，作为开发板提供的用户LED，与目标单片机的PB3引脚连接，若要使LED点亮，需要单片机引脚输出高电平，反之，如果想熄灭，需要引脚输出低电平。
9、跳线JP1
JI1接口是Nucleo-32开发板给用户提供的测试目标单片机的电流大小的引脚，具体设置为：当JP1设置为ON（使用跳线帽短接），这种是默认情况，正常为目标单片机供电；当JP1设置为OFF（将跳线帽去掉，在两引脚间加入电流表），这种情况下就可以用电流表测量目标单片机的功耗大小（IDD电流）。
图4-7 IDD电流测量接口
10、虚拟串口
通过SB2和SB3，可以将目标单片机的USART接口连接到ST-LINK上，实现虚拟的USB串口，可方便开发板的调试。其中目标单片机的PA2作为TX，PA15作为RX接口。具体设置如下表:
通过上面分析，可以看到NUCLEO-F031K6开发板虽然小巧，但是电路设计的还是非常巧妙和人性化的。很多设计都与NUCLEO 64具有相同的部分，使开发人员能够快速的在平台间切换。
五、Mbed云端开发
在对NUCLEO-F031K6开发板进行详细的探索后，就可以上手具体使用了，来一起体验一下这款开发板的功能。
1、NUCLEO-F031K6开发环境
在ST的生态系统中，为NUCLEO开发板提供了非常丰富的开发工具，有ST推出的STM32 CUBEMX配置工具可使用图形化界面完成STM32微处理器的初始化配置工作，有IAR、MDK、GCC-based IDEs等集成IDE，还有最新的支持云端开发的mbed，另外ST还提供HAL软件库方便用户快速实现软件功能。下图是支持NUCLEO-F031K6的免费集成IDE。
图5-1免费支持STM32集成开发环境
这里我们不得不说MDK开发工具，这个在国内工程师中使用量非常大，但是以前MDK是收费软件。而前不久，在ARMKEIL官网提供了针对STM32F0和STM32L0系列MCU开发的免费产品序列号（PSN）：U1E21-CM9GY-L3G4L，如下图地址为：http://www2.keil.com/stmicroelectronics-stm32/mdk。这里可以看出ST与ARM之间的合作深度以，对ST和ARM在这里所做的工作表示赞赏。
图5-2适用于STM32L0和STM32F0的DMK免费产品序列号
2、Mbed云端开发准备
STM32 CUBEMX+ MDK+HAL库的开发模式已经被很多用户使用。在这次测评使用中我准备采用一种新的开发体验，来尝试体验一下Mbed云端开发过程！
mbed是一个面向ARM处理器的原型开发平台，它具体包括免费的软件库（SDK），硬件参考设计（HDK）和在线工具（Web）三部分内容，各个部分的具体介绍如下：
SDK：mbed设计了一个硬件抽象层，从而屏蔽了不同mcu厂商提供了微处理之间的差异，对于用户来说，他只需要和这个硬件抽象层打交道即可，也就是说，用户基于mbed开发的应用可以很方便地更换使用不同厂商的arm微处理器，从而留给用户更多的选择。
HDK：HDK是mbed提供的硬件参考设计，它是面向用户开发设计的，所以HDK提供了统一了程序上载接口，单步调试接口，串口调试接口，用户无需购买其它硬件就可以开始软件开发工作。
WEB：为了省去用户开发环境安装的麻烦，mbed提供了一个完备的基于浏览器的微处理器软件开发环境，包括代码编写，程序编译，版本控制等功能，用户只要上网就可以开发，编译结果只要下载保存到mbed开发板上即可工作，非常方便。
这里首先还是要进行开发体验前的准备工作：
（1）计算机上安装ST-LINK/V2-1驱动程序
要使用ST-LINK/V2-1编程调试器，需要在计算机上安装相应的驱动程序。该驱动可在ST的官网上下载，支持Windows XP、Windows 7和Windows 8。
网址：http://www.st.com/web/en/catalog/tools/PF260219
图5-3ST-LINK/V2-1驱动程序
下载安装正确之后，可以在设备管理其中查看到关于NUCLEO-F031K6开发板被识别出的设备，主要包括：ST-LINK调试器、虚拟串口设备、USB存储器等。
图5-4设备管理器
（2）ST-LINK/V2-1固件版本更新
ST公司会定期对ST-LINK/V2-1固件进行更新，以修正固件的BUG、支持新的功能、添加对ST新产品的编程调试功能。因此应该保证开发板的固件是最新的。大家可以使用USB接口对固件进行更新操作。ST-LINK/V2-1固件下载地址：http://www.st.com/web/en/catalog/tools/PF260217
图5-5ST-LINK/V2-1固件下载地址
下载解压后，打开ST-LinkUpgrade.exe进行更新，如下图：
图5-6ST-LINK/V2-1固件更新文件
打开软件，点击链接设备按钮，如下图：
图5-7固件更新界面
连接好设备后，可以看到现有固件版本以及最新的固件版本，如果有更新，可以点击“Yes”按钮进行更新。
图5-8版本检测
固件更新完毕后，就会显示更新成功提示。
图5-9固件更新成功
（3）注册Mbed账户
若要使用Mbed云端开发，首先要进行用户注册，打开浏览器，输入Mbed开发者网址：https://developer.mbed.org/，点击右上角的用户注册按钮进行注册。
图5-10Mbed开发者网址
注册之后登陆界面进行登陆。
图5-11登陆注册界面
登陆后，点击右上角的编译器按钮，就可以进入开发环境。
图5-12进入编译开发环境
网页会自动弹出新窗口，进入了Mbed云端开发界面。
图5-13 Mbed云端开发界面
由于第一次进入，没有选择开发板，因此开发环境右上角显示没有设备被选择，点击这个按钮。
图5-14无开发板被选择
打开选择设备窗口，这里点击添加设备按钮。
图5-15选择设备窗口
在弹出的界面中找到我们这次测评的开发板NUCLEO-F031K6。
图5-16选择NUCLEO-F031K6开发板
在打开的页面的右面点击添加到你的Mbed中。
图5-17添加NUCLEO-F031K6开发板
再次打开选择设备窗口，选择开发板，点击右上角的按钮。
图5-18选择开发板
至此，我们的Mbed云端开发的准备工作完成了。
3、PWM云端开发呼吸灯
下面测试Mbed云端开发，实现一个PWM控制的呼吸灯！
在开发之前，还是要进行电路的熟悉，选择合适的引脚驱动LED。
图5-19 选择PWM输出引脚
经过查找，我们发现开发板自带的用户LED1没有接到PWM输出引脚上。但是NUCLEO-F031K6开发板兼容Arduino Nano扩展接口，非常适合插到面包板上外接元件进行开发DIY，这里选择PB0通过面包板外接一个LED,输出PWM驱动LED实现呼吸灯效果。电路连接好后如下图。
图5-20 呼吸灯硬件电路
硬件电路准备好了，下面再Mbed中新建工程，可以看到由于NUCLEO-F031K6开发板比较新，因此提供的模板工程还比较少，这里选择LED灯闪烁的工程模板。
图5-21 选择工程模板
工程模板选择好后，输入工程名称：Nucleo_pwm_led，如下图。
图5-22 Mbed新建工程窗口
点击确认按钮，可以看到，Mbed自动生成了工程文件结构如下图。
图5-23 默认工程结构
选择主程序双击，就打开了模板程序，程序非常简单，实现LED灯亮200ms、灭1秒这样交替闪烁的功能。
图5-24 默认程序模板
在原有程序模板基础之上完成下图呼吸灯程序。
图5-25 呼吸灯程序
具体源程序如下，方便大家实验：
- #include "mbed.h"
- PwmOut PWM1(PWM_OUT); //声明使用的PWM引脚，这里指PB0
- int main() {
- PWM1.period_us(100); //设置PWM的周期为100us
- int count = 0, flag = 0; //count记录PWM脉冲宽度，flag记录脉冲宽度的变化趋势
- while(1) {
- PWM1.pulsewidth_us(count); //设置新的PWM输出宽度
- if (flag == 0) //flag为0，脉冲宽度增加
- {
- count++;
- if (count == 100)
- {
- flag = 1;
- }
- }
- Else //flag为1，脉冲宽度减小
- {
- count--;
- if (count == 0)
- {
- flag = 0;
- }
- }
- wait_ms(20); //每种PWM宽度输出20ms
- }
- }
上面的程序还是比较简单易懂的，写好程序后，点击编译，如果没有错误，Mbed通过网络会自动把编译好的bin文件下载到计算机中，如下图。
图5-26 编译呼吸灯程序
图5-27 编译生成bin文件
将编译好的bin文件复制到NUCLEO-F031K6开发板对应的Mbed USB存储器中，就会将程序写入FLASH中，并自动运行程序。
图5-28 Mbed USB存储器
运行效果我把视频做了一个GIF动画。
图5-29 呼吸灯效果图
这次Mbed云端开发环境还是第一次使用，通过尝试，感觉Mbed云端开发还是挺简单的。特别是Mbed 开发将工作分成了免费的软件库（SDK），硬件参考设计（HDK）和在线工具（Web）三部分内容，从而能够屏蔽不同mcu厂商提供微处理之间的差异，对于用户来说，可以很方便地更换使用不同厂商的arm微处理器，而程序基本是不变的。同时Mbed采用浏览器作为开发环境，用户不需要单独安装开发环境，只需要上网就可以随时随地进行开发，也不需要因忘带U盘。最后编译好的bin文件可以像使用U盘一样复制到NUCLEO-F031K6开发板对应的存储器就可以运行，的确比较方便，不过在有些情况下可能运行速度比较慢点。
六、结语
NUCLEO-F031K6开发板是基于ST公司的一款低成本、易于开发的STM32 Nucleo-32开发平台，使用一颗基于ARM®Cortex®-M0内核LQFP32封装的MCU（STM32F031K6），板载ST-LINK/V2-1编程调试器，提供Arduino Nano扩展接口，支持云端开发环境Mbed等多种开发工具，主要面向家庭娱乐、家用电器、物联网和工业设备等应用，方便工程师快速搭建产品原型和广大电子爱好者DIY各种智能创意，可谓“小身材，大智慧”！
提升卡
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