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UFUN学习板原理图(持续更新中) [复制链接]

 
接上帖:UFUN学习板:大学的模拟和数字,要那么难么?

端午前发了UFUN学习板的资源介绍,见好多网友都有疑问,今天再发一下官方的原理图的讲解部分。
针对大家的疑问,ufun作者也于6月9日在UFUN公众号上发布了学习板的原理图和数据手册的下载地址:
百度云盘链接:
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密码:c29s


-----以下为张进东(EEworld网友:zjd01)原创-----------

Ufun原理图和PCB设计软件使用的是CADENCE(ORCADCapture + Allegro),目前各大公司使用的主流设计软件。稍后会公布原理图和PCB的原文件,以方便大家学习。这款软件较难掌握,但功能强大,而且国外主流的芯片公司都会有相应的支持库。一旦掌握该软件,可以减少库的制作过程,也能避免自己建库出现错误;同时规范性的PCB元件库也能提高生产的良品率。因此,建议大家尽量熟悉一下这个软件。
好了,下面我们进入正题,从原理图介绍一下UFUN学习板的各个部分吧。

第一节主要介绍一下ARM系统的最基础部分:MCU、BOOT、RESET及JTAG。

1、MCU
    我们从几款主流的MCU中选定了STM32F103RCT6。学习难度比较适合大学生,而资源也比较丰富,256kB Flash + 48kB SRAM可以实现很多大学接触到的算法和应用,72M的ARMCORTEX-M3内核运算能力也适合大多数学习和应用,关键是工作中也应用非常广泛。
    目前ARM在工作中应用较多,熟悉UFUN之后,可以很顺利的找到工作了~
综合考虑功能、体积和成本因素,我们使用了64脚封装,而且大部分引脚都已经使用或引出。


1.jpg
2、BOOT
    为方便代码在线更新和自启动,我们使用了2位拨码开关,来选择烧写模式和启动模式。通过设置拨码开关,可以实现通过UART烧写程序,而UFUN学习板上集成USB转UART电路。所以,只需要一根手机数据线连接micro USB接口与电脑,设置好拨码,就可以直接下载编译好的程序了。不需要仿真器和单独的电源,有没有很贴心的感觉呢?

2.png

3、RESET
    复位电路采用典型的阻容方式,同时包含一个手动复位按钮。该电路较为常用,成本与性能兼顾。

3.png

4、JTAG
    我们板上保留了JTAG接口给有调试需求的
同学。使用SW模式JLINK接口,连线较少,可满足一般调试需求。
    另外我们板上有USB程序烧写接口,只需要一根手机数据线连接PC与UFUN即可实现程序烧写,适用于没有JTAG仿真器的同学。后面我们会再单独介绍。

4.png


    以上几部分是构成一个ARM系统的最基础部分,时钟(该ARM内部集成有低精度时钟)和电源也是必须的,但因为时钟和电源与其他模块相关或复用,所以在稍后的电路分析里再一起介绍~~

5、  电源
    因为整体单板功耗较低,我们使用USB供电。UFUN学习板使用micro USB接口,可以使用安卓手机数据线连接PC或移动电源实现供电,甚至可以使用手机与平板电脑来供电。电源可通过拨码开关S2控制通断,同时做了一些简单的防护,包括过压和防反灌电流等防护。
        300欧磁珠L2(有些公司用B或Z表示)可以吸收一些高频噪声,减小对外辐射。磁珠的单位是欧姆,能将通过的高频成份转换为热能,从而减少电磁辐射。这是磁珠与电感最大的差别。电感是隔离和阻挡交流成分,但不能消耗转换为热能。这里的300欧是磁珠对100M的正弦波所表现的电阻值

5.png



                          
    UFUN使用LDO稳压,实现5V转3.3V。为便于结合大学课程,UFUN板载了一些高增益模拟电路。为减小干扰,数字电源和模拟电源使用了不同的LDO。数字部分供电使用较常用的低成本LDO LM1117,模拟部分使用低噪声、高噪声隔离度的LDO芯片SO6203-3.3。电源部分原理图中LDO前后的电容均靠近LDO芯片放置。
    为减小数字电路对模拟信号的干扰,数字地和模拟地采用了隔离设计,该技巧是高精度模拟电路必须要掌握的技巧,需要有良好的信号回路概念,在以后的学习中需要认真领悟。数字地和模拟地采用0欧电阻来连接(这也是0欧电阻非常典型的一个应用)。
    关于地的隔离,以后我们讲解UFUN的PCB布局布线的时候会再详细解释。


5-2.png 5-3.png


6、  LED
    板上使用了3个LED。
        LED1是七色LED,由红绿蓝三颗LED集成封装在一起,可以通过PWM控制实现任意的颜色和亮度,让UFUN不仅耐学,而且耐玩。
6-1.png
        LED2用于3.3V电源指示,开关接通会亮起。
6-2.png
        LED3是一个可以由ARM控制的下发光LED,发光可以透过PCB照射到背面四颗触摸按键的中心,如果晚上使用UFUN触摸按键的话,可以非常准确的进行操作。
6-3.png
    因为几个LED驱动电流都只有几mA,在ARM管脚的正常驱动能力以内,所以都直接使用ARM的管脚进行驱动。

7、  蜂鸣器
        UFUN使用了小型表贴蜂鸣器,用于实现一些简单的提醒或报警等功能。
    蜂鸣器有压电陶瓷和线圈式两种,但均有固定的最佳振荡频率。UFUN使用的是线圈式,电流较大,需要使用三极管进行驱动,同时要注意使用合适的限流电阻。

7.png

8.USB转UART
由于我们选的芯片STM32F103RC没有USB接口,现在很多电脑又没有UART接口,所以我们就加了USB转UART电路。当然在实际设计产品的时候为了降低成本一般是不用这部分电路的,在淘宝上随处可买到USB转UART的小模块,一端接板子的串口一端接电脑USB,在实际产品开发使用也是很方便的。我们为了开发板使用方便使用CH340这样一片USB转UART芯片,可用来做开发板与电脑的通信,电脑端使用SecureCRT这类工具也是一个非常好的调试手段,开发中串口调试打印log与SWD(或者JTAG)调试结合是定位BUG的主要手段。如果手头上没有jlink这类程序下载器也可以通过串口下载程序,在后面的软件部分会介绍使用方法。主流的USB转UART芯片除了CH340还有PL2303,CP210X等,芯片手册上都有参考设计,电路也很简单。下面是ufun开发板上CH340转UART的原理图。

8.png

    CH340的TXD接STM32F103的USART1_RX,RXD接STM32F103的USART1_TX,一端是接收对应另一端就是发送,很好理解。VCC和V3接0.1uF电源退耦电容。USBD+、USBD-为USB的差分信号线。XI、XO时钟信号是由STM32F103的外部晶振提供的,如下图。这样可以降低成本。
9.png
    在CH340芯片的USB信号与外界通信还需要有相应的接口电路,并且我们的ufun开发板还能直接用USB的5V对板子供电。

8-3.png

    为方便使用我们用的是非常常见的microusb接口,经过滑动开关S2作为通过USB供电时的开关,然后通过L2改善电源质量,D4保证电流的单向性,当系统有其他方式提供5V供电时,电流不会倒流到USB接口端。USB信号对防静电要求较高,我们使用PRTR5V0U2X作为防静电二极管,当正向ESD来的时候,连接VCC_5V的二极管导通;当负向ESD来的时候,连接GND的二极管导通,从而起到快速泄放静电的作用。

9.三轴加速度计
  为了扩展学习我们ufun开发板加了一片意法半导体的超低功耗三轴加速度芯片LIS3DH,读者可以利用该芯片做一些扩展应用,比如计步器等。无人机,机器人等高端运动相关的控制用到姿态控制较多,这也是为以后的深入学习打下基础。这类芯片一般都支持I2C接口通信,以后使用类似芯片也会很方便。LIS3DH 加速计芯片内置一个温度传感器和三路模数转换器,可简单地整合陀螺仪等伴随芯片。

LIS3DH还可实现多种功能,包括鼠标单击/双击识别、4D/6D方向检测以及省电睡眠到唤醒模式。在睡眠模式下,检测链路保持活动状态,当一个事件发生时,传感器将从睡眠模式唤醒,自动提高输出数据速率。其它重要特性还包括一个可编程的FIFO(先入先出)存储器模块和两个可编程中断信号输出引脚,可立即向主处理器通知动作检测、单击/双击事件等其它状况。
9.png

电路很简单,我们使用的I2C接口接STM32F103的I2C1接口通信,并且只使用了一个中断输出引脚INT1,INT1接STM32F103的PB5作为外部中断输入。在PCB设计时应注意我们设计中定义的X,Y,Z方向然后定义PCB设计时芯片的放置方向,如图。

10.png

10.触摸按键
   触摸按键相当于实体按键没有按键噪声没有机械损耗,并且更灵敏,更具科技感。现在很多产品中都已经用触摸按键替代了传统的机械按键,特别是大家最容易接触到的家电类产品。先说说我们的四个触摸按键。
100.png

    四个触摸按键用22pf的电容接地,这个电容也就是没有触摸时按键与地之间形成的静态电容,当有触摸时相当于并联了一个电容,静态电容值就发生变化,导致电容的充放电时间不同,利用这种现象对触摸进行检测,这四个电容的容值大小也直接关系到触摸的灵敏度。触摸按键设计最关键的是PCB设计,按键到触摸芯片之间的走线长度,按键周围地的覆盖,按键与走线都应尽量远离其他元器件特别是感应元器件以免有寄生电容的干扰等问题我们在PCB设计的时候会详细介绍触摸按键的PCB设计,这里不做详解。
101.jpg
    我们使用TTP224N-BSB作为触摸IC,这是一款使用电容式感应原理设计的触摸IC,此款IC内建稳压电路给触摸感测器使用,稳定的感应方式可以应用到各种不同电子类产品。面板介质可以是完全绝源的材料,专为取代传统的机械结构开关或普通按键而设计。提供4个触摸输入端口及4个直接输出端口。我们四路触摸信号分别接芯片的TP0-TP3经过芯片检测后当有触摸变化会在TPQ0-TPQ3输出相应的电平变化输出,输出可作为STM32F103的电平检测输入或者外部中断输入。输出模式由TOG/AHLB/OD端口选择,我们设计中使用的是默认模式,高电平有效,可根据不同应用场合选择合适的输出模式。还有重要的就是触摸的灵敏度。灵敏度必须根据实际应用的PCB来做调整,芯片提供以下几种外部灵敏度调整方法:

1.改变感应焊盘尺寸大小。
若其他条件固定不变,使用一个较大的感应焊盘将会增大其灵敏度
,反之灵敏度将下降,但是感应焊盘的尺寸大小也必须是在其有效范围值内。

2. 改变面板厚度。
若其他条件固定不变,使用一个较薄的面板也会将灵敏度提高,反之灵敏度则下降。但是面板的厚度必须低于其最大值。

3. 改变触摸按键与地之间静态电容的大小。
若其他条件固定不变,可以根据各键的实际情况通过调节触摸按键与地之间的电容值使其达到最佳的灵敏度,同时以使各键的灵敏度达到一致。当电容不接时其灵敏度为最高。容值越大其灵敏度越低,可调节范围为:0~50pF。
我们设计中使用的是22pf电容,触摸的灵敏度适中,读者可以试试修改电容大小改变触摸灵敏度。


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感谢细心的管理  详情 回复 发表于 2016-8-2 18:49
 
 

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一粒金砂(高级)

 
好资料。。。
 
 
 

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这些资源怎么学习模电呢?滤波器、运放什么的在哪里啊?

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运放部分的电路还没有发布出来,因为有一些相关的功能描述还没有整理成文档。等整理好我再联系编辑哥哥补上。  详情 回复 发表于 2016-6-14 09:11
个人签名training
 
 
 

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五彩晶圆(中级)

 
白丁 发表于 2016-6-13 21:55
这些资源怎么学习模电呢?滤波器、运放什么的在哪里啊?

运放部分的电路还没有发布出来,因为有一些相关的功能描述还没有整理成文档。等整理好我再联系编辑哥哥补上。

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期待模电部分  详情 回复 发表于 2016-6-15 09:56
哦, 哦, 看之前介绍有模电部分,在这没看到,有点纳闷  详情 回复 发表于 2016-6-14 19:22
 
 
 

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zjd01 发表于 2016-6-14 09:11
运放部分的电路还没有发布出来,因为有一些相关的功能描述还没有整理成文档。等整理好我再联系编辑哥哥补 ...

哦, 哦, 看之前介绍有模电部分,在这没看到,有点纳闷
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纯净的硅(初级)

 
先顶一个
个人签名这个人不懒,但是仕么都没留下
 
 
 

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纯净的硅(中级)

 
zjd01 发表于 2016-6-14 09:11
运放部分的电路还没有发布出来,因为有一些相关的功能描述还没有整理成文档。等整理好我再联系编辑哥哥补 ...

期待模电部分
 
 
 

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一粒金砂(中级)

 
谢谢 分享 学习了
 
 
 

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一粒金砂(中级)

 
期待模电部分,顶顶顶
 
 
 

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一粒金砂(初级)

 
学习到很多以前没接触到的知识,谢谢
 
 
 

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一粒金砂(初级)

 
期待整版设计解密
 
 
 

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一粒金砂(中级)

 
很不错,坚决支持
 
 
 

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一粒金砂(中级)

 
张哥免费发板子,好帅哦!
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清风徐来~~

 
 
 

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弱弱的问一句,
这个AMR是什么?
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nmg
这个是作者笔误,应该为ARM,帖子内容部分已经更正  详情 回复 发表于 2016-7-8 09:42
nmg
白丁大侠稍稍等,我去问问作者  详情 回复 发表于 2016-7-8 09:19
个人签名training
 
 
 

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白丁 发表于 2016-7-7 20:00
弱弱的问一句,
这个AMR是什么?

白丁大侠稍稍等,我去问问作者
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白丁 发表于 2016-7-7 20:00
弱弱的问一句,
这个AMR是什么?

这个是作者笔误,应该为ARM,帖子内容部分已经更正
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纯净的硅(初级)

 
LM1117-3.3v的4脚pad脚是干嘛的,我查了下datasheet就只有三脚的芯片,没看到私交的

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nmg
能不能把你的问题整理成文,另发一帖, 这样关注度更大,其他会的网友看到就能帮你解答 另外,也便于统计,如果最后网友没能解答,我汇总了,让作者帮你看看。 毕竟作者比较忙,不能及时回复你  详情 回复 发表于 2016-7-19 09:21
个人签名这个人不懒,但是仕么都没留下
 
 
 

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天天1 发表于 2016-7-18 19:52
LM1117-3.3v的4脚pad脚是干嘛的,我查了下datasheet就只有三脚的芯片,没看到私交的

能不能把你的问题整理成文,另发一帖,

这样关注度更大,其他会的网友看到就能帮你解答

另外,也便于统计,如果最后网友没能解答,我汇总了,让作者帮你看看。
毕竟作者比较忙,不能及时回复你
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散热盘,跟管脚有电气连接的  详情 回复 发表于 2016-8-2 11:39
 
 
 

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五彩晶圆(中级)

 
nmg 发表于 2016-7-19 09:21
能不能把你的问题整理成文,另发一帖,

这样关注度更大,其他会的网友看到就能帮你解答

另外,也便 ...

散热盘,跟管脚有电气连接的
 
 
 

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@天天1  看楼上,作者给你答复了
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感谢细心的管理  详情 回复 发表于 2016-8-2 18:49
 
 
 

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