模块板卡:基于STM32主控器件的智能箱包控制板解决方案
原标题:智能箱包控制板
应用领域:工业电子
方案类型:模块板卡
主控芯片:STM;
方案概述
主要功能:智能行李箱,具有10400mAh电池,能对通过USB接口对手机等电子产品充电。手机APP蓝牙通信及防丢功能。智能锁控制,称重传感器检测箱包重量,超低功耗休眠,手机应用GPS定位、航班查询、行李重量显示,3G通信数据传输,服务器旅行历史记录,好友行程排行榜。
关键特性:畜电池供电;
微安级休眠电流;
3G、GPS、称重传感;
防丢及锁控;
主芯片的功能:Cortex-M3 CPU(32位);
频率:32kHz的RTC震荡源;
时钟源:1-24MHz的晶振;
32KHz的RTC震荡源;
83个I/O口
存储:128K Flash
16K RAM
4K EEPROM
80B Register
ADC1(12位)24个通道
DAC2(12位)
DMA
1个USB2.0(48MHz 锁相环)
3个串口
2个SPI
2个I3c
定时器(10个)
2个16位基础定时器
2个看门狗定时器
【STM32】
STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex®-M0,M0+,M3, M4和M7内核(ST's product portfolio contains a comprehensive range of microcontrollers, from robust, low-cost 8-bit MCUs up to 32-bit ARM-based Cortex®-M0 and M0+, Cortex®-M3, Cortex®-M4 Flash microcontrollers with a great choice of peripherals. ST has also extended this range to include an ultra-low-power MCU platform)[1] 。按内核架构分为不同产品:
主流产品(STM32F0、STM32F1、STM32F3)、超低功耗产品(STM32L0、STM32L1、STM32L4、STM32L4+)、高性能产品(STM32F2、STM32F4、STM32F7、STM32H7)。
产品介绍
在STM32F105和STM32F107互连型系列微控制器之前,意法半导体已经推出STM32基本型系列、增强型系列、USB基本型系列、互补型系列;新系列产品沿用增强型系列的72MHz处理频率。内存包括64KB到256KB闪存和 20KB到64KB嵌入式SRAM。新系列采用LQFP64、LQFP100和LFBGA100三种封装,不同的封装保持引脚排列一致性,结合STM32平台的设计理念,开发人员通过选择产品可重新优化功能、存储器、性能和引脚数量,以最小的硬件变化来满足个性化的应用需求。
截至2010年7月1日,市面流通的型号有:
基本型:STM32F101R6、STM32F101C8、STM32F101R8、STM32F101V8、STM32F101RB、STM32F101VB
增强型:STM32F103C8、STM32F103R8、STM32F103V8、STM32F103RB、STM32F103VB、 STM32F103VE、STM32F103ZE
STM32型号的说明:以STM32F103RBT6这个型号的芯片为例,该型号的组成为7个部分,其命名规则如下:
1· STM32~ STM32代表ARM Cortex-M内核的32位微控制器。
2· F~ F代表芯片子系列。
3· 103~ 103代表增强型系列。
4· R~ R这一项代表引脚数,其中T代表36脚,C代表48脚,R代表64脚,V代表100脚,Z代表144脚,I代表176脚。
5· B~ B这一项代表内嵌Flash容量,其中6代表32K字节Flash,8代表64K字节Flash,B代表128K字节Flash,C代表256K字节Flash,D代表384K字节Flash,E代表512K字节Flash,G代表1M字节Flash。
6· T~ T这一项代表封装,其中H代表BGA封装,T代表LQFP封装,U代表VFQFPN封装。
7· 6~ 6这一项代表工作温度范围,其中6代表-40——85℃,7代表-40——105℃。
互联型
全新STM32互联型(Connectivity)系列微控制器增加一个全速USB(OTG)接口,使终端产品在连接另一个USB设备时既可以充当USB主机又可充当USB从机;还增加一个硬件支持IEEE1588精确时间协议(PTP)的以太网接口,用硬件实现这个协议可降低CPU开销,提高实时应用和联网设备同步通信的响应速度。
全新互联型系列还是STM32家族中首款集成两个CAN2.0B控制器的产品,让开发人员能够研制可连接两条工业标准CAN(控制器区域网)总线的网关设备。此外,新系列微控制器还支持以太网、USB OTG和CAN2.0B外设接口同时工作,因此,开发人员只需一颗芯片就能设计整合所有这些外设接口的网关设备。
STM32互联型系列产品强化了音频性能,采用一个先进的锁相环机制,实现音频级别的I2S通信。结合USB主机或从机功能,STM32可以从外部存储器(U盘或MP3播放器)读取、解码和输出音频信号。设计人员还可以在新系列微控制器上开发人机界面(HMI)功能,如播放和停止按键,以及显示器界面。这个功能使其可用于各种家庭音响设备,如音响底座系统、闹钟/音乐播放器和家庭影院。
新系列产品整合先进的面向连接的外设,标准的STM32外设(包括一个PWM定时器),高性能的32位ARM Cortex-M3 CPU,这些特性使开发人员可以在设备上(如家电、楼宇或工业自动化)整合多种功能,如马达控制、用户界面控制和设备互连功能。其它目标应用包括需要联网、数据记录或USB外设扩展功能的系统,如病患监视、销售终端机、自动售货机和保安系统。
包括新的互联型系列在内的STM32系列微控制器具有多种配套软件和开发工具,其中包括意法半导体免费提供的软件库以及第三方工具厂商的广泛支持。意法半导体还将推出一个新的评估板,目前正在向大客户提供STM32F105和STM32F107互联型系列的样片。
新系列
STM32互连型系列产品分为两个型号: STM32F105和STM32F107。STM32F105具有USB OTG 和CAN2.0B接口。STM32F107在USB OTG 和CAN2.0B接口基础上增加了以太网10/100 MAC模块 。片上集成的以太网MAC支持MII和RMII,因此,实现一个完整的以太网收发器只需一个外部PHY芯片。只使用一个25MHz晶振即可给整个微控制器提供时钟频率,包括以太网和USB OTG外设接口。微控制器还能产生一个25MHz或50MHz的时钟输出,驱动外部以太网PHY层芯片,从而为客户节省了一个附加晶振。
音频功能方面,新系列微控制器提供两个I2S音频接口,支持主机和从机两种模式,既用作输入又可用作输出,分辨率为16位或32位。音频采样频率从8kHz到96kHz。利用新系列微控制器强大的处理性能,开发人员可以用软件实现音频编解码器,从而消除了对外部组件的需求。
把U盘插入微控制器的USB OTG接口,可以现场升级软件;也可以通过以太网下载代码进行软件升级。这个功能可简化大型系统网络(如远程控制器或销售终端设备)的管理和维护工作。
架构优势
除新增的功能强化型外设接口外,STM32互连系列还提供与其它STM32微控制器相同的标准接口,这种外设共用性提升了整个产品家族的应用灵活性,使开发人员可以在多个设计中重复使用同一个软件。新STM32的标准外设包括10个定时器、两个12位1-Msample/s 模数转换器 (交错模式下2-Msample/s)、两个12位数模转换器、两个I2C接口、五个USART接口和三个SPI端口。新产品外设共有12条DMA通道,还有一个CRC计算单元,像其它STM32微控制器一样,支持96位唯一标识码。
新系列微控制器还沿续了STM32产品家族的低电压和节能两大优点。2.0V到3.6V的工作电压范围兼容主流的电池技术,如锂电池和镍氢电池,封装还设有一个电池工作模式专用引脚Vbat。以72MHz频率从闪存执行代码,仅消耗 27mA电流。低功耗模式共有四种,可将电流消耗降至两微安。从低功耗模式快速启动也同样节省电能;启动电路使用STM32内部生成的8MHz信号,将微控制器从停止模式唤醒用时小于6微秒。
低功耗性能
意法半导体的EnergyLite™超低功耗技术平台是STM32L取得业内领先的能效性能的关键。这个技术平台也被广泛用于意法半导体的8位微控制器STM8L系列产品。EnergyLite™超低功耗技术平台基于意法半导体独有的130nm制造工艺,为实现超低的泄漏电流特性,意法半导体对该平台进行了深度优化。在工作和睡眠模式下,EnergyLite™超低功耗技术平台可以最大限度提升能效。此外,该平台的内嵌闪存采用意法半导体独有的低功耗闪存技术。这个平台还集成了直接访存(DMA)支持功能,在应用系统运行过程中关闭闪存和CPU,外设仍然保持工作状态,从而可为开发人员节省大量的时间。
除最为突出的与制程有关的节能特色外,STM32L系列还提供更多其它的功能,开发人员能够优化应用设计的功耗特性。通过六个超低功耗模式,STM32L系列产品能够在任何设定时间以最低的功耗完成任务。这些可用模式包括:(在1.8V/25°C环境的初步数据)
· 10.4μA低功耗运行模式,32kHz运行频率
· 6.1 μA低功耗睡眠模式,一个计时器工作
· 1.3 μA 停机模式:实时时钟(RTC)运行,保存上下文,保留RAM内容
· 0.5 μA 停机模式:无实时时钟运行,保存上下文,保留RAM内容
· 1.0μA待机模式:实时时钟运行,保存后备寄存器
· 270nA待机模式:无实时时钟运行,保存后备寄存器
STM32L系列新增低功耗运行和低功耗睡眠两个低功耗模式,通过利用超低功耗的稳压器和振荡器,微控制器可大幅度降低在低频下的工作功耗。稳压器不依赖电源电压即可满足电流要求。STM32L还提供动态电压升降功能,这是一项成功应用多年的节能技术,可进一步降低芯片在中低频下运行时的内部工作电压。在正常运行模式下,闪存的电流消耗最低230μA/MHz,STM32L的功耗/性能比最低185μA/DMIPS。
此外,STM32L电路的设计目的是以低电压实现高性能,有效延长电池供电设备的充电间隔。片上模拟功能的最低工作电源电压为1.8V。数字功能的最低工作电源电压为1.65V,在电池电压降低时,可以延长电池供电设备的工作时间。
STM32 ARM Cortex 32位微控制器
The STM32 family of 32-bit Flash microcontrollers based on the Arm® Cortex®-M processor is designed to offer new degrees of freedom to MCU users. It offers products combining very high performance, real-time capabilities, digital signal processing, and low-power and low-voltage operation, and connectivity, while maintaining full integration and ease of development.
The unparalleled and large range of STM32 devices, based on an industry-standard core and accompanied by a vast choice of tools and software, makes this family of products the ideal choice, both for small projects or an entire platforms.
STM32 celebrates 10 years of innovation
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STM32主控芯片:
STM32F411RE
STM32F439AI
STM32F429AI
STM32F437AI
STM32F427AI
STM32F427AG
STM32F429AG
STM32F411VE
STM32F411CE
STM32F401VC
STM32F401CC
STM32F401RC
STM32F415OG
STM32F405OG
STM32F405OE
STM32F469BI
STM32F469II
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STM32F469NI
STM32F469IG
STM32F469BG
STM32F469AG
STM32F469NG
STM32F469IE
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STM32F469NE
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STM32F479NI
STM32F479IG
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STM32F479AG
STM32F479NG
STM32F410R8
STM32F410C8
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STM32F469VI
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STM32F413VG
【Cortex-M3】
Cortex-M3是一个32位的核,在传统的单片机领域中,有一些不同于通用32位CPU应用的要求。在工控领域,用户要求具有更快的中断速度,Cortex-M3采用了Tail-Chaining中断技术,完全基于硬件进行中断处理,最多可减少12个时钟周期数,在实际应用中可减少70%中断。
Cortex-M3是一个32位处理器内核。内部的数据路径是32位的,寄存器是32位的,存储器接口也是32位的。CM3采用了哈佛结构,拥有独立的指令总线和数据总线,可以让取指与数据访问并行不悖。这样一来数据访问不再占用指令总线,从而提升了性能。为实现这个特性,CM3内部含有好几条总线接口,每条都为自己的应用场合优化过,并且它们可以并行工作。但是另一方面,指令总线和数据总线共享同一个存储器空间(一个统一的存储器系统)。换句话说,不是因为有两条总线,可寻址空间就变成8GB了。
比较复杂的应用可能需要更多的存储系统功能,为此CM3提供一个可选的MPU,而且在需要的情况下也可以使用外部的cache。另外在CM3中,Both小端模式和大端模式都是支持的。
CM3内部还附赠了好多调试组件,用于在硬件水平上支持调试操作,如指令断点,数据观察点等。另外,为支持更高级的调试,还有其它可选组件,包括指令跟踪和多种类型的调试接口。
内核架构
ARMCortex-M3采用哈佛结构,并选择了适合于微控制器应用的三级流水线,但增加了分支预测功能。
现代处理器大多采用指令预取和流水线技术,以提高处理器的指令执行速度。流水线处理器在正常执行指令时,如果碰到分支(跳转)指令,由于指令执行的顺序可能会发生变化,指令预取队列和流水线中的部分指令就可能作废,而需要从新的地址重新取指、执行,这样就会使流水线“断流”,处理器性能因此而受到影响。特别是现代C语言程序,经编译器优化生成的目标代码中,分支指令所占的比例可达10-20%,对流水线处理器的影响会的更大。为此,现代高性能流水线处理器中一般都加入了分支预测部件,就是在处理器从存储器预取指令时,当遇到分支(跳转)指令时,能自动预测跳转是否会发生,再从预测的方向进行取指,从而提供给流水线连续的指令流,流水线就可以不断地执行有效指令,保证了其性能的发挥。
ARMCortex-M3内核的预取部件具有分支预测功能,可以预取分支目标地址的指令,使分支延迟减少到一个时钟周期。
针对业界对ARM处理器中断响应的问题,Cortex-M3首次在内核上集成了嵌套向量中断控制器(NVIC)。Cortex-M3的中断延迟只有12个时钟周期(ARM7需要24-42个周期);Cortex-M3还使用尾链技术,使得背靠背(back-to-back)中断的响应只需要6个时钟周期(ARM7需要大于30个周期)。Cortex-M3采用了基于栈的异常模式,使得芯片初始化的封装更为简单。
Cortex-M3加入了类似于8位处理器的内核低功耗模式,支持3种功耗管理模式:通过一条指令立即睡眠;异常/中断退出时睡眠;深度睡眠。使整个芯片的功耗控制更为有效。
特点
高性能
许多指令都是单周期的——包括乘法相关指令。并且从整体性能上,Cortex-M3比得过绝大多数其它的架构。
指令总线和数据总线被分开,取值和访内可以并行不悖
Thumb-2的到来告别了状态切换的旧世代,再也不需要花时间来切换于32位ARM状态和16位Thumb状态之间了。这简化了软件开发和代码维护,使产品面市更快。
Thumb-2指令集为编程带来了更多的灵活性。许多数据操作现在能用更短的代码搞定,这意味着Cortex-M3的代码密度更高,也就对存储器的需求更少。
取指都按32位处理。同一周期最多可以取出两条指令,留下了更多的带宽给数据传输。
Cortex-M3的设计允许单片机高频运行(现代半导体制造技术能保证100MHz以上的速度)。即使在相同的速度下运行,CM3的每指令周期数(CPI)也更低,于是同样的MHz下可以做更多的工作;另一方面,也使同一个应用在CM3上需要更低的主频。
2.11.2 先进的中断处理功能
内建的嵌套向量中断控制器支持多达240条外部中断输入。向量化的中断功能剧烈地缩短了中断延迟,因为不再需要软件去判断中断源。中断的嵌套也是在硬件水平上实现的,不需要软件代码来实现。
Cortex-M3在进入异常服务例程时,自动压栈了R0-R3, R12, LR, PSR和PC,并且在返回时自动弹出它们,这多清爽!既加速了中断的响应,也再不需要汇编语言代码了(第8章有详述)。
NVIC支持对每一路中断设置不同的优先级,使得中断管理极富弹性。最粗线条的实现也至少要支持8级优先级,而且还能动态地被修改。
优化中断响应还有两招,它们分别是“咬尾中断机制”和“晚到中断机制”。
有些需要较多周期才能执行完的指令,是可以被中断-继续的——就好比它们是一串指令一样。这些指令包括加载多个寄存器(LDM),存储多个寄存器(STM),多个寄存器参与的PUSH,以及多个寄存器参与的POP。
除非系统被彻底地锁定,NMI(不可屏蔽中断)会在收到请求的第一时间予以响应。对于很多安全-关键(safety-critical)的应用,NMI都是必不不可少的(如化学反应即将失控时的紧急停机)。
低功耗
Cortex-M3需要的逻辑门数少,所以先天就适合低功耗要求的应用(功率低于0.19mW/MHz)在内核水平上支持节能模式(SLEEPING和SLEEPDEEP位)。通过使用“等待中断指令(WFI)”和“等待事件指令(WFE)”,内核可以进入睡眠模式,并且以不同的方式唤醒。另外,模块的时钟是尽可能地分开供应的,所以在睡眠时可以把CM3的大多数“官能团”给停掉。
CM3的设计是全静态的、同步的、可综合的。任何低功耗的或是标准的半导体工艺均可放心饮用。
系统特性
系统支持“位寻址带”操作(8051位寻址机制的“威力大幅加强版”),字节不变的大端模式,并且支持非对齐的数据访问。
拥有先进的fault处理机制,支持多种类型的异常和faults,使故障诊断更容易。
通过引入banked堆栈指针机制,把系统程序使用的堆栈和用户程序使用的堆栈划清界线。如果再配上可选的MPU,处理器就能彻底满足对软件健壮性和可靠性有严格要求的应用。
调试支持
在支持传统的JTAG基础上,还支持更新更好的串行线调试接口。
基于CoreSight调试解决方案,使得处理器哪怕是在运行时,也能访问处理器状态和存储器内容。
内建了对多达6个断点和4个数据观察点的支持。
可以选配一个ETM,用于指令跟踪。数据的跟踪可以使用DWT
在调试方面还加入了以下的新特性,包括fault状态寄存器,新的fault异常,以及闪存修补 (patch)操作,使得调试大幅简化。
可选ITM模块,测试代码可以通过它输出调试信息,而且“拎包即可入住”般地方便使用。
编程模式
Cortex-M3处理器采用ARMv7-M架构,它包括所有的16位Thumb指令集和基本的32位Thumb-2指令集架构,Cortex-M3处理器不能执行ARM指令集。
Thumb-2在Thumb指令集架构(ISA)上进行了大量的改进,它与Thumb相比,具有更高的代码密度并提供16/32位指令的更高性能。
关于工作模式
Cortex-M3处理器支持2种工作模式:线程模式和处理模式。在复位时处理器进入“线程模式”,异常返回时也会进入该模式,特权和用户(非特权)模式代码能够在“线程模式”下运行。
出现异常模式时处理器进入“处理模式”,在处理模式下,所有代码都是特权访问的。
关于工作状态
Cortex-M3处理器有2种工作状态。
Thumb状态:这是16位和32位“半字对齐”的Thumb和Thumb-2指令的执行状态。
调试状态:处理器停止并进行调试,进入该状态。
开发工具
Keil [1] ULINK仿真器
IAR JLink仿真器
对客户来说用什么技术、芯片不是主要的。主要的是能否满足要求。高性价比、开发门槛底、易于使用才是硬道理。Cortex M3从理论上来说是高性价比。但目前已有的芯片的功能太少。Cortex M系列在处理能力基本与ARM7同,主要是成本低,功耗小。
产品构造
synchronous serial 总线
完全可编程的16C550-型 UART
两个独立的模拟比较器
可配置为输出来驱动一个输出引脚,或产生一个中断
可在外部输入引脚或外部输入引脚和内部参考电压之间比较
2到18个GPIO 这取决于用户的配置
在所有的引脚上具有可编程的GPIO中断,可以边沿触发或电平触发
可编程的GPIO 衬垫配置:
弱上拉或下拉电阻
2 mA, 4 mA, and 8 mA 衬垫驱动
8 mA驱动斜率控制
开漏使能
数字输入使能
片内LDO电压调整器
处理器低功率选项:睡眠模式和深度睡眠模式
外设低功率选项:软件控制关闭个别外设
用户使能的LDO 未调整电压检测和自动复位
通过中断或复位方式检测并报告3.3 V 电源电压下降
IEEE 1149.1-1990 兼容的TAP控制器
经过 JTAG 或串行线调试
28脚SOIC
商业或工业级工作温度
LM3S316 比 LM3S101 的增强如下:
25 MHz下工作
8级优先级的24个中断通道
16 kB 的单周期flash存储器,在2 kB块的基础上提供2种形式的flash保护。
4 kB 的单周期SRAM存储器
4 通道 10-bit ADC 250K采样/秒
片内温度传感器
4个专用的电机控制PWM 输出
I2C 主从收发 传输速度100 kbps标准模式 400 kbps高速模式
3到32个GPIO 这取决于用户的配置
48脚SOIC
责任编辑:David
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