【枫叶分享】大家一起来学习STM32工业级控制板制作及开发

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在论坛上沉默了一段时间了，今天为大家分享一些自己的东西，希望对那些入门的“小白”工程师们有所帮助，那些精通STM32的高手和大侠们，也欢迎来交流和指导，并给我们的设计提出宝贵经验，真是不胜感谢！

   无论你是学生还是刚毕业的工程师，在进入工业控制领域的应用中，不可避免地要使用MCU进行控制板的硬件设计和软件设计。当今的MCU型号众多，层出不穷，让一些刚入此门的“攻城师”们有点无所适应，到底哪个MCU才是适合的。现在8位的51/STC/PIC/AVR仍然火热，MSP430越来越低功耗，ARM-MO/M3/M4内核更是红了半别天。在这么多型号中，找到适合自己的MCU还是要花费一些时间的。俗话说，“样样通，不如一样精”，MCU的原理都是一样的，当你花费很多时间去熟悉不同MCU型号开发的同时，还不如多拿出些时间来，专门研究一种或几种MCU型号，人的精力毕竟是有限的，对新手来说，同时精通几种MCU产品开发是很难的。因为应用场合的不同，比较好的方法是，在8位/16位/32位产品中，各自找一个代表性的产品进行深入研究。

   因为不同厂家的推广力度不同，现在在32位MCU应用中，比较热门的当属ST系列产品，ST产品M0/M3/M4更是型号众多，选择广泛，在硬件设计中，你不可能把花费几个月时间设计的控制板上的控制器型号轻易改变，这样的时间成本太昂贵了。因此，我们在选择ST控制器型号上，也是费了不少心思，最终选择了一款STM32F103VCT6控制器芯片，这个引脚兼容STM32F107VCT6,100PIN,资源适合，速度够快，对于一般的工业控制应用足够了。

STM32工业级控制板硬件设计讲解

我们在与非平台的摩尔吧上，发布了基于这个控制板的硬件讲解视频。链接如下：现在课程是免费的，大家有感兴趣的，可以去观看
   http://www.moore8.com/courses/164#/course/164
STM32工业级控制板硬件简介：
这个是控制板实物图片。

硬件资源：
1、电源供电：12V-40V宽输入范围，带过压保护，过流保护。
2、两级供电方式：LM2575/LM2576DC-DC开关电源--5V输出，AMS117-3.3V-3.3V输出。
3、数字量输出：8路达林顿管ULN2803带光耦隔离输出，外部12-24V独立DC-DC芯片供电，每路IO驱动能力500mA。
4、模拟量输入：8路光耦隔离输入通道，每两路共用一地平面，带74HC245芯片驱动。
5、继电器输出：8路达林顿管ULN2803带光耦隔离输出，外部12-24V独立DC-DC芯片供电，带阻容电流吸收，每路最大4A电流，带自恢复保险。
6、主芯片:    100QFP封装的STM32F103VCT6。支持SWD方式下载及仿真调试。
7、板载一个蜂鸣器：采用2N7002 MOS管驱动。
8、板载RTC实时时钟，CR1220封装电池座。
9、板载 Fujitsu MB85RC04 铁电存储器容量512字节。
10、板载RS232/RS485通信接线端子，方便外接扩展子板。
11、板载MORNSUN隔离电源模块：
分为：5V输入，带隔离5V/100mA输出
      24V输入，带隔离+-12V/200mA输出，外部端子引出。
12、LCD接口：
带有FPC液晶屏接口，兼容RA8806 5.7英寸320*240工业级触摸屏，FSMC 8位-总线方式驱动
带有40PIN TFT液晶屏接口，兼容目前常用ILI9320/ILI9341/SSD1289等液晶屏，FSMC 16位-总线方式驱动
13、引出6路PWM引脚及霍尔接口引脚，可以实现BLDC电机驱动及DAC输出
14、采用2路运放芯片：TI LMC6484A芯片。
外部2.048V参考源:  TI  LM4040A20芯片
可实现两路0-10V模拟电压采集，两路0-200mA的电压采集。
15、外扩SPI总线，可以外接24bitADC,满足高精度数据采集应用。
16、采用工业级接线端子，引脚支持热插拔。

大家一起来学习计划：

在这里，如果有对控制板感兴趣的，可以跟帖留言，想对板子保留那些功能，去掉那些功能，
增加那些功能（现在的板子成本很高！）打造一个属于自己的DIY硬件平台。我们修改后的板子，会将整体价格降至一个合理水平，然后打样PCB，大家可以自己购买元器件，进行焊接。
作为爱板论坛的版主，我们支持论坛发展壮大！如果计划可行，PCB板子会有大家喜爱的爱板LOGO的

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2015年3月20日新增内容：
看到有些朋友对板子感兴趣，很感谢大家的支持！这个板子14年9月份左右已经完成，下面是效果图：

因考虑论坛网友以学生为主，板子器件资源较多，全部焊接完成，可能要超过百元，考虑到大家的经济能力，本版没有打样。后期会考虑制作一个简易的版本，将整体成本控制在100元以内。如果您对板子敢兴趣，想参与DIY计划，请在管管员 @小菜儿处报个名，当人数积累到50人以上时，可以打样，来降低设计成本！
再次感谢大家的支持！

按照xinxin老大的要求，我把在德仪上关于运放部分内容更新到此贴下，欢迎大家讨论：
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基于LMC6484A和LM4040A20的传感器电压调制电路实现

在工业级应用中，我们需要处理各种各样的传感器信号，比如压力传感器，温湿度传感器、水位传感器、霍尔传感器和温度变送器等等。这些传感器目前常用的输出信号有4-20mA电流型，0-10V的电压输出。前者在处理时，需要额外增加芯片转换成电压，为电路增加一些成本，在非远距离传输中，后者则更有优势。在面对0-10V的电压信号采集时，是不能直接通过MCU进行采集处理的，因为目前常用的MCU供电一般是3.3V，最大支持的电压不能超过3.3V，这样的话就得用额外的电压调制电路实现，其中比较简单的实现方法就是利用运放芯片来实现，通过运放芯片将0-10V的电压转换为0-3.3V的电压，然后进入MCU的ADC进行采集并处理。下面是一个示意图：

在实现电压调整电路时，要考虑选择正确的运放芯片和外部参考源（一般这样的情况下，不建议使用MCU内部自带参考）。选择芯片时，要做综合考虑，成本是一个重要因素，TI有很多优秀的芯片，但价格高。经过半天时间，终于确定了芯片型号，这就是LMC6484A和LM4040A20这个2.048V的精密参考源。芯片详细介绍可以上官网上具体查看。
http://www.ti.com.cn/product/cn/lmc6484
http://www.ti.com.cn/product/cn/lm4040a20
LMC6484A是一款轨到轨的运放，SOIC14封装，可以双电源也可以单电源，在设计时，采用了3.3V单电源供电方式。LM4040A20是个微功耗并联电压参考，采用SOT-23封装，使用时仅在电源端串联一个限流电阻即可。下面是此电路调整部分的原理图：
这个是电源电路和参考源电路，注意要串接精密电阻，这里采用16K%1精度。

这个是运放电路：

         此电路的电压计算公式如下：
   设输入电压为Vin,输出电压为Vout,参考源电压为Vref,则公式为：
            Vout= 1.2*Vref – 0.2*Vin,
在这里，我们用的Vref=2.048V,则
            Vout= 1.2*2.048-0.2*Vin= 2.4576 -0.2*Vin.
也就是，当Vin=0V时，Vout=2.4576V,当Vin=10V时，Vout=0.4576V,这样，利用此电路，就实现了0-10V的传感器电压信号到0-3.3V范围内的电压转换，剩下的交给MCU的ADC处理就行了。
      在设计电路板之前，采用了TINA仿真软件对电路进行了仿真，效果不错，下面是仿真截图：

仿真结果跟理想计算公式得出的数据时一致的。在确认无任何问题后，我们设计了控制电路板，下面是对板载电压调整电路部分测试的图片。经过数据分析，理论设计与实际设计符合。

图中采用了两片LMC6484A运放U13/U14,U16为电压参考源,整个阻容元件都采用了1%精度的贴片元件。上电后，测试电压参考源：

      Vref=2.0463V,计算一下精度：0.08%，手册上说是1%的精度，看来实际性能还要好，那个是保守的精度值，TI产品的确很给力！在确定好了参考源电压后，我们计算理论值就应该按照Verf=2.0463来算，就不是原来的2.048V，这样，电压计算公式变为：
      Vout= 1.2*2.0463-0.2*Vin= 2.45556 -0.2*Vin.
      利用信号源输出0-10V的电压对电路进行测试，
      下图，当Vin=0V时，输出Vout=2.4544V。理论值：V=2.45556V