【PCB】3. 信号部分设计

 在之前的学习中，我偏向的多是嵌入式软件开发的工作，如果想要自己diy一款具备特定功能的嵌入式工具的话，还需要具备画板子的能力。但由于我目前还没学模电，故我打算直接找个b站的学习视频先跟着画个板子出来，简单理解各个模块的功能，后续再详细了解其内部原理。

我选择的课程是expert实验室的PCB大师篇教学视频，链接如下：

【大师篇】8-stm32开发板原理图设计（单片机最小系统）_哔哩哔哩_bilibili

我将跟随教程做一个stm32f103vet6开发板出来，具体需求和方案如下：

接下来，我会尽可能以博客的形式将我每期的学习总结下来，仅供交流，如有谬误，欢迎指正。

本系列博客目录如下：

【PCB】1. 芯片选型及电源电路设计-CSDN博客

【PCB】2. 单片机最小系统设计-CSDN博客

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1. 本节概述

1.1. 信号部分组成

简单来说，信号部分由以下几个部分组成：

1. USB接口。

2. ADC/DAC接口

3.通信接口，包括SPI、IIC、串口

4. LED电路。

5. 按键电路。

6. 下载电路，包括SWD下载和串口自动下载电路。

7. M3螺丝孔，用于固定。

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2. 总体原理图及BOM表

2.1. 总体原理图

最终，信号部分的原理图页如下：

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2.2. BOM表

Designator	Footprint	Value	Manufacturer Part
BT1	BAT-SMD_CR1220-2ZX		CR1220-2ZX
C1,C2	CAP-SMD_BD5.0-L5.3-W5.3-FD	4.7uF	EMVE500ADA4R7ME55G
C3,C7,C9,C11,C12,C13,C14,C15,C16,C17,C18,C24,C25,C26,C27,C28	C0603	100nF
C4	C0603	10nF
C5,C6	CAP-SMD_BD5.0-L5.3-W5.3-FD	47uF	EMVE500ADA4R7ME55G
C8,C10	C0603	10UF
C19	C0603	10uF
C20,C21	C0603	20pF
C22,C23	C0603	10pF
CN1	CONN-TH_2P-P3.81_MX128L-3.81-GN01-02P-CU-Y-A		MX128L-3.81-02P-GN01-Cu-Y-A
D1	SOT-23-3_L2.9-W1.3-P1.90-LS2.4-BR		BAT54C
D2	SOD-123FL_L3.0-W1.8-LS3.7-RD		1N4007W
DC1	DC-005_2.5
H1	HDR-TH_6P-P2.54-V-R2-C3-S2.54_A2541WV-2X3P
H2,H3	HDR-TH_46P-2.54-V-M-R2-C23-S2.54		X6521WV-2x23H-C60D30
H4	HDR-TH_4P-P2.54-V-M
L1	IND-SMD_L7.3-W6.6		15uH
LED1,LED2,LED3,LED4,LED5	LED_0603
P1,P2,P3	CONN-SMD_XH2.54-4PSMD		CONN-SMD_XH2.54-4PSMD
Q1	SOT-23-3_L2.9-W1.3-P1.90-LS2.4-BR		S8550
Q2	SOT-23-3_L2.9-W1.3-P1.90-LS2.4-BR		S8050
R1,R2,R13,R14	R0603	5.1K
R3	R0603	3.16K
R4,R10,R11,R12,R15,R27	R0603	10K
R5,R16,R17,R18	R0603	2K
R6	R0603	3K
R7,R8	R0603	0
R9,R28,R29,R30	R0603	1K
R19,R20,R21,R22,R23,R24,R25,R26	R0603	4.7K
SCREW1,SCREW2,SCREW3,SCREW4	M3螺丝
SW1,SW2,SW3,SW4	SW-SMD_4P-L6.0-W6.0-P4.50-LS9.0-2
U1,U3	SMA_L4.2-W2.6-LS5.1-RD		SS54
U2	SOIC-8_L4.9-W3.9-P1.27-LS6.0-BL-EP		TPS5450QDDARQ1
U4	SW-SMD_YSSP2AG00		YSSP2AG00
U5	F1206		JK-nSMD005/60V
U6	SOT-223-3_L6.5-W3.4-P2.30-LS7.0-BR		AMS1117-3.3
U7	LQFP-100_L14.0-W14.0-P0.50-LS16.0-BL		STM32F103VET6
U8	SOT-23-3_L2.9-W1.3-P1.90-LS2.4-BR		TL431
U9,U10,U11,U12	SMA-TH_HL-SMA-KHD2	6GHz	HL-SMA-KE-02
U13,U14	CONN-SMD_6P-P2.50-H		XH2.54mm-LI-6P
U15	SOP-16_L10.0-W3.9-P1.27-LS6.0-BL		CH340C
USB1,USB2	USB-C-SMD_KH-TYPE-C-16P		HC-TYPE-C-16P-01B
X1	CRYSTAL-SMD_4P-L3.2-W2.5-BL_SIT8008BI	8MHz	XL2EL89CSI-111YLC-8M
X2	OSC-SMD_L3.2-W1.5	-	SF32WK32768D31T002

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3. 模块设计细节

这部分的讲解可能会因为我在模电知识上的缺乏导致错误，欢迎各位指正！

3.1. USB接口

这部分其实跟第一阶段画USB供电(【PCB】1. 芯片选型及电源电路设计-CSDN博客)时的原理图很像，区别在于USB的两个正负极接口要跟单片机上的USB复用IO口相接，关于到底哪个IO口可以复用USB，可以在数据手册中找到答案：

注意由于USB通信协议的要求，USBP上应该接一个10k的上拉电阻。

3.2. ADC/DAC接口

3.2.1. ADC接口

这个ADC座子的四个接口接地散热，一个接口与STM32上的ADC接口相接，同样，我们可以在数据手册上找到哪些IO口可以复用为ADC接口。

3.2.2. DAC接口

同ADC接口类似，我们仍旧将重点放在寻找可以复用为DAC接口的IO口即可：

3.3. 通信接口

3.3.1. SPI接口

这里的SPI采用的是软件模拟SPI，效果一般会比硬件SPI好一些。我们先简要知道SPI通信的四个引脚的基本含义即可：

SPI_CSS:片选引脚，由该引脚决定主机与哪个从机通信。

SPI_CLK:时钟引脚，用于实现同步通信。

SPI_MISO:主进从出引脚，用于主机向从机传递数据。(master in server out)

SPI_MOSI:主出从进引脚，用于从机向主机传递数据。(master out server in)

注意，由于是软件模拟，这里的四个GPIO口随意选就可以，因为本质是通过改变IO口的电平状态来模拟通信时序。

3.3.2. IIC接口

跟SPI类似，IIC我们同样采用软件模拟，核心的两条线是SCL(时钟线)和SDA(数据线)，不过需要注意的是软件模拟IIC时，为了避免同一线上多个从机带来的短路风险，一般会将GPIO配置为开漏输出模式，因此在硬件上需要在外设置4.7k的上拉电阻。

同样，这里用于模拟SCL和SDA的两个IO口任选两个GPIO就可以。

3.3.3. 串口接口

与之前的软件模拟不同，串口通信我们直接使用STM32自带的串口通信引脚，因此我们需要查看STM32的数据手册以确定哪些IO口可用来复用为串口：

值得注意的是，我们在原理图上还加了两个上拉电阻，其目的是为了让该接口也可复用为IIC接口。当我们需要该接口作为串口使用时，就不焊那两个上拉电阻，IO配置为串口模式；如果需要将该接口作为IIC通信接口使用，则需要焊上上拉电阻，IO配置为开漏输出模式。

3.4. LED电路

LED电路较为简单，不过需要注意的是此处的配置为低电平有效，即当我们手动将PB6、PB7、PD8的电平置低时，灯才会亮。设置为低电平有效的原因是这样比用IO做正极带来的驱动能力更强，灯也会更亮。

3.5. 按键电路

按键电路也比较简单，注意使用一个滤波电容来做消抖。

3.6. 下载电路

3.6.1. SWD下载

观察数据手册我们可以发现STM32的PA13和PA14是用来SWD下载的，因此我们用短接标识符做说明：

3.6.2.串口自动下载

关于自动下载电路部分，我只能阐述其功能，关于其原理更推荐大家去看原UP主的视频：

【大师篇】9-stm32开发板原理图设计（接口部分）_哔哩哔哩_bilibili

总的来说，我们将typec接口与CH340芯片连接，该芯片通过控制RTS和DTR的电平状态来实现串口自动的固件下载。

需要注意的是，PA9和PA10要与CH340的RXD和TXD交叉连接：

这个电路是STM32中比较常见的自动下载方案。

3.7. M3螺丝孔

螺丝孔就没什么好说的了，功能是用于固定。

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总结

本文讲解了项目-stm32f103vet6开发板设计的信号设计部分，主要模块包含USB接口、ADC/DAC接口、通信接口、LED电路、按键电路、下载电路。