STM32F103xx系列单片机介绍

【综合文库】

《智能仪表》网络作业

STM32F103xx系列单片机介绍

STM32F103xx增强型系列由意法半导体集团设计，使用高性能的ARMCortex-M332位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN。

1、结构与功能

■内核：ARM32位的Cortex?-M3CPU

?72MHz，1.25DMips/MHz（Dhrystone2.1），0等待周期的存储器 ?支持单周期乘法和硬件除法 ■存储器

?从32K字节至512K字节的闪存程序存储器（STM32F103xx中的第二个x表示FLASH容量，其中：“4”=16K，“6”=32K，“8”=64K，B=128K，C=256K，D=384K，E=512K） ?从6K字节至64K字节的SRAM ■时钟、复位和电源管理 ?2.0至3.6伏供电和I/O管脚

?上电/断电复位(POR/PDR)、可编程电压监测器(PVD) ?内嵌4至16MHz高速晶体振荡器 ?内嵌经出厂调校的8MHz的RC振荡器 ?内嵌40kHz的RC振荡器 ?PLL供应CPU时钟

?带校准功能的32kHzRTC振荡器 ■低功耗

?睡眠、停机和待机模式 ?VBAT为RTC和后备寄存器供电

■2个12位模数转换器，1us转换时间(16通道) ?转换范围：0至3.6V ?双采样和保持功能 ?温度传感器 ■DMA

?7通道DMA控制器

?支持的外设：定时器、ADC、SPI、I2C和USART ■多达80个快速I/O口

?26/37/51/80个多功能双向5V兼容的I/O口 ?所有I/O口可以映像到16个外部中断

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■调试模式

?串行线调试(SWD)和JTAG接口 ■多达7个定时器

?多达3个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道

?16位6通道高级控制定时器 ?多达6路PWM输出

?死区控制、边缘/中间对齐波形和紧急制动 ?2个看门狗定时器(独立的和窗口型的) ?系统时间定时器：24位自减型 ■多达9个通信接口

?多达2个I2C接口(SMBus/PMBus)

?多达3个USART接口，支持ISO7816，LIN，IrDA接口和调制解调控制 ?多达2个SPI同步串行接口(18兆位/秒) ?CAN接口(2.0B主动) ?USB2.0全速接口

■ECOPACK?封装（兼容RoHS）

2、特点概述

ARM?的Cortex?-M3核心

ARM的Cortex-M3处理器是最新一代的嵌入式ARM处理器，它为实现MCU的需要提供了低成本的平台、缩减的管脚数目、降低的系统功耗，同时提供卓越的计算性能和先进的中断系统响应。ARM的Cortex-M3是32位的RISC处理器，提供额外的代码效率，通常在8和16位系统的存储空间上得以体现ARM核心的高性能。

STM32F103xx增强型系列拥有内置的ARM核心，因此它与所有的ARM工具和软件兼容。

嵌入式Flash存储器和RAM存储器

最新STM32F103xE型拥有高达512K字节的内置闪存存储器，用于存放程序和数据。多达64KB的嵌入式SRAM可以以CPU的时钟速度进行读写（不待等待状态）。

模拟/数字转换器（ADC）

STM32F103xx增强型产品内嵌2个12位的模拟/数字转换器(ADC)，每个ADC有多达16个外部通道，可以实现单次或扫描转换。在扫描模式下，转换在选定的一组模拟输入上自动进行。

ADC接口上额外的逻辑功能允许： 1、同时采样和保持； 2、交叉采样和保持；

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3、单次采样。

模拟看门狗功能允许非常精准地监视一路、多路或所有选中的通道，当被监视的信号超出预置的阀值时，将产生中断。由标准定时器(TIMx)和高级控制定时器(TIM1)产生的事件，可以分别内部级联到ADC的开始触发、外部触发和DMA触发，以使应用程序能同步AD转换和时钟。

可变静态存储器（FSMC）

FSMC嵌入在STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE中，带有4个片选，支持一下模式：Flash、RAM、PSRAM、NOR和NAND。3个FSMC中断线经过OR后连接到NVIC。没有读/写FIFO，除PCCARD之外，代码都是从外部存储器执行，不支持Boot，目标频率等于SYSCLK/2，所以当系统时钟是72MHz时，外部访问按照36MHz进行。

嵌套矢量中断控制器（NVIC）

可以处理43个可屏蔽中断通道（不包括Cortex-M3的16根中断线），提供16个中断优先级。紧密耦合的NVIC实现了更低的中断处理延迟，直接向内核传递中断入口向量表地址，紧密耦合的NVIC内核接口，允许中断提前处理，对后到的更高优先级的中断进行处理，支持尾链，自动保存处理器状态，中断入口在中断退出时自动恢复，不需要指令干预。

外部中断/事件控制器（EXTI）

外部中断/事件控制器由用于19条产生中断/事件请求的边沿探测器线组成。每条线可以被单独配置用于选择触发事件（上升沿，下降沿，或者两者都可以），也可以被单独屏蔽。有一个挂起寄存器来维护中断请求的状态。当外部线上出现长度超过内部APB2时钟周期的脉冲时，EXTI能够探测到。多达112个GPIO连接到16个外部中断线。

时钟和启动

在启动的时候还是要进行系统时钟选择，但复位的时候内部8MHz的晶振被选用作CPU时钟。可以选择一个外部的4-16MHz的时钟，并且会被监视来判定是否成功。在这期间，控制器被禁止并且软件中断管理也随后被禁止。同时，如果有需要（例如碰到一个间接使用的晶振失败），PLL时钟的中断管理完全可用。多个预比较器可以用于配置AHB频率，包括高速APB(PB2)和低速APB（APB1），高速APB最高的频率为72MHz，低速APB最高的频率为36MHz。

Boot模式

在启动的时候，Boot引脚被用来在3种Boot选项种选择一种：从用户Flash导入，从系统存储器导入，从SRAM导入。Boot导入程序位于系统存储器，用于通过USART1重新对Flash存储器编程。

电源供电方案

VDD，电压范围为2.0V-3.6V，外部电源通过VDD引脚提供，用于I/O和内部调压器。VSSA和VDDA，电压范围为2.0-3.6V，外部模拟电压输入，用于ADC，复位模块，RC和PLL，在VDD范围之内（ADC被限制在2.4V），VSSA和VDDA必须相应连接到VSS和VDD。VBAT，

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电压范围为1.8-3.6V，当VDD无效时为RTC，外部32KHz晶振和备份寄存器供电（通过电源切换实现）。

电源管理

设备有一个完整的上电复位（POR）和掉电复位（PDR）电路。这条电路一直有效，用于确保从2V启动或者掉到2V的时候进行一些必要的操作。当VDD低于一个特定的下限VPOR/PDR时，不需要外部复位电路，设备也可以保持在复位模式。设备特有一个嵌入的可编程电压探测器（PVD），PVD用于检测VDD，并且和VPVD限值比较，当VDD低于VPVD或者VDD大于VPVD时会产生一个中断。中断服务程序可以产生一个警告信息或者将MCU置为一个安全状态。PVD由软件使能。

电压调节

调压器有3种运行模式：主（MR），低功耗（LPR）和掉电。MR用在传统意义上的调节模式（运行模式），LPR用在停止模式，掉电用在待机模式：调压器输出为高阻，核心电路掉电，包括零消耗（寄存器和SRAM的内容不会丢失）。

低功耗模式

STM32F103xx支持3种低功耗模式，从而在低功耗，短启动时间和可用唤醒源之间达到一个最好的平衡点。休眠模式：只有CPU停止工作，所有外设继续运行，在中断/事件发生时唤醒CPU；停止模式：允许以最小的功耗来保持SRAM和寄存器的内容。1.8V区域的时钟都停止，PLL，HSI和HSERC振荡器被禁能，调压器也被置为正常或者低功耗模式。设备可以通过外部中断线从停止模式唤醒。外部中断源可以使16个外部中断线之一，PVD输出或者TRC警告。待机模式：追求最少的功耗，内部调压器被关闭，这样1.8V区域断电。PLL,HSI和HSERC振荡器也被关闭。在进入待机模式之后，除了备份寄存器和待机电路，SRAM和寄存器的内容也会丢失。当外部复位（NRST引脚），IWDG复位，WKUP引脚出现上升沿或者TRC警告发生时，设备退出待机模式。进入停止模式或者待机模式时，TRC,IWDG和相关的时钟源不会停止。

3.详细介绍一款实际工作中智能仪表（要求原理30%、功能20%和应用10%）。

单相费控智能电能表介绍

1、单相费控智能电能表的总体结构

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在对智能电能表硬件系统进行设计时，按照各自不同的功能，我们可以将其划分为若干模块，因此在系统硬件设计时，采用模块化的设计方案。按照各部分实现的不同功能，系统硬件部分整体结构包括以下几部分：信号采样部分、电能计量部分、MCU部分、液晶显示部分、时钟部分、存储部分、电源部分、485通信部分、红外通信部分、ESAM安全块、继电器控制以及脉冲信号输出等几部分组成。系统硬件整体结构框图如下：

图1 系统硬件整体结构框图

单相费控智能电能表的基本原理是：被测交流电压和交流电流经过高精度采样后送到专用电能计量芯片（即图中ATT7053A）经过一系列数字处理，转换成与有功功率成正比的脉冲信号，并进行脉冲输出，微处理器（78K0527A）将脉冲信号依据所属时段进行分时累计，得到总电量和各时段电量，并将结果保存到E2PROM中。同时完成相关数据的显示以及与远程上位机的通讯。

⑴在整个系统中，微控制器（即MCU）部分是系统控制核心，通过SPI和I2C总线方式与外部相关模块进行通信，控制着其外围各模块的运行状态。

⑵计量模块采用高精度的电能专用计量芯片，完成对采样电压和电流信号进行相关运算和处理，实现功率测量并进行脉冲信号输出等。计量芯片是整个电能计量的核心部分。

⑶时钟模块部分能为电表提供精确的计时，微控制器通过I2C方式每间隔一定时间读取