第4章　USB設(shè)備硬件電路設(shè)計(jì)

本書要實(shí)現(xiàn)的USB設(shè)備是一個(gè)基于STM32F103C8T6單片機(jī)的最小系統(tǒng)，其相應(yīng)的電路原理圖如圖4.1所示。

為了讓STM32F103C8T6單片機(jī)能夠正常工作，首先必須給其供電引腳提供合適的電源電壓。VDD與VSS分別為單片機(jī)內(nèi)部數(shù)字邏輯電路的供電電源與公共地引腳，將它們分別連接起來一起供電即可。為保證電路工作的穩(wěn)定性，還為每一對VDD與VSS引腳配置了一個(gè)100nF的旁路電容。VDDA與VSSA是單片機(jī)內(nèi)部模擬電路（如模數(shù)轉(zhuǎn)換器、RC振蕩器、鎖相環(huán)等）的供電引腳，我們將它們分別與VDD與VSS連接，并且配置了一個(gè)100nF的旁路電容。

那么STM32F103C8T6單片機(jī)的電源供電電壓應(yīng)該是多少呢？根據(jù)其數(shù)據(jù)手冊中的說明，VDD供電范圍為2～3.6V。如果對功耗有較高要求，則可以考慮使用低壓供電（如2.4V）。此處我們并沒有特殊要求，所以選擇了更常用的3.3V，它由型號為LM1117的低壓差線性調(diào)整器（Low Dropout Regulator,LDO）芯片從USB接口（J3）的VBUS（+5V）獲得，LDO芯片輸入與輸出引腳并聯(lián)的4.7μF的旁路電容可以進(jìn)一步保證工作的穩(wěn)定性。

我們還需要配置一個(gè)振蕩時(shí)鐘源作為系統(tǒng)工作時(shí)鐘，這樣單片機(jī)才能按一定的時(shí)鐘頻率執(zhí)行程序代碼。STM32F103C8T6單片機(jī)的系統(tǒng)工作時(shí)鐘可以來源于內(nèi)部RC振蕩器或外部晶體。如果僅僅作為一般的應(yīng)用（要求不高），則可以考慮選擇RC內(nèi)部振蕩源，這樣可以簡化電路設(shè)計(jì)而降低硬件成本。由于USB的傳輸速率比較高，對時(shí)鐘頻率的穩(wěn)定度要求更高，因此我們決定采用外掛晶體（頻率范圍為4～16MHz，本例為8MHz）的方案，它與兩個(gè)匹配電容（典型的容值范圍為5～25pF，本例為22pF）及一個(gè)反饋電阻（阻值為1MΩ）配合單片機(jī)的內(nèi)部電路構(gòu)成振蕩源。

如果需要復(fù)位功能，也可以如圖4.1所示連接一個(gè)輕觸按鍵，由于NRST引腳內(nèi)部已經(jīng)集成了約40kΩ的上拉電阻，因此并沒有再額外連接上拉電阻。

大多數(shù)單片機(jī)經(jīng)過電源、振蕩時(shí)鐘、復(fù)位相關(guān)引腳的處理后即可正常工作，但對于STM32F103FC8T6單片機(jī)仍然不夠，還必須設(shè)置正確的啟動模式（Boot Mode），相關(guān)的兩個(gè)引腳為BOOT0與BOOT1，其功能如表4.1所示。

主Flash存儲器（Main Flash Memory）是將固件下載到單片機(jī)后的目標(biāo)存儲區(qū)，其功能與前述用來存儲固件的ROM相同，只不過Flash存儲器是可讀可寫的，也是目前單片機(jī)固件的主流存儲器，芯片正常工作時(shí)會從該區(qū)域啟動程序執(zhí)行過程，這也是產(chǎn)品出貨時(shí)應(yīng)該設(shè)置的啟動模式。系統(tǒng)存儲器（System Memory）是芯片內(nèi)部一塊特定的ROM區(qū)域，STM32單片機(jī)出廠時(shí)在該區(qū)域預(yù)置了一段啟動代碼（Boot Loader），也就是我們常說的在系統(tǒng)編程（In System Program, ISP）程序（出廠后無法修改），它提供了串口下載程序的固件，可以借此將固件下載到主Flash存儲器中。內(nèi)置SRAM（Embedded SRAM）模式一般用于程序調(diào)試，大家了解一下即可。

總體上，如果使用JTAG或SWD接口下載固件，使用主Flash存儲器啟動模式即可。當(dāng)然，這兩種接口需要使用特殊的固件下載器。如果你手中只有串口，而你又不想花錢置辦JTAG或SWD接口下載器，那么你可以先將單片機(jī)設(shè)置為系統(tǒng)存儲器啟動模式，這樣即可將固件下載到Flash存儲器，但需要注意的是：每次下載固件成功后，仍然需要重新切換到主Flash存儲器啟動模式，然后復(fù)位（或重啟電源）才能正常運(yùn)行。

為了方便后續(xù)的硬件調(diào)試工作，我們使用兩個(gè)10kΩ的電阻將引腳BOOT1與BOOT0下拉到地（而不是直接將它們與公共地相連），這意味著默認(rèn)的啟動模式為主Flash存儲器，這樣在必要的情況下，我們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^插座（J1與J2）調(diào)整BOOT1與BOOT0的電平狀態(tài)而改變啟動模式。

在完成供電電源、振蕩源、復(fù)位、啟動模式的電路設(shè)計(jì)后，STM32F103C8T6單片機(jī)就可以正常工作了（還有一些其他引腳，我們不必理會，有興趣的可自行參考相關(guān)資料），接下來的工作就是將需要使用到的引腳與相應(yīng)的外圍器件進(jìn)行連接即可。

STM32F10x系列的單片機(jī)（含STM32F103C8T6）將所有使用到的I/O引腳劃分為PA～PG（共7組），每組最多有16個(gè)引腳（例如，PA組包含的引腳為PA0，PA1，PA2，…，PA14，PA15，其他以此類推），所以理論上最多支持112個(gè)IO引腳。當(dāng)然，并不是所有STM32F10x系列的單片機(jī)都有這么多引腳。例如，STM32F103C8T6單片機(jī)為LQFP48封裝，最多可用的IO引腳數(shù)量為32個(gè)。當(dāng)然，有些I/O引腳與一些特殊功能引腳是復(fù)用的。例如，USB控制器的差分信號線D+、D-分別對應(yīng)PA12、PA11，如果你要使用IO引腳控制LED（或讀取按鍵）的狀態(tài)，這兩個(gè)引腳自然是不能使用的（除非你的應(yīng)用中沒有使用到USB控制器）。表4.2列出了圖4.1所示USB設(shè)備硬件中的IO引腳資源規(guī)劃。

將4個(gè)發(fā)光二極管（D1～D4）以低有效的方式與單片機(jī)的引腳相連，7個(gè)輕觸按鍵（K1～K7）則以高有效的方式與單片機(jī)的引腳相連（K8為復(fù)位按鍵），同樣也沒有給這些引腳添加下拉電阻，因?yàn)槲覀兛梢栽谠创a中使能STM32單片機(jī)內(nèi)部已經(jīng)集成的下拉（或上拉）電阻。

最后，將USB控制器相關(guān)的D+、D-信號線與USB接口連接即可。需要注意的是，D+與D-屬于差分信號對，在進(jìn)行PCB布線時(shí)一般遵循“等長等距”的原則（等長優(yōu)先），在要求較高的場合下，還需要進(jìn)行線寬、線距的計(jì)算，并與PCB廠家聯(lián)系進(jìn)行阻抗控制。如圖4.2所示為USB差分線PCB布線示例。

需要特別注意的是：信號線D+與VDD之間連接了一個(gè)1.5kΩ的上拉電阻，為什么要這么做呢？它用來給“主機(jī)檢測設(shè)備支持速率模式”提供判斷依據(jù)！我們前面已經(jīng)提過，USB 2.0支持低速、全速與高速三種模式，那么主機(jī)通過什么來判斷USB設(shè)備支持哪種模式呢？主機(jī)就是根據(jù)D+或D-的引腳電平來判斷USB設(shè)備是支持低速還是支持全速的。

USB 2.0規(guī)范已經(jīng)明確指出，主機(jī)（或集線器）端的D+、D-引腳均連接了阻值約為15kΩ的下拉電阻，這也就意味著：在沒有USB設(shè)備與主機(jī)（或集線器）連接時(shí)，D+與D-信號線都是低電平。如果你的設(shè)備支持低速模式，則應(yīng)該在信號線D-連接約1.5kΩ的上拉電阻，如果你的設(shè)備支持全速模式，則應(yīng)該在信號線D+連接約1.5kΩ的上拉電阻（上拉電平的范圍為3.0～3.6V，典型值為3.3V），如圖4.3所示。

在實(shí)際工作中，USB主機(jī)會不斷地（每隔一般時(shí)間）查詢根集線器，通過檢查信號線D+與D-的電平變化來了解USB設(shè)備的連接狀態(tài)。當(dāng)集線器檢測到電平發(fā)生變化時(shí)，就會報(bào)告給USB主機(jī)（或者通過上一層的集線器報(bào)告給USB主機(jī)），這樣就能檢測到USB設(shè)備的插入了。換句話說，即使你只是通過一個(gè)電阻單純地將主機(jī)端的信號線D-或D+上拉到高電平，操作系統(tǒng)也會提示：已經(jīng)發(fā)現(xiàn)新硬件，但是無法識別該USB設(shè)備。Windows 10操作系統(tǒng)的提示如圖4.4所示。

如果此時(shí)進(jìn)入圖4.5所示的“設(shè)備管理器”界面，就會發(fā)現(xiàn)“通用串行總線控制器”項(xiàng)下面增加了一項(xiàng)“未知USB設(shè)備（設(shè)備描述符請求失敗）”，前面的USB圖標(biāo)上面掛了一個(gè)“帶感嘆號的黃色三角形”，這意味著該設(shè)備沒有正確加載驅(qū)動程序。