基于STM32F103控制电路的一种芯片替代优化设计方案

严宁 彭富伦 赵青林 陈洪彩 李松 曹越

（西安应用光学研究所，陕西 西安 710065）

0 引言

以集成电路为代表的各种电子元器件，广泛应用于计算机、电力、金融、通信设备等公共设施和航空、航天、电子、船舶和工业等各种装制和设备上。我国电子元器件产业虽然起步并不晚，但受各种因素的影响，在元器件的门类、品种、性能和质量可靠性方面与国外产品相比都有较大差距，特别是集成电路、光电子器件、电真空器件等类别差距更大[1]。

目前我国电子设备选用进口电子元器件主要面临停产断档、出口限制与禁运、存在安全隐患、假冒伪劣以及筛选测试困难等多种问题。拥有自主知识产权的集成电路已日益成为经济发展的命脉、社会进步的基础、国际竞争的筹码甚至国家安全的保障[2]。

近年来，我国信息化关键软硬件技术得到了长足发展，特别是基础电子元器件性能有了大幅度提升[3]；我国生产元器件的研制单位及生产厂家越来越多，电子元器件自主研发已取得长足的发展，有些元器件已经设计完成并通过鉴定[4]。但由于受到进口厂家占比大，装备研究单位众多，每个单位对装备电子元器件的控制水平和方式不同的影响，导致我国在装备电子元器件自主研究上，同一功能的元器件经常出现选择多种规格的产品，这样的情况导致进口元器件的选型比较分散[5]。

STM32F103为ST公司出品的ARM架构32位MCU，使用Cortex-M3核心有72MHz主频，拥有512KBFlash储存，可在-40～+85℃环境中工作，具有8组GPIO接口，扩展性非常好[6]，适用于电力电子系统方面的应用、电机驱动、应用控制等，由于其低廉的价格和强大的功能，其在嵌入式产品中被广泛应用[7]。本文从器件选型、电路原理、软件流程、工程应用与验证等方面给出一种自主研发替代方案，该方案可完全替代基于STM32F103微处理器的控制电路。

1 电路原理

采用本方案设计的电路实现对具有RS422通信方式的设备进行控制的功能，该电路具有3路RS422通信接口，可同时控制3个不同的设备进行工作。

该电路采集外部开关输入的开关量，根据对应开关量信息形成控制指令，将控制指令通过RS422串行接口发送给外部设备，实现对外部设备的控制；该电路具有上电自检功能，上电时对电路外部特征量进行检查，形成自检结果，并将自检结果上报给上位机；该电路接收外部串口发送的命令信息，对命令信息进行处理，并形成处理结果，将控制指令、自检结果及处理信息通过外部接口进行上报。图1为电路原理框图。

图1 电路原理框图

2 芯片替代优化设计方案

该方案主控芯片采用原位替代，接口及其他电子元件采用功能替代，主要电子元器件替代方案见表1。主控部分原理如图2所示。接口部分原理如图3所示。

表1 主要电子元器件芯片替代方案

图2 主控部分原理图

图3 接口部分原理图

3 软件控制流程

软件采用C语言进行编写。软件控制流程如图4所示。程序上电后先进行初始化，包括端口、数据、看门狗、寄存器等初始化，然后读取上电自检状态和运行状态，并将上电自检及运行状态通过外设串口进行上报；程序进入三个并行的线程，周期查询自检状态、复位看门狗并形成自检上报信息，对自检指示单元进行控制；周期查询外设开关、复位看门狗，对开关量进行去抖处理以保证开关的灵敏可靠，根据开关量信息判断出命令值并形成上报命令信息，同时对命令信息通过外设串口进行上报；周期查询外设串口接收状态，当有数据到来时及时接收数据，并对数据进行判断处理，处理完成后通过串口返回处理结果及状态信息。

图4 软件控制流程图

4 设计注意事项

4.1 串口数据接收

在对电路进行调试时，由于主控ARM芯片在串口接收底层设计上较原芯片存在差异，之前能够用原芯片实现的软件程序，移植到替代芯片中时，出现了接收数据丢包的问题。后经查该问题由接收电路产生的毛刺引起。

该问题解决措施：一是选用带隔离的接口芯片，通过隔离芯片去除接收数据端的影响；二是在接收负端与地和接收正端与电源之间跨接上拉与下拉电阻，如图5所示。

图5 接口电路接收端增加上下拉电阻

4.2 串口奇偶校验设置

由于该芯片在奇偶校验开启时必须设置为奇校验或者偶校验，而当设置为无校验时，则默认关闭奇偶校验，即设置为无校验位时，不对校验位进行判断。基于以上，当设置为无校验时，无论前端输入数据是奇校验、偶校验异或无校验，均不进行判断，从而会造成当通信格式对校验位约束为无校验时，对三种校验模式均会正常接收的情况。

软件设计中，在编制软件需求规格说明文档时，需要在通信协议里明确通信格式的奇偶校验方式，当校验方式为无校验时，需要进一步说明对校验位不做判断，以免在进行软件测评时会出现文档描述和实际操作不一致的问题。

4.3 程序下载

在程序下载过程中，ARM主处理芯片有时会出现程序下载不成功的情况，提示错误信息如图6所示。

图6 下载错误提示

造成该问题的原因是ARM芯片存储中已有代码段时，再次写入会造成数据冲突。解决方法是先对芯片进行擦除处理再进行程序下载操作。

5 结论

该替代方案设计的电路随工程项目完成了软、硬件的各项考核，经过了两轮样机研制过程，通过了样机研制过程中的各项试验，即通过了环境试验、电磁兼容试验、可靠性试验等验证，通过了软件二方测试、三方测试。在研制验证过程中除接收数据出现丢包问题外未出现其他问题。

该电路通过工程试验验证，具有功能性能良好、可靠性高、工作稳定的优点。该设计方案对基于STM32F103微处理器实现的控制电路，在进行自主研发替代设计时，具有普遍广泛的应用价值。