一文了解STM32F407的电源复位及LSE时钟设计

电子工程师 2020-10-06 4191

电源设计应用

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描述

14.1 初学者重要提示

电源管理部分涉及到的各种低功耗方式会在后面章节中为大家讲解，当前阶段仅需了解低功耗属于电源管理部分即可。

14.2 电源

电源是系统稳定运行的根本，主要分为以下几个知识点，电源供电、供电监控、电源管理和低功耗。当前阶段主要了解电源供电和硬件上电时序。

14.2.1 电源供电

学习STM32F407的电源供电，往往被一堆电源标识Vdd，Vdda，Vcap，Vss等搞迷糊，这些标识整明白了，电源供电部分也就理解了，首先看下面的框图：

这些常用标识的解释如下：

对于电源供电部分了解了这些知识点就够用。

14.2.2 电源去耦电容的选择

每个电源对（VDD/VSS， VDDA/VSSA ...）必须使用下述的滤波陶瓷电容去耦。这些电容必须尽量靠近芯片引脚，以确保器件正常工作。不建议去掉滤波电容来降低PCB 尺寸或成本，这可能导致器件工作不正常。

14.3 硬件复位

所有数字计算机系统都是由某种形式的震荡时钟威廉希尔官方网站驱动的。这种威廉希尔官方网站被称为系统的“脉搏”，是系统正确运行的关键。如果振荡器失灵，系统将完全无法运行，如果振荡器运行不规律，系统执行的所有与时间有关的计算都会有误差。

所有微控制器的启动流程都不通用。由于硬件的复杂性，必须运行一段由厂家定义的短小的“复位程序”来使硬件处于一种正确的状态，然后再开始执行用户程序。运行这个复位程序需要时间并且要求微控制器的振荡器已经运行。

当系统由可靠的电源供电时，一旦通电，电源迅速地达到额定输出电压，一旦断电，电源迅速地下降到0V，并且在接通的时候，电压不会降低。这时能够可靠地使用基于一个电容和一个电阻的低成本硬件复位。这种形式的复位威廉希尔官方网站称为阻容复位。

如果电源不够可靠，而涉及安全性，这种简单的阻容解决方案就不合适了。

14.3.1 上电复位和手动复位

STM32F407开发板的硬件复位原理图如下：

STM32这款CPU的复位引脚是低电平有效，即NRST为低电平时，CPU处于复位状态。

R84和C53组成简单的RC复位威廉希尔官方网站。当系统上电瞬间，C114电容两端电压可以认为是0，CPU处于复位状态。3.3V电源通过R84给C53充电，当C53的电压升到CPU的高电平门槛电压时，CPU退出复位状态转入运行状态。

在设计威廉希尔官方网站时，需要选择适当的R值和C值，以保证NRST低电平持续时间满足CPU复位最小脉宽的要求。

当按下S4轻触开关时，C53两端被短路接地，可实现手动复位CPU。

注，根据需要，大家也可以使用STM32F407 NRST引脚的内部上拉：

14.3.2 复位序列

前面第11章的13.3.1小节讲解了复位系列的相关知识，再结合本章节的上电复位和下电复位，大家会对其有一个较全面的认识，更多复位序列的知识直接看13.3.1小节即可。

14.4 软件复位

除了上电和手动复位，程序设计设置中还经常要用到软件复位，即调用一条函数就可以实现复位功能。此函数已经由CMSIS软件包中的core_cm4.h文件提供，函数如下：

/**
  \brief   System Reset
  \details Initiates a system reset request to reset the MCU.
 */
__STATIC_INLINE void __NVIC_SystemReset(void)
{
  __DSB();                                  /* Ensure all outstanding memory accesses included
                                              buffered write are completed before reset */
  SCB->AIRCR  = (uint32_t)((0x5FAUL << SCB_AIRCR_VECTKEY_Pos)    |
                           (SCB->AIRCR & SCB_AIRCR_PRIGROUP_Msk) |
                            SCB_AIRCR_SYSRESETREQ_Msk    );        /* Keep priority group unchanged */
  __DSB();                                                         /* Ensure completion of memory access */

  for(;;)                                                          /* wait until reset */
  {
    __NOP();
  }
}

软件复位反映到实际硬件上，就是给硬件复位部分发一个复位信号：

14.5 RCC时钟控制

STM32F407有如下六种时钟可供使用：

HSI (High-speed internal oscillator) ：

HSI是内部的高速RC振荡器，频率16MHz，可被用于系统时钟。优势是低成本，无需外部时钟，快速启动（仅需几个微秒），缺点是精度差，即使经过校准。

HSE (High-speed external oscillator):

HSE是外部的高速振荡器，通过外接时钟源，有源或者无源晶振驱动，时钟范围4-26MHz。优势是精度高，缺点是增加成本。

LSE (Low-speed external oscillator)

LSE是外部的低速振荡器，通过外接时钟源，有源或者无源晶振驱动，一般接32.768KHz，主要用于RTC实时时钟。

LSI (Low-speed internal oscillator)

LSI是内部的低速RC振荡器，频率约是32KHz，主要用于独立看门狗和自动唤醒，也可以用于RTC实时时钟。

通过下面的时钟树再进一步的认识这几个时钟：

14.5.1 HSE和LSE硬件设计

HSE时钟

当前V5开发板是用的25MHz晶振为HSE提供时钟，硬件设计如下：

晶振和负载电容需要尽可能近地靠近F4的晶振引脚，以减小输出失真和启动稳定时间。负载电容值必须根据选定的晶振进行调节。

对于C46和C47，我们推荐使用高质量陶瓷电容，这种电容是设计用于需要高频率的场合，并且可以满足晶体或谐振器的需求。C46和C47通常具有相同的值。

这里再额外补充一个知识点，HSE旁路时钟和外置晶振区别：当前V5板子是采用的外置晶振模式，高速外部 (HSE) 时钟可以使用一个4到26MHz 的晶振 / 陶瓷谐振振荡器产生：

而bypass 旁路的意思就是不使用它，绕过它。具体到HSE旁路的话，用户直接提供4-26MHz的时钟源即可，可以使用有源晶振或者FPGA提供时钟等方式：

LSE时钟

当前V5开发板是用的32768Hz晶振为LSE提供时钟，硬件设计如下：

STM32的LSE晶振起振难（又称RTC起振）是老毛病了，选取晶振和配套电容比较讲究，最好按照ST提供的厂家和配套电容选取：http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=87673 。

14.5.2 时钟配置

STM32F4开发板使用的外部晶振频率是25MHz，下面分步说明如何让其通过这个频率工作到168MHz的主频。

第1步：在stm32f4xx_hal_conf.h文件配置HSE_VALUE

配置的大小要跟板子的实际晶振大小匹配。

#if !defined  (HSE_VALUE) 
#define HSE_VALUE    ((uint32_t)25000000) /*!< Value of the External oscillator in Hz */
#endif /* HSE_VALUE */

第2步：系统上电后，在启动文件startup_stm32f429xx.s的复位中断服务程序里面会调用函数SystemInit。

Reset_Handler    PROC
                 EXPORT  Reset_Handler                    [WEAK]
        IMPORT  SystemInit
        IMPORT  __main

                 LDR     R0, =SystemInit
                 BLX     R0
                 LDR     R0, =__main
                 BX      R0
                 ENDP

以往STM32F1和STM32F4系列都会在函数SystemInit里面配置PLL锁相环，使用了HAL后，需要在main函数里面配置。当前SystemInit函数实现的功能如下：

1. /**

2.      * @brief  Setup the microcontroller system
3.      *         Initialize the FPU setting, vector table location and External memory
4.      *         configuration.
5.      * @param  None
6.      * @retval None
7.      */
8.    void SystemInit(void)
9.    {
10.      /* FPU settings ------------------------------------------------------------*/
11.      #if (__FPU_PRESENT == 1) && (__FPU_USED == 1)
12.        SCB->CPACR |= ((3UL << 10*2)|(3UL << 11*2));  /* set CP10 and CP11 Full Access */
13.      #endif
14.      /* Reset the RCC clock configuration to the default reset state ------------*/
15.      /* Set HSION bit */
16.      RCC->CR |= (uint32_t)0x00000001;
17.    
18.      /* Reset CFGR register */
19.      RCC->CFGR = 0x00000000;
20.    
21.      /* Reset HSEON, CSSON and PLLON bits */
22.      RCC->CR &= (uint32_t)0xFEF6FFFF;
23.    
24.      /* Reset PLLCFGR register */
25.      RCC->PLLCFGR = 0x24003010;
26.    
27.      /* Reset HSEBYP bit */
28.      RCC->CR &= (uint32_t)0xFFFBFFFF;
29.    
30.      /* Disable all interrupts */
31.      RCC->CIR = 0x00000000;
32.    
33.    #if defined (DATA_IN_ExtSRAM) || defined (DATA_IN_ExtSDRAM)
34.      SystemInit_ExtMemCtl(); 
35.    #endif /* DATA_IN_ExtSRAM || DATA_IN_ExtSDRAM */
36.    
37.      /* Configure the Vector Table location add offset address ------------------*/
38.    #ifdef VECT_TAB_SRAM
39.      SCB->VTOR = SRAM_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal SRAM */
40.    #else
41.      SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal FLASH */
42.    #endif
43.    }

第12行：使能FPU单元。

第16 – 31行：复位RCC相关寄存器。

第69 – 73行：设置中断向量表的位置。

第3步：在main函数的外设驱动初始化函数里面完成时钟初始化，主要是PLL锁相环，让芯片最终工作到168MHz。

14.6 总结

本章节就为大家讲解这么多，本章节的知识点相对比较多，比较杂，不容易一下子都掌握了。随着后面章节的进行，还会深入的讲解这些知识点。

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