090.1.1STM32开发板电路图介绍

一、STM32开发板介绍

1.1 板子介绍

课程开发板以 STM32F103ZET6 为核心，板上集成两路 USB 接口、CH340C USB 转串口、AMS1117-3.3 稳压、ST-Link/SWD 接口、BOOT 跳帽、8 MHz 与 32.768 kHz 晶体、RTC 备用电池、用户按键、LED、蜂鸣器、OLED、ESP8266、摄像头和 TF 卡接口。

两路 USB 的用途不同：USB1 经过 CH340C，承担 USART1 通信和串口下载；USB2 主要用于供电。板上还可从外部电源排针供电。使用前先看接口丝印，避免把只有供电用途的接口当作串口数据口。

整板可以按功能块理解：

flowchart TD
    USB1[USB1 串口/下载] --> CH340[CH340C]
    CH340 --> U1[USART1 PA9/PA10]
    CH340 --> AUTO[DTR/RTS 自动复位与 BOOT0]
    USB2[USB2 供电] --> PWR[5 V 电源网]
    PWR --> LDO[AMS1117-3.3]
    LDO --> V33[3.3 V 电源网]
    V33 --> MCU[STM32F103ZET6]
    HSE[8 MHz 晶体] --> MCU
    LSE[32.768 kHz 晶体] --> MCU
    SWD[ST-Link/SWD] --> MCU
    MCU --> IO[按键/LED/蜂鸣器/OLED/TF/摄像头/ESP8266]

USB 口可提供的电流取决于主机端口、线材和协议，不能简单认为任何电脑 USB 都能稳定输出某个固定最大值。开发板带电机、舵机、继电器等大电流负载时，应单独核算电源和稳压器的电流、压差与温升。

1.2 电路图讲解

1.2.1 电路图分析

阅读原理图先掌握四种符号关系：

• 线条相交且有连接点，表示电气连接；仅交叉但无连接点通常表示不相连。
• 相同网络标号表示电气上相连，即使图中没有画成长线，例如所有 3.3V、GND、USART2_TX。
• 元件编号表示器件类别与序号，如 R17 是电阻、C9 是电容、Q2 是三极管、U3 是芯片。
• 引脚名描述芯片功能，网络名描述这根线在整板中的用途；两者要一起读。

以用户 LED 为例，原理图不是只告诉我们“PB5 接 LED”，还给出电流路径和有效电平：

3.3 V ── LED ── 1 kΩ ── PB5
                         │
PB5 输出 0 V：电流从 3.3 V 流入 PB5，LED 亮
PB5 输出 3.3 V：两端压差很小，LED 灭

因此 PB5、PE5 两个用户 LED 为低电平点亮。限流电阻决定电流量级，可用近似式估算：

$I_{LED}\approx\frac{3.3\text{ V}-V_F}{1\text{ k}\Omega}$

1.2.2 电路图各部分位置标注

原理图中的关键位置与实物功能对应如下：

原理图功能块	关键器件/网络	实物作用
USB 下载与串口	USB1、CH340C、USART1_TX/RX	电脑串口通信与 ROM Bootloader 下载
独立供电	USB2、5V 网络	给整板提供 5 V
3.3 V 稳压	AMS1117-3.3、10 μF、100 nF	把 5 V 降为 MCU 使用的 3.3 V
用户按键	PA0、PE4、PE3、PE2 到 GND	按下时输入低电平
用户 LED	PB5、PE5	低电平点亮
调试下载	4 针 SWD、20 针 JTAG/SWD	ST-Link 下载与在线调试
无线模块	USART2_TX/RX 插座	连接 ESP8266 串口

CH340C 的 TXD 要接 STM32 的 USART1_RX，RXD 要接 USART1_TX，这就是串口“发送接接收”的交叉原则。TX/RX 指示灯通过数据线活动产生闪烁，适合观察是否有通信，但不能替代协议和数据校验。

四个用户按键一端接 PA0、PE4、PE3、PE2，另一端接 GND，按下时把 GPIO 拉低。GPIO 应配置为上拉输入，或依赖外部上拉；否则松开时可能悬空。软件判断通常使用 GPIO_PIN_RESET 表示按下，并增加去抖处理。

1.2.3 串口二默认引脚分析

STM32F103ZET6 的 USART2 默认引脚是：

信号	默认引脚	数据方向
USART2_TX	PA2	STM32 发送
USART2_RX	PA3	STM32 接收

开发板 ESP8266 插座使用的正是 USART2_TX/USART2_RX 网络。PE2/PE3 不是 USART2 的默认 TX/RX；在本板上它们还连接用户按键。USART1 默认使用 PA9(TX) 和 PA10(RX)，并连接 CH340C。

“默认引脚”来自芯片的复用功能映射，不是只看 GPIO 编号猜测。创建工程时应在 CubeMX 中点击 USART2 并核对 PA2、PA3 的复用标签，同时回到开发板原理图确认这些网络是否确实到达目标插座。

1.2.4 JTAG-SWD接口

JTAG 和 SWD 都是调试接口。JTAG 常用 JTMS、JTCK、JTDI、JTDO、NJTRST 等多根信号；SWD 是 Arm 的两线调试协议，核心只有 SWDIO 和 SWCLK，更节省 GPIO。

SWDIO：双向数据，STM32F103 上复用 PA13/JTMS
SWCLK：调试时钟，STM32F103 上复用 PA14/JTCK
NRST ：目标复位，便于异常程序下“复位连接”
VTref：目标板 3.3 V 参考
GND  ：公共地

板上既有简化 4 针 ST-Link 接口，也有完整 JTAG/SWD 排针。普通下载使用 SWDIO、SWCLK、GND、3.3 V 即可；调试不稳定时再连接 NRST。CubeMX 中 SYS→Debug→Serial Wire 会保留 SWD 引脚。

电源部分由 AMS1117-3.3 把 5 V 转为 3.3 V。它是线性稳压器，损耗近似为：

$P_{loss}=(5-3.3)\times I_{load}$

负载电流越大，芯片发热越明显。输入、输出侧的 10 μF 电容用于低频稳定和负载瞬态，附近的 100 nF 电容抑制较高频噪声。

1.2.5 电容作用分析

“滤波电容”是统称，不同位置的电容职责不同：

位置	常见容量	主要作用
每组 MCU VDD/VSS 附近	100 nF（104）	高频去耦，为芯片瞬时电流提供就近回路
稳压器输入/输出	10 μF + 100 nF	稳定 LDO、吸收较慢负载变化并抑制高频噪声
晶体两端到地	15 pF 或 22 pF	与晶体和寄生电容构成振荡负载网络
NRST 到地	100 nF	上电/干扰滤波，与上拉电阻构成复位 RC

去耦的关键是“就近”。数字芯片翻转时，电源电流变化很快；若电容离 VDD 很远，长走线的寄生电感会阻碍瞬态电流。多个 100 nF 不能简单集中成一个大电容来替代。

1.2.6 复位电路

STM32 的 NRST 为低电平有效。原理图中 R17（10 kΩ）把 NRST 上拉到 3.3 V，保证平时运行；复位按键 SW5 按下后把 NRST 直接接地；C9（100 nF）接地，用于上电和高频干扰滤波。

3.3 V ── R17 10 kΩ ──┬── NRST
                      ├── SW5 ── GND
                      └── C9 100 nF ── GND

RC 时间常数约为：

$\tau=R\times C=10\text{ k}\Omega\times100\text{ nF}=1\text{ ms}$

上电时电容最初相当于短路，NRST 电压随后通过 R17 上升；按键按下时 NRST 被强制拉低。松手后的电容还可削弱短促毛刺，但它不是软件按键去抖电路。

1.2.7 摄像头接口与蜂鸣器

摄像头接口引出 OV7670 一类并口摄像头所需的数据、像素时钟、行场同步和控制信号。插接前要核对模块电压与排针方向；并行摄像头占用较多 GPIO，后续配置必须避免与其他外设冲突。

蜂鸣器由 S8050 NPN 三极管驱动，MCU 不直接承担蜂鸣器电流：

3.3 V ── 有源蜂鸣器 ── C  S8050  E ── GND
                            B
BEEP(GPIO) ── R27 1 kΩ ─────┘
                │
              R28 10 kΩ
                │
               GND

GPIO 输出高电平时，基极经 1 kΩ 得到电流，三极管导通，蜂鸣器形成到地回路并鸣叫；10 kΩ 下拉保证复位和 GPIO 高阻阶段三极管关闭，避免误响。若换成无源蜂鸣器，则需要 PWM 方波而不是恒定高电平。

1.2.8 插针对应的单片机介绍

两侧排针把大部分 STM32 GPIO 和电源网络引出，杜邦线应按 PAx/PBx/... 的丝印连接，而不是按排针物理序号猜测。使用外设前需要同时确认：芯片复用表允许该功能、CubeMX 已配置、开发板上没有与固定器件冲突。

板载 OLED 接口使用 PB6/SCL、PB7/SDA。RTC 备用电池经 BAT54C 肖特基二极管网络给 VBAT 供电，使主电源断开时 RTC 和备份域仍可保持；它不是给整块开发板供电。32.768 kHz 晶体为 RTC 提供低速外部时钟。

1.2.9 三二单片机电路讲解

8 MHz HSE 晶体连接 OSC_IN/OSC_OUT，两侧各有约 22 pF 负载电容；32.768 kHz LSE 晶体连接 OSC32_IN/OSC32_OUT，两侧各有约 15 pF 电容。两只电容不是串在时钟信号通路上，而是分别从晶体两端接地。

晶体看到的等效负载近似为：

$C_L\approx\frac{C_1C_2}{C_1+C_2}+C_{stray}$

若 C1=C2=22 pF，前半部分约为 11 pF，再加 PCB 和引脚寄生电容。负载选择过大或过小会影响起振裕量和频率误差，应按晶体规格、芯片手册和板级实测确定。

芯片有多组 VDD/VSS，不是因为单个电源脚“承受不了总电流”这么简单，更重要的是缩短芯片内部不同区域的电流回路、降低电源阻抗和噪声。每组电源脚附近配置 100 nF 去耦，并在电源入口放置较大容量电容。

二、电路图介绍

2.1 电路图引脚介绍

原理图使用网络标号跨功能块连接。例如 BOOT0 在 MCU 引脚、跳帽和自动下载三极管电路中重复出现，表示它们属于同一个电气网络；RESET 同理连接到 NRST、按键、调试口和自动复位电路。

USB1 的 D+、D- 连接 CH340C；USB2 主要引出电源。USB 数据线附近的保护器件接在信号与地之间，正常通信时近似不参与，出现静电瞬态时迅速钳位。

2.2 芯片作用

原理图中的 BST236A054U 属于 USB 数据线静电/浪涌防护阵列，作用是把 D+、D- 上的瞬态能量泄放到地，保护后级芯片。它不能同时替代反接、持续过压和大电流保护。

不同风险由不同器件承担：

风险	对应措施
USB D+/D- 静电瞬态	低电容 ESD/TVS 保护阵列
5 V 线路过流	F1 自恢复保险丝
5 V 降为 3.3 V	AMS1117-3.3 稳压器
感性负载反向电压	驱动器续流二极管或钳位网络
电源反接	需专门二极管/MOS 管方案，不能由 ESD 芯片代替

2.3 电路分析

BOOT 跳帽通过 10 kΩ 上拉/下拉网络给 BOOT0、BOOT1 提供稳定默认电平。跳帽把对应网络选择到 3.3 V 或 GND，复位时 MCU 采样这两个状态决定启动区域。

正常运行：BOOT0 = 0，BOOT1 = X  → 主 Flash
串口下载：BOOT0 = 1，BOOT1 = 0  → System Memory Bootloader
SRAM 启动：BOOT0 = 1，BOOT1 = 1  → SRAM

串口自动下载电路又把 CH340C 的 DTR/RTS 通过三极管接到 BOOT0 和 RESET。其目的不是直接传输固件，而是在软件开始下载时自动组合“进入 Bootloader”和“复位”动作；实际固件数据仍经 USART1_TX/RX 传输。

分析任何一块板都可沿这条路径进行：先找电源入口与地，再找稳压和去耦；接着找 MCU 的所有电源、复位和晶振；然后找下载调试接口；最后沿网络标号追踪每个外设。这样比从密集的 144 个引脚逐个看更容易建立整体概念。