参考教程：【教程】大师篇-零基础入门PCB设计-国一学长带你学嘉立创EDA专业版大师篇 全程保姆级教学 中文字幕（已完结）_哔哩哔哩_bilibili
1、电源部分原理图设计
（1）在开始页新建一个工程，命名为"stm32电赛单片机开发板"，并同步更改板子、原理图和PCB的命名。由于本实验需设计的开发板内容较多，故原理图需分为三个图页（右键左侧原理图一行即可找到新建图页选项），分别为主控、电源和接口，并将图页尺寸调节为A3（菜单栏中选择"设计"→"图纸预设"即可设置）。
（2）将电源树示意图放置进电源图页，并放置文本说明，便于工程师对照电源树绘制电路，也便于读者迅速了解电源电路的架构。
（3）首先放置电源来源器件，Type C接口（搜索HC-TYPE-C-16P-01B）1个，螺钉式接线端子（搜索MX128L-3.81-02P-GN01-Cu-Y-A）1个，DC接口（搜索DC-005_2.5(DC-005_2.5)）1个，并对它们的外围电路进行初步的设计。
①本次设计所有的电阻都使用0603封装的电阻。
②VBUS为USB提供的电源引脚，可用网络标签"USB+5V"示意；DN表示USB信号线的负极，DP表示USB信号线的正极，之所以有两对DN-DP引脚，是因为Type C接口能够实现正反插，它们共用一对网络标签即可。
③螺钉式接线端子和DC接口都是输入12V电压，它们的正极可以直接相连。
（4）DCDC芯片12V转5V电路设计：
①在DCDC芯片之前需要串联二极管SS54（肖特基二极管，额定电流能达到5A，导通电压较小，符合供电需求），防止螺钉式接线端子的正负极接反导致电路板"放烟花"。
②DCDC芯片选择TPS5450，根据数据手册中的参考电路进行其外围电路的布置。输入电压较大，所以滤波电容需选择耐压较高的电容，这里选择铝电容EMVE500ADA4R7ME55G作为大电容，0603封装的陶瓷电容作为小电容（容值不一定要严格按照数据手册），大电容需靠近电源输入；ENA为使能引脚，默认悬空即代表使能；BOOT和PH之间接一个10nF的电容，此电容的作用是自举升压，为DCDC开关管提供驱动电压；电感使用IND-SMD_L7.3-W6.6封装的电感；续流二极管选择SS54即可；采样电路的电阻阻值可根据数据手册提供的公式进行计算。
③经过DCDC芯片转换的电压为+5V电压，需要用网络标签"DC+5V"引出。
④添加5V电源指示灯和限流电阻（5V电压需选取较大阻值的限流电阻），此处不再详细赘述。
（5）+5V电源合路设计：
①将"USB+5V"、"DC+5V"两个网络通过短接标识符连在一起（两个网络标签不能直接相连），然后与一开关相连，开关可控制+5V电源是否连通后续的电路。
②电源输出处需要串接保险丝，保险丝需根据实际电路功率和电流等选择，此处选择JK-nSMD005/60V。
③电源合路后输出为+5V电压，用网络标签"VCC+5V"标识。
（6）LDO芯片5V转3.3V电路设计：
①LDO芯片选择AMS1117，其输入电压为+5V，这里将其与"VCC+5V"标签相连即可；其输出电压为3.3V，用网络标签"VCC+3.3V"标识即可。
②LDO芯片的电源输入和电源输出都需要接滤波电容，此处不再详细赘述。
③添加3.3V电源指示灯和限流电阻（3.3V电压可选取较小阻值的限流电阻），此处不再详细赘述。
（7）STM32中的供电分为数字供电和模拟供电，顾名思义，数字供电VDD负责为数字电路供电，模拟供电VCC负责为模拟电路供电，它们之间需要做隔离，避免互相干扰。
①数字电路的电压往往只有高电平和低电平之分，且跳变较快，当数字电路和模拟电路直接通过导线连接供地时，如果两电路通过同一根导线共地，而导线的电阻往往并非理想，由数字电路电压跳变引发的电流跳变会使得两电路共地连接点的电平不稳定，理想恒为0，但实际并不是，而模拟电路中往往是ADC、DAC相关的电路，它们对精度的要求非常高，如果任由数字电路影响共地连接点的电平，显然是不合理的。（同理，模拟电路也会影响数字电路）
②为了减少数字电路和模拟电路之间的相互干扰，需改变接地方法为"单点接地"，每个电路模块通过独立的接地线连接到公共地，如下图所示。
③在设计PCB时，有很多方案可以实现单点接地，例如：
1\] 将数字地和模拟地分割，在电源的入口地部分通过"0Ω"电阻（或磁珠，或感值较小的电感也可）连接电路。  \[2\] 将数字地和模拟地分割，将电源入口地放置在数字地中，通过一小块铜箔连接模拟地。  ④前面用到的GND网络标签均为数字地，模拟地有另外的标签，此外，在模拟电路与数字电路的交汇处需要在模拟电路侧添加滤波电容，用于滤波。本实验用网络标签"VCC+3.3V"表示数字电源，"VCCA+3.3V"表示模拟电源。  （8）考虑到电源部分电路内容较少，可将本页图纸切换回A4大小，然后整理绘图，并添加注释等内容。  ## 2、主控部分原理图设计 （1）首先添加主控芯片STM32F103VET6进入画布。 ①为其所有GPIO引脚打上网络标签。由于GPIO引脚数目较多，逐个标签添加并手动改名字比较麻烦，可以直接右键主控芯片，选择"扇出网络标签"，选中所有GPIO引脚所在行，点击"将引脚名填入网络名"，然后确认即可，有些GPIO引脚可重映射或复用了其它功能，所以名字较长，可以去掉复用功能的名称，或用短接标识同时添加两个不同命名的网络标签。PC14和PC15是低速外部晶振的连接引脚，其对应网络标签可命名为"OSCL1"和"OSCL2"，它们一般不再承担普通GPIO功能，所以可不打上"PC"的网络标签。   ②VDD表示数字电源的供电引脚，VSS表示数字电源的接地引脚，出于电源稳定工作的考虑，需要在每个电源供电引脚附近并一个100nF的滤波电容。  ③VBAT引脚接1.8V-3.6V的小电池，它连接到了单片机的RTC时钟与唤醒时钟电路（具体可见单片机数据手册的电源电路），在单片机断电后，它能继续为RTC时钟供电，保证RTC计时功能不受影响。本实验选择纽扣电池CR1220-2ZX作为VBAT引脚的供电电池，当单片机上电时，使用数字电源对其进行供电，单片机下电后再消耗电池的能量，为了实现这个需求，可以使用双二极管BAT54C将两个电源连到VBAT上，当单片机下电时，数字电源侧的二极管关断，电池为RTC供电，当单片机上电时，由于数字电源的电压更大，所以数字电源侧的二极管导通，那么纽扣电池侧的二极管将因不满足导通压降而关断，数字电源为RTC供电。  ④12号和13号引脚为高速外部晶振的连接引脚，其对应网络标签可命名为"OSCH1"和"OSCH2"；NRST为单片机复位引脚，其对应网络标签可命名为"RST"。  ⑤19号到22号引脚为单片机模拟电源相关引脚，根据数据手册，VSSA和VREF-直接连接模拟地即可，VDDA直接连接模拟电源即可，VREF+需连接基准电压。本实验使用TL431提供此基准电压VKA，按照上面介绍的参考电路连接即可，需要注意的是，供电电源需选择模拟电源网络标签"VCCA+3.3V"，此外滤波电容容值的选择也应参考数据手册，本项目中VKA=Vref，故参考下图曲线A即可，电容容值需在A曲线包含区域之外。   ⑥BOOT1复用在PB2引脚上，为了避免混乱，可用短接标识符为一个引脚添加两个网络标签。  （2）晶振电路设计： ①高速外部晶振电路的晶振选择XL2EL89CSI-111YLC-8M，两个起振电容的容值选择20pF，按数据手册的指示进行电路连接即可。   ②低速外部晶振电路的晶振选择SF32WK32768D31T002，两个起振电容的容值选择10pF，按数据手册的指示进行电路连接即可。   （3）复位电路设计： ①使用Key_SMD_6x6x6.5元件作为复位按键，如下图所示，此电路同时适用于上电复位和手动复位。 ②单片机刚上电时，电容中没有任何能量，它需要极短的一个时间充电，在这期间RST的电平从低电平往高电平升（这个时间很短），RST表现为低电平状态时触发复位功能。 ③当按下复位按键时，RST与GND直连，表现为低电平状态，触发复位功能。  （4）单片机启动模式配置电路： 添加一个6针脚的公头排针HDR-M_2.54_2x3进画布，按下图所示进行连接，这样，用户就可以使用跳线帽手动配置BOOT0和BOOT1引脚的高低电平，进而配置单片机启动模式。  （5）GPIO引脚引出电路与电源引脚引出电路： ①添加两个双排23PIN的公头排针X6521WV-2x23H-C60D30进画布，将GPIO引脚和电源引脚的网络标签连在排针上，过程中需注意排序，避免增加PCB布线的难度。 ②有些GPIO引脚后续可能会用于其它模块，不会作为普通GPIO引脚给用户使用，这些后续都可以慢慢调整。  （6）整理各模块电路，并添加注释等内容。  ## 3、接口部分原理图设计 （1）接口部分原理图涉及的接口模块有：ADC和DAC的SMA信号接口、USART、USB、I2C、SPI、SWD调试接口、排针引出、按键、LED等。 （2）USB模块电路设计： ①此处的USB模块存在的主要目的是支持单片机与电脑使用USB协议通信，当然，它同样有供电的功能。 ②该模块电路的设计和电源部分中的Type C输入电路一样，但需注意引脚的网络标签需要更换。 ③PA11和PA12的引脚功能描述中提到它们可重映射为主控芯片硬件USB的两个信号引脚，需要将它们连到Type C的信号引脚上。   （3）SMA接口电路设计： ①PA0和PA1的引脚功能描述中提到它们可重映射为主控芯片ADC外设的输入信号引脚。  ②PA4和PA5的引脚功能描述中提到它们可重映射为主控芯片DAC外设的输出信号引脚。  ③添加四个型号为HL-SMA-KE-02的SMA接口，将它们分别与上面提到的4个引脚连接，这样，通过SMA接口就可以将外部设备与STM32的ADC或DAC外设直接连接。  （4）LED指示灯电路设计： 选择PB6、PB7和PD8作为通用GPIO引脚，分别连接LED的阴极，LED的阳极连接数字电源即可，主控芯片中需要将它们配置为推挽输出，几个引脚使用低电平驱动LED。  （5）按键检测电路设计： ①选择PE13、PE14和PE15作为通用GPIO引脚，分别连接按键元件Key_SMD_6x6x6.5的一端，另一端连接数字电源即可，主控芯片中需要将它们配置为上拉输入，按键未按下时引脚读入高电平，按键按下后引脚读入低电平。 ②按键可各并联一个100nF的电容滤除噪声（噪声源于按键抖动），当然，也可在主控芯片中实现软件按键消抖，本项目为降低成本考虑软件按键消抖。  （6）SWD调试接口电路设计： ①PA13和PA14的主要功能就是作为主控芯片的SWD调试接口，虽然它们也可以重映射为普通GPIO引脚，但千万不能随便这么做。  ②添加一个4PIN的公头排针HDR-M_2.54_1x4P，并将其与PA13、PA14和电源引脚连接。  （7）I2C接口与SPI接口电路设计： ①主控芯片中有硬件SPI和硬件I2C外设，相应地，它们的信号引脚会映射在普通GPIO引脚上，当然，程序员也可以在软件中实现软件SPI和软件I2C，使用普通GPIO引脚作为信号引脚即可，本项目仅考虑后者。 ②添加两个6PIN的插座XH2.54mm-LI-6P，并将其与主控芯片的GPIO引脚和电源引脚连接。  （8）串口接口电路设计： ①主控芯片中有串口外设，它们的信号引脚会映射在普通GPIO引脚上，设计串口电路时需找到这些引脚，并将它们连到连接座上。 ②串口的使用比较广泛，可以添加三个4引脚的连接座CONN-SMD_XH2.54-4PSMD用于与外设进行串口通信。（主控芯片其实有四组USART外设，剩下一组计划通过Type C接口与上位机通信） ③串口外设和I2C外设所需的电源引脚和信号引脚数目相同，所以这里的串口连接座也可以用于软件I2C，但信号线需要添加上拉电阻，根据项目实际需求需要设计即可。  （9）串口转USB通信电路设计： ①CH340C芯片可实现串口协议转USB协议，同时通过它还可以实现通过串口刷写程序。 ②剩余一组USART外设的信号引脚为PA9和PA10，连接至CH340C的USART信号引脚上时注意各视角下的收发定义，不要接反。 ③现在原理图中有两个Type C接口，接口部分中的Type C接口已确认用于USB通信，则这里只能用电源部分中的Type C接口，将其信号引脚连接到CH340C芯片的USB信号引脚上即可。 ④RTS和DTR引脚用于实现程序自动下载功能，需另外设计实现该功能的电路。  （10）程序自动下载电路设计： ①该电路由1个S8550三极管、1个S8050三极管、1个阻值为10kΩ的电阻、3个阻值为1kΩ的电阻和一个1N4007W_C7528871二极管（作用是提供一个钳位）组成。 ②如下表所示，该表反映了复位时BOOT0和BOOT1电平组合对应的单片机启动方式，单片机在复位时会对这两个引脚进行采样，根据采样结果选择对应的启动方式。 \[1\] 从Flash启动：单片机启动后进入正常工作状态。 \[2\] 下载启动：单片机启动后从串口下载程序。 \[3\] 从SARM启动：用于一些调试场合，不太常见，此处不进行详细介绍。  ③该电路通过BOOT0、DTR和RTS控制RST的电平，其中DTR和RTS由CH340C芯片输出，而CH340C芯片又通过USB通信与上位机交互，所以在上位机中可以直接配置DTR和RTS，同时在开发板上通过跳线帽可选择BOOT0和BOOT1的电平，由此控制单片机启动方式。需要说明的是，CH340C芯片中DTR和RTS使用的是负电平逻辑（可通过标识"#"识别），上位机中将它们配置为低电平，实际上引脚出输出的是高电平。   ④电路工作原理分析（以上图刷写程序过程为例）： \[1\] 当上位机配置DTR为低电平、RTS为高电平，则DTR实际为高电平、RTS实际为低电平，此时S8050导通，RTS的电平与1N4007W阴极侧电平近似相等，则RST为低电平，同时S8550也导通，BOOT0的电平与网络VCC+3.3V的电平近似相等，则BOOT0为高电平，此时BOOT1通过跳线帽连接地，则其为低电平，单片机进入BootLoader。（如上图所示，会延时100ms，主要是为了给单片机的RST引脚留出响应时间） \[2\] 单片机复位后，上位机置DTR为高电平（RTS不变），则DTR实际为低电平，此时S8050关断，RST为高电平，同时S8550导通，BOOT0的电平与网络VCC+3.3V的电平近似相等，则BOOT0为高电平，此时BOOT1通过跳线帽连接地，则其为低电平，由此可知，此刻单片机结束复位状态，进入下载启动模式，开始从串口下载程序。 \[3\] 程序刷写完毕后，上位机置RTS为低电平（DTR不变），则RTS实际为高电平，此时S8050关断，RST为高电平，同时S8550关断，BOOT0和BOOT1都通过跳线帽连接地，则它们均为低电平，由此可知，此刻单片机完成程序下载，进入正常工作模式。  （11）定位螺丝网络设计： 添加四个M3螺丝，将其接地即可。  （12）整理各模块电路，并添加注释等内容。  ## 4、DRC检查 所有工作做好后保存原理图，并进行DRC检查，只要不报错即可转换为PCB（警告可以视情况忽视）。 