ST Nucelo-L432KC开发板硬件分析

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NUCLEO-L432KC硬件分析Nucleo-L432KC开发板是Nucleo-32系列开发板中最新的一款，它采用了STM32L432KC6微控制器，除了具有良好的性能外，还支持超低功耗。

STM32L432KC控制器的主要特性：

• ARM®32-bit Cortex®-M4 CPU
• 80 MHz max CPU frequency
• VDD from 1.65 V to 3.6 V
• 256 KB Flash
• 64 KB SRAM
• Timers General Purpose (4)
• SPI/I2S (2)
• I2C (2)
• USART (2)
• 12-bit ADC with 10 channels (1)
• GPIO (20) with external interrupt capability
• RTC
  

主要电气性能：

• 1.71 V 到 3.6 V 电源范围
• -40 °C 到 85/105/125 °C 温度范围
• 8 nA Shutdown mode (2 wakeup pins)
• 28 nA Standby mode (2 wakeup pins)
• 280 nA Standby mode with RTC
• 1.0 μA Stop 2 mode, 1.28 μA Stop 2 with RTC
• 运行模式下84 μA/MHz
• 批量捕捉模式 (BAM)
• 4 μs 从Stop mode唤醒
• Brown out reset (BOR) in all modes except shutdown
• 内部交叉矩阵
  

L432这个型号，很容易想到了TI的MSP432，它同样是一个超低功耗的M4内核芯片。
下面我们看一看MSP432P401R的功耗特性：  

• Active: 90 μA/MHz
• Low-Frequency Active: 90 μA (at 128 kHz)
• LPM3 (With RTC): 850 nA
• LPM3.5 (With RTC): 800 nA
• LPM4.5: 25 nA
  

从中可以看到L432略胜一筹。

我们还是先进行硬件电路分析，然后在做其它测试。我们从Mbed的引脚图开始，这张图比自己照的清晰，也可以充分表现各GPIO的功能。



我们先看看这次活动的Nucleo-L432KC 开发板的实物图，它的结构和其它Nucleo-32开发板没有什么区别（除了MCU）。



先分析正面的电路。开发板的顶部是一个按键和两个LED。这个按键并不是用户按键，而是手动复位键。因为Nucleo-32开发板空间很小，所以没有预留用户按键。自带的例程中都是通过一个短路帽接地来充当用户按键。两个LED，左边的绿色LD3是用户LED，它连接到PB3上，而右边的红色LD2是5V电源指示。


对应部分的原理图






LED下面是U3（LD39050PU33R），这是一个5V转3.3V的LDO，用于给MCU供电。输出的3.3V先经过JP1，然后才会到MCU，这样就可以通过JP1测量MCU的电流。但是受体积限制，使用了不常用的1.27mm的封装，一是难以接线，容易短连；再就是容易损坏。如果可以改成象LAUNCHPAD-MSP432、EFM32-STK系列和SAML21-XPLAINED开发板那样板载功耗测量电路，实时分析代码和功耗的关系，就方便了（目前好像就STM32L476VG-DISCO开发板有这个功能）。



对应原理图



U3的下面就是开发板的核心U2：STM32L432KCU6。和其它Nucleo-32开发板不同，Nucleo-L432KC上使用的是QFN32封装，而其它Nucleo-32开发板使用了LQFP32封装的。不同封装只是大小有区别，功能是一样的。

Nucleo-L432KC的时钟使用了32K晶体，因为GPIO少，所以取消了OSC，只有OSC32，这样也有利于低功耗。这个32K晶体再其它Nucleo-32开发板上是不焊接的。





MCU的下面是U1（ST890CDR），这是一个高侧控制的功率开关，最大允许电流是1.2A，可以通过电阻调节输出电流。计算公式是：
    Im = 1.24 * 1110 / R

原理图中R = R7 = 2.7K，因此最大允许电流是 0.510A。

U1的使能端上有上拉电阻，在STLink不工作的情况下，U1将不导通，这样U5V将不会供给U5V_ST_LINK，也就是说不能用移动电源供电。



原理图



最下面就是STLink/V2的USB接口，在Nucleo-32上终于将miniUSB改为了更通用的macroUSB，这样就可以和手机共用数据线了。

macroUSB上方的T1（9013）是一个NPN三极管，用来控制DP信号线上的上拉电阻，实现不拔出USB而自动断开和连接设备的功能（比如STLink的固件升级）。

CN1是没有安装的5pin接口，可以用来给STLink的MCU第一次写入程序。LD1是一个双色LED，它指示STLink的状态，这都是STlink的标准配置。





看完了正面，在看反面的电路，顶部的反面电路如下图。左上角的D3（STPS2L30A）、D4（BAT60JFILM）是两个二极管，用来隔离E5V和U5V_ST_LINK两路5V电源。D3和D4都是肖特基二极管，正向压降约0.3V，额定最大电流分别是1A和2A，不知道为什么两个二极管选择不同的型号和封装，难道是为了让E5V输入上容忍更大的反向电压（30V）吗。

U6（LD1117S50TR）是一个三端稳压器，用来将外部的VIN转为E5V信号。U6的最大输入电压是15V。

我们还可以看到测量电流用的JP1也在这里，它用两个面积不大的焊盘固定，所以使用时要小心，不然焊盘很容易脱落。




反面的中间是STLink的主芯片STM32F103CBT6，没有什么特别的。稍微有些不同的地方在于它的外部时钟使用了SMD4025封装的无源晶体，取代了以前最普通的直插晶体。



最下面是macroUSB的反面，有一个IC是U4（LD3985M33R），它用来给STLink供电。




最后再来看看Nucelo-L432KC6开发板上的对外接口，因为Nucleo-32的体积小，所以它采用了Arduino Nano的接口标准，开发板的接口完全兼容Arduino Nano，无论是引脚数量、功能、顺序都是完全相同的，这样就可以使用很多Arduino的资源。