61. Минимальная обвязка микроконтроллера: условия запуска

Микроконтроллер — не микросхема, которую достаточно запаять и подать питание. У него есть условия запуска, и если хоть одно не выполнено, плата ведёт себя непредсказуемо: то стартует, то нет, то работает неделю и перезагружается.

Раздел про то, что обязано быть на плате, что желательно, чего можно не ставить — и что случится, если сэкономить на каждом пункте.

Как это называется в документации

Оригинал	Перевод
power-on reset (POR)	сброс при подаче питания
brown-out reset (BOR)	сброс при просадке питания
reset temporization	задержка после достижения порога
VDD rise / fall time rate	скорость нарастания и спада питания
NRST	вывод сброса
internal pull-up (RPU)	внутренняя подтяжка
filtered / not filtered pulse	отфильтрованный / гарантированно принятый импульс
decoupling	развязка по питанию
VDDA, VREF+	питание и опора аналоговой части
load capacitance (CL)	нагрузочная ёмкость кварца
stray capacitance	монтажная ёмкость
boot mode	режим загрузки

61.1 Питание: все выводы, и у каждого конденсатор

У корпуса на 48–64 вывода питание заведено на четыре пары выводов. Подключать надо все — не «хотя бы одну». Внутри кристалла они питают разные области, и неподключённая пара означает, что часть схемы питается через паразитные связи.

К каждому выводу — конденсатор 100 нФ, физически вплотную (раздел 53.5), плюс один общий на 4,7 мкФ.

Кроме VDD и VSS есть выводы, которые легко пропустить. У F4 это VCAP_1 и VCAP_2 — выход внутреннего стабилизатора ядра: на каждый по керамическому конденсатору 2,2 мкФ с ESR меньше 2 Ом на землю, без них ядро не запустится или будет сбоить. VBAT — к батарейке или, если её нет, к VDD со 100 нФ. VREF+ там, где он выведен отдельно (у F407 — в корпусах от 100 выводов), — к VDDA или к опорному источнику. Число и назначение выводов питания — по таблице выводов конкретного корпуса.

Аналоговое питание заводится отдельно и фильтруется: ферритовая бусина и конденсаторы 1 мкФ и 10 нФ. Бусина — не дроссель на сотни микрогенри: её «600 Ом» указаны на 100 МГц, а на низких частотах она ведёт себя как индуктивность около 1 мкГн (раздел 168.3). С 1 мкФ это фильтр со срезом около 160 кГц: помеху на 500 кГц он ослабит всего примерно в девять раз, а около среза возможен резонансный подъём. Бусина давит в основном помехи в десятки мегагерц; против пульсаций импульсного преобразователя на сотнях килогерц нужен настоящий дроссель в десятки микрогенри или свой линейный стабилизатор от входа до преобразователя (раздел 55.6). Без этого АЦП будет измерять шум своего же источника питания.

61.2 Пороги запуска

Числа этого подраздела — для G4; у F103 и F407 схема сброса другая, её таблица — в конце подраздела. Камень удерживается в сбросе, пока питание не поднялось до порога. Нижний уровень включён всегда:

Дополнительно можно включить один из настраиваемых уровней:

Зачем они: при питании 3,3 В уровень 4 оставляет 0,4 В запаса. Просадка на 10 % его ещё не задевает (2,97 против 2,90), а на 15 % уже задевает — и камень уйдёт в сброс, вместо того чтобы работать на грани и портить данные во Flash. Для устройств с записью настроек это важнее, чем кажется.

После достижения порога камень ждёт ещё 250 мкс (до 400 в худшем случае), прежде чем начать выполнять программу. За это время запускается внутренний генератор и загружаются байты конфигурации.

У F103 и F407 уровней меньше, и задаются они иначе:

Уровни просадки и детектора указаны по спаду питания. Детектор (раздел 10.7) только вызывает прерывание: уйти в сброс при просадке программа F103 должна сама.

61.3 Скорость нарастания и спада питания

Тут два несимметричных требования, и второе часто упускают.

Нарастание не нормируется вовсе — от нуля до бесконечности. Камень стартует при любой скорости подъёма питания, хоть мгновенной, хоть за секунды.

Спад ограничен снизу: не быстрее 10 мкс на вольт, то есть с 3,3 В до нуля — не быстрее 33 мкс. Слишком резкий провал схема сброса не успевает отследить, и камень может начать выполнять программу при недостаточном питании.

На практике требование выполняется само собой: конденсатор 10 мкФ по питанию при потреблении 50 мА разряжается 660 мкс — в двадцать раз медленнее предела. Но если питание отключается ключом с быстрым спадом и без конденсатора, проверить стоит.

61.4 Вывод сброса

Внутри уже есть подтяжка 25…55 кОм, типовая 40. Внешний подтягивающий резистор не нужен — это самая частая лишняя деталь на любительских платах.

Кнопка сброса подключается напрямую на землю: через внутреннюю подтяжку потечёт до 132 мкА, последовательный резистор не требуется. Чтобы сброс сработал, на выводе должно быть ниже 0,99 В (при питании 3,3 В).

Фильтр входа отбрасывает короткие помехи:

Конденсатор 100 нФ на выводе сброса нужен — но не для формирования сброса, а для защиты от помех. С подтяжкой 40 кОм он даёт постоянную времени 4 мс, и до порога отпускания проходит 4,8 мс — это в двенадцать раз дольше собственной задержки камня. То есть длительность сброса при таком конденсаторе задаёт именно он.

⚠️ Специальная схема сброса не нужна. Внутри есть и сброс по питанию, и сброс по просадке, и фильтр, и подтяжка. Внешний супервизор питания ставят только там, где требования жёстче встроенных, — и тогда его выбирают осознанно, а не «на всякий случай».

61.5 Выбор режима загрузки

Вывод (или выводы) выбора загрузки определяют, откуда камень стартует: из Flash, из системной памяти с заводским загрузчиком или из ОЗУ (раздел 4.7).

Его нельзя оставлять висящим в воздухе: подтянутый ни к чему вывод считывает наводку, и камень стартует то из своей программы, то из загрузчика — «через раз», причём по-разному в зависимости от того, держите ли вы плату в руках.

Правильно: резистор 10 кОм на землю (или на питание, если нужен загрузчик по умолчанию) и, если пригодится, перемычка или кнопка.

61.6 Кварц: когда нужен и как считать

Внутреннего генератора хватает для большинства задач: погрешность около 1 %, чего достаточно для UART до 115200 и для любой логики. Кварц нужен, когда:

• работает USB на F1 или F4 — там нужна точность лучше 0,25 % (раздел 20). У G4, как и у F072 (раздел 6), есть внутренний генератор 48 МГц (HSI48), который подстраивается по кадрам от хоста (блок CRS), и устройство USB обходится без кварца;
• нужны часы реального времени — тогда часовой кварц на 32 768 Гц;
• измеряется время или частота;
• связь идёт на высокой скорости или по длинной линии.

Конденсаторы считаются по нагрузочной ёмкости кварца, а не берутся «22 пФ, как у всех»:

C = 2 × (CL − Cмонтажа)

Монтажная ёмкость дорожек и выводов — около 5 пФ. Для кварца с нагрузочной 10 пФ нужны конденсаторы по 10 пФ, для 20 пФ — по 30 пФ. Если монтажная ёмкость окажется больше половины нагрузочной, внешние конденсаторы не нужны вовсе.

Цена ошибки для часового кварца: 5 пФ мимо — это около 75 ppm, то есть 6,5 секунды в сутки и 39 минут за год. Часы, которые «уходят», — почти всегда не «плохой кварц», а неверные конденсаторы.

Дорожки к кварцу — короткие, с землёй вокруг, и ничего быстрого рядом.

61.7 Отладочный разъём

Четыре сигнала: две линии обмена, земля и питание. Пятым полезно вывести сброс — он позволяет отладчику зацепиться за камень, который успевает уйти в сон или переназначить выводы отладки (раздел 4.4).

Разъём стоит ставить даже на плату, где отладка «не планируется»: контактные площадки под иглы занимают миллиметры, а без них перепрошивка требует выпаивания.

61.8 Итого: обязательное и желательное

61.9 Грабли

Плата не стартует. Проверить по порядку: питание на всех выводах, вывод выбора загрузки, вывод сброса не прижат к земле, питание аналоговой части.

Стартует через раз. Вывод выбора загрузки висит в воздухе.

Работает, пока не тронешь плату. То же самое — ёмкость руки меняет наводку на висящий вывод.

Отладчик не видит камень. Программа успела переназначить выводы отладки или ушла в сон; подключить сброс к отладчику и войти в режим «под сбросом».

АЦП выдаёт мусор. Нет питания аналоговой части или оно не отфильтровано.

Случайные перезагрузки. Нет конденсатора на выводе сброса, либо просадка питания задевает порог.

Часы уходят на минуты в год. Конденсаторы кварца не под его нагрузочную ёмкость.

Кварц не запускается. Слишком большие конденсаторы, длинные дорожки, кварц не на ту нагрузочную ёмкость.

Поставили внешнюю схему сброса — стало хуже. Она конфликтует со встроенной и мешает отладчику дёргать сброс.

61.10 Итоги

• Все выводы питания подключены, у каждого 100 нФ вплотную, плюс общий 4,7 мкФ и отдельный фильтр на аналоговое питание. Бусина с 1 мкФ срезает только от ~160 кГц; против помехи преобразователя — дроссель.
• У F4 — по 2,2 мкФ керамики на VCAP_1 и VCAP_2; VBAT без батарейки — к VDD со 100 нФ.
• G4 стартует при 1,66 В и ждёт после этого 250 мкс (до 400); F103 — при 1,92 В и 2,5 мс, F407 — при 1,72 В и 1,5 мс.
• Настраиваемый порог G4 2,90 В при питании 3,3 В ловит просадку на 15 %, не мешая просадке на 10 %; у F407 то же делает уровень 2,83 В, у F103 настраиваемого порога нет.
• Нарастание питания не нормируется; спад — не быстрее 10 мкс на вольт, и конденсатор 10 мкФ выполняет это с двадцатикратным запасом.
• На выводе сброса уже есть подтяжка 25…55 кОм: внешний резистор и внешняя схема сброса не нужны. Конденсатор 100 нФ даёт 4,8 мс сброса.
• Вывод выбора загрузки нельзя оставлять висящим — отсюда «стартует через раз».
• Конденсаторы кварца считают по формуле 2 × (CL − Cмонтажа); ошибка в 5 пФ для часового кварца — 39 минут в год.

Дальше: раздел 62 «Защита выводов» — что происходит, когда снаружи приходит то, чего плата не ждала.