自定义STM32板从零开始

时间：2025-10-17 18:42:33

关键字： STM32板传感器 Arduino R4

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[导读]这是一个完全定制的基于stm32的PCB（印刷电路板）。完全自定义，它比商业devkit有一个优势，你可以自定义它的形状和应用。（除了能够任何额外的传感器，功能等）

这是一个完全定制的基于stm32的PCB（印刷电路板）。完全自定义，它比商业devkit有一个优势，你可以自定义它的形状和应用。（除了能够任何额外的传感器，功能等）

在本文中，我将向您展示开始为自己设计这些很酷的定制板所需的一切，而不是典型的项目，从而为您自己的许多新的令人兴奋的项目提供动力。我还将向您展示STM32何时是其他mcu（微控制器单元）（如ESP32或Arduino）的好选择，以便您很好地了解它们之间的利弊。

如果你对设计自定义ESP32板感兴趣，我在这里写了一个完整的单独教程。

在这个项目中，我将构建STM32H573，因为它具有高性能、大容量内存、紧凑的尺寸和具有竞争力的价格点。这是一个很棒的万能芯片！

该板将包括：

•紧凑的35x35mm尺寸

•RGB，电源和闪烁led

•USB-C供电和上传

•SWD调试引脚

•BOOT和RST（复位）按钮

•电源、GND和最好用的gpio都坏了

•HSE和LSE外部振荡器

•防静电保护

让我们开始吧!

为什么STM32 ?

根据我的经验，stm32优于典型的微控制器有两个主要因素：

•Volume

•Support

通过体积，我指的是有字面上成千上万的不同类型和变种的stm32。在Digikey上简单搜索一下就能证实这一点。

这很重要，因为这意味着几乎总是会有一个STM32完全符合您想要创建的项目的确切要求和规格。这也很有帮助，因为这意味着如果你想要构建一个产品投入生产，你就不会在你不需要的其他外围设备等上花费更多。（稍后我将介绍STM32的类型以及如何选择它们。）

我前面提到的第二个主要因素（环境）是指专业开发或其他方式开发的STM32项目的绝对数量。这在选择理想的MCU（微控制器单元）时尤其重要，因为这意味着意法半导体（STM32背后的公司）有关于他们的产品和开发工具的大量文档。

也许最好的例子是他们的STM32CubeIDE开发环境。我已经使用ESP-IDF （ESP32版本）有一段时间了，在尝试CubeIDE时给我留下了深刻的印象，因为它们使用了一个用户界面来配置引脚和外设，可以自动生成必要的代码，而不必自己编写。这使得基本设置（配置I2C等）变得非常简单。CubeIDE还可以运行许多不同的操作系统，比如我最喜欢的FreeRTOS（基于线程的操作系统），它也非常酷。

我在我的主页上使用的RGB LED演示示例代码可以在这里找到。

但是学习使用CubeIDE应该有自己的教程（稍后再查看）。我们现在继续前进吧！

很快地，我还想宣布RoboticWorx正式推出了一款产品！这是PolyCast5多工具遥控器。如果你感兴趣，可以在这里查看！

为什么不是STM32？

STM32非常棒，但它确实不是每个项目的理想选择。目前，我的两个首选微控制器是STM32和ESP32，我还没有遇到一个项目，其中一个不能擅长。以下是我如何在它们之间做出选择：

STM32+NRF是指STM32与专用收发IC（如NRF系列芯片）配对。

当然，情况并非总是如此，但这是我如何选择的一个很好的大纲，并且大多数时候都是正确的。ESP32具有强大的功能，但非常耗电。等效的STM32比ESP32贵一点，但具有更好的功耗特性，并且可以提供更多特定的功能。总会有一些让步和让步。

这是一个ESP32模块，里面有一个较小的ESP32 SoC（片上系统），如果需要，您可以直接使用。这也不是按比例的！

我已经对ESP32和STM32给予了很多关注，但是你的Arduino （ATmega）用户呢？事情是这样的：

Arduino是介绍嵌入式系统（设计和制作电路板）的绝佳方式，但它是初学者的设备，与上述设备相比，它的优势很大。

这不是一个完美的图表（许多选项用于GPIO重新配置，外部ram等），但它是一个基本的通用大纲。

Arduino R4是UNO的可靠升级，但仍然无法与大多数stm32或esp32的功能相匹配。而且arduino的类型也不多，这严重损害了您在构建项目时的选择。

但是，即使说了这么多，如果你以前没有做过这样的项目，我强烈建议你先用Arduino做一些。一头扎进去可能会让人不知所措，只会导致困惑和沮丧。Arduino有一个很好的项目社区，可以帮助你，我强烈建议在开始定制pcb之前先学习Arduino项目。（这篇文章还会在这里！）

选择STM32

正如我之前提到的，有很多STM32的选择！这是一个很好的问题，但是知道哪一个最适合您的项目可能会令人困惑。以下是一般指导原则：

我可能会选择ESP32而不是任何无线版本（尽管我确信它们会工作得很好），所以我跳过这些。

为了扩展这张图片，选择stm32的一个重要部分没有被提及的是它是什么时候发布的，以及如何使用它来节省资金和获得性能。

例如，STM32F446的价格为8.85美元，包括180MHz的最大时钟速度和512KB的闪存。这些都是不错的统计数据，但我可以便宜45美分买一台STM32H573，它的最大时钟速度是250MHz，内存是2MB。它的内存几乎是原来的4倍，处理速度更快，而且更便宜！

好吧，发生了什么？

这是因为F446是在2016年2月发布的，H573是在2023年3月发布的。但现在新芯片更便宜，这似乎没有多大意义。这是有效的，因为新东西并不一定意味着它的成本更高。新技术使制造更难的东西（比如更多的闪存）变得更容易，这有助于降低价格。此外，作为一种更新的芯片，较低的价格将吸引人们开发具有更好技术的新产品，以帮助淘汰旧版本（F4），为新版本（H5）腾出空间。

我说这一切的目的是让你选择更新的stm32 ！您将节省资金并获得更好的性能。解决了这个问题，我们可以回到图表上。

•对于低功耗可穿戴设备/应用，STM32U系列是非常好的。

•这些有许多口味，例如高性能超低功耗STM32的STM32U5或更小但也更便宜的STM32U0。

•STM32L系列也可以，但比U系列老，所以要相应挑选！

•对于通用材料（基本应用），STM32C系列是一个可靠的选择。

•它将于2023年1月发布，这是一款全新的游戏（在撰写本文时），并提供了一些不错的特性。

•它也是一种非常便宜的集成电路，可以成为开发大规模产品的绝佳选择。

•对于高性能（我最喜欢的之一），STM32H5真是太棒了！

•这是一个非常新的系列，于2023年3月发布，提供了一些非常酷的功能和高级安全选项，如TrustZone。

•对于真正的高性能（图像处理等），STM32H7占主导地位。

•它可以提供550MHz左右的最大时钟速度，这是相当疯狂的。

•它比其他的老一点，但你要为它的性能付出代价。

当然，这些并不是严格的指导方针，建议您查看各种不同的stm32，以选择最适合您的应用程序的stm32。它们也可能不是未来的最新/最佳选择，所以一定要查看ST的官方页面和推荐。这里还有一个很好的维基百科页面，上面有一些发布日期和信息。

现在让我们继续构建实际的STM32H573！

这些项目需要一段时间才能推出。如果您想支持我创建这些免费教程的工作，请考虑成为免费或Plus订阅者！

示意图

在选择STM32之后（在我的例子中是STM32H573），我总是首先打开数据表。这也是一个确保你的选择满足你的项目需求的好地方，因为你通常可以在首页和“描述”部分找到一些总结的细节。

在那之后，你会得到大量的信息。但是我们不一定需要知道所有这些才能开始使用MCU和构建PCB。

最基本的第一步，需要完成让这个坏男孩运行是确保足够的电力供应。为此，请转到数据表中的“电气特性”部分并滚动到电源方案。

您可能会注意到有两种不同的方案，一种用于SMPS（开关模式电源），一种用于LDO（低差稳压器）。对于本例，为了简单起见，我将选择LDO，但是要知道，如果您想要更高的效率，SMPS也是一个不错的选择。

这看起来像很多东西，但它真的不是那么复杂。基本上，所有这些都是在向我们展示去耦电容器需要放在哪里才能稳定运行。所以我将把这些建议复制到我的KiCad项目中。KiCad是一个免费的，超级棒的软件，用于开发pcb。你可以在这里查看)。

我还想指出，ST有很多应用笔记，如果你需要额外的资源，你可以查看额外的建议和指导方针。

太棒了!接下来我们可以看看晶体振荡器。

如果你已经安装了KiCad，但不知道我如何把STM32H573符号放在那里，我从超级图书管理员下载了它。Ultra Librarian和SnapEDA是导入默认KiCad库中未包含的外部PCB符号和足迹的重要资源。

要查找晶体振荡器信息，请转到标题为“具有8MHz晶体的典型应用”的部分。

8MHz晶体通常是大多数stm32的默认使用，尽管从技术上讲，您可以选择4-50MHz的晶体。现在，你可能想知道这是什么或者为什么需要它。所有这些都为STM32提供了一个参考信号（以设定的频率进行周期性的高到低振荡），以基于其内部操作。大多数stm32也带有一个可以使用的内部振荡器，但它不像外部振荡器那么精确，基本上更糟。例如，某些外设（如USB）需要非常特定的时钟频率来满足协议规范，而内部振荡器无法轻松完成。

对于这个项目，我只是选择了ECS-80-18-23B-JTN-TR作为晶体，因为它在相当紧凑的尺寸下具有体面的公差（±20ppm），额定频率为8MHz。

另外需要知道的是，晶体通常需要负载电容器来确保稳定、可靠的振荡。它们的值可由下式计算：

其中C_load为晶体的额定负载电容，C_stray为PCB走线和引脚的杂散电容。有时STM32数据表中有提到的杂散电容，但在这种情况下，我没有看到STM32H573。然而，检查一下总是最好的。

如果你愿意，你也可以添加一个LSE（低速外部时钟），它通常是32.768kHz，用于RTC（实时时钟）和低功耗操作的精确计时。你可以用同样的方法计算负载电容，如果你选择添加它。

在为STM32打破任何引脚之前，确定您实际需要的项目引脚是有用的。与esp32不同，esp32有一个GPIO矩阵，允许任何GPIO用于任何特定功能（给定它们没有内部映射），STM32引脚更具体。例如，如果您需要使用SPI，则需要断开具有SPI功能的引脚。对于这个项目，因为没有什么特别需要的，我只是启用了一堆随机的外设，然后把它们拆开，这样PCB就可以灵活了。

这就是说，然而，stm32仍然有些灵活，因为多个引脚可以用于相同的目的。这方面的一个例子是，在这个芯片系列上，PA5和PB3可以用作SPI1_SCK等。在CubeIDE上，如果您感兴趣，可以按住CTRL然后单击给定的引脚来查看。如果您不想弄乱CubeIDE（这也很好），您也可以通过数据表上的引脚来确定哪个做哪个。

虽然我们在引脚的主题上，我还想指出STM32调试。这与您可能在USB上使用ESP32不同，因为您需要使用特定的调试引脚（以及调试器，但稍后会详细介绍）。我个人最喜欢的调试方法是SWD（串行线调试）与“跟踪异步Sw”。启用此功能后，您将获得SWO（串行线输出）引脚，该引脚允许打印到终端（通过printf），这对于记录事物的内部状态非常有用。当我第一次开始使用stm32时，我花了很长时间才弄清楚这一点，但它非常有用；强烈推荐!我希望您可以享受我扩展的故障排除的成果。

因此，总的来说，要进行调试，您将拥有SWO， SWDIO和SWCLK，引脚和可选的NRST引脚，以及电源和GND。然后，当时间到来时，您将这些引脚连接到您选择的调试器，然后通过它使用的任何电缆连接到您的计算机。

•SWCLK -串行线时钟

•串行线数据输入/输出

•SWO -串行线输出

最后，我们可以简单地连接BOOT0和NRST引脚。在大多数stm32上，当BOOT0引脚高时，启动模式（“仅上传代码”模式）被激活，因此添加一个下拉电阻以确保默认情况下它是低的，以便闪存程序可以运行。对于NRST引脚则相反，其中STM32在引脚低时被禁用（复位），因此需要一个上拉电阻来代替默认的高状态。我们也可以将这些引脚连接到PCB上的触觉开关（按钮），这样我们就可以在需要时激活任何一个。

添加一个小电容来平滑任何按钮弹跳也是一个好主意，因为正如您可以想象的那样，每次按下都快速重置/启动STM32是不理想的。

另一个我从自己的项目中学到的技巧是在原型制作时添加一个“闪烁”LED。这个LED的唯一工作就是闪烁（你用代码告诉它），这听起来没什么用，但实际上非常有用。当它闪烁时，您知道代码实际上正在运行（没有卡在任何地方，这实际上经常发生），以及STM32实际上在听您的声音。这消除了设置中的任何潜在问题，其中可能代码没有正确编译/配置错误并导致奇怪的行为。

有了这个，你可以添加一个标准的USB连接器和电压规则，并完成！当然，如果需要，您也可以添加额外的组件，如电池充电器，传感器等，但在这里我只关注基本的STM32。

此处还增加了ESD保护，建议使用USBLC6。

如上所述，在原型制作时强烈建议使用电源LED，以便您知道PCB是否通电。这对于识别短路也很有用，这在第一次给电路板通电时非常有用。(在短路的情况下，没有电流流过LED，它将关闭。只要插上电源就很容易知道。)以下是完整的示意图供您参考：

布局

在开始之前，我还想指出，ST通常会提供大量的应用笔记，其中包含使用其产品开发的额外指导方针和建议。我建议在处理新事物时经常检查它们。这是该板上的STM32H573 MCU的一个。

现在我们已经完成了原理图，我们可以移动到PCB布局，这就是实际PCB的设计方式。首先，我们应该打开PCB板编辑器并导入设计。

之后，我们应该转到File > Board Setup > Physical stack，并选择4个铜层。如今pcb相当便宜，做两层pcb真的没有多大意义，因为你会以最低的成本错过免费的接地和电源平面。

在设置的时候，我也喜欢去编辑>文本和图形属性，然后格式化所有的参考指示器为0.8的高度和宽度和0.15的厚度。这是大多数PCB制造商无需支付额外费用的典型最低要求。为了清理布局，我通常还会隐藏组件值，因为布局并不真正需要它们。

更好的!我们也可以创建一些预定义的大小，现在在文件>板设置>预定义的大小。这样，我们就可以在路由时选择一些默认的大小。我通常尽量不要低于我在这里所拥有的，因为走线/通孔越小，PCB的制造成本就越高。在空间允许的情况下，您在这里看到的较大的走线用于路由电源等。

从那里我们可以继续并创建一个轮廓板（选择“边缘切割”层）。如果有机械约束，请确保PCB尺寸合适。由于这对我来说只是一个通用的电路板，我将根据组件数量做一个合理尺寸的粗略hack， 35x35mm。

现在您可以开始放置较大的组件，以查看所有组件如何能够组合在一起。在这个阶段，我的设计看起来是这样的，几个主要组件大致放置在后面进行调整。

这也可以给你一个想法，如果一切都将能够实际适合PCB。看起来我应该可以，所以我知道我可以继续。

现在我们可以开始放剩下的了。最好从其他主要元件及其各自的电容开始，因为电容的位置确实很重要，因为一个引脚的给定电容应该尽可能靠近该引脚以进行去耦。你应该在原理图之间来回切换，看看哪个电容器去哪里，然后尽你最大的努力把它放在尽可能靠近它所连接的任何地方。这样做了一段时间后，您的PCB可能看起来像这样，只有主组件和电容器放置。

我还应该指出，晶体振荡器应该尽可能靠近它们各自的引脚，因为你想尝试减少杂散电容。

如果你找到一个更理想的方法，你也可以随意移动东西。你可能会注意到，我把电源的东西，如USB→稳压器彼此靠近。这是一个好主意，因为它们直接在原理图上相互馈送（来自USB的5V被调节到3.3V），这使得连接更容易，并给PCB一些流量。只要有可能，您就应该尝试这样做，以帮助自己获得路由和良好的设计实践。

一旦关键组件（电容器，主流等）的位置看起来不错，我们就可以转移到电阻和其他东西。这些问题不那么重要，但它仍然是一个很好的做法，将它们尽可能靠近它们连接的任何东西，因为它将使路由更容易，当我们做下一步（连接所有的痕迹）。

太棒了!现在我们可以进入下一步，即路由所有不同的连接。

路由

这里的一个关键元素是铜层。有很多不同的方法可以做到这一点，但我通常会使用这个堆栈：

•顶层-信号走线

•In1层-接地面

•第2层-带填充物的电源走线

•底层-信号走线

这意味着我所有的信号走线（各种连接）将位于顶层和底层（但主要是顶层），并且在第2层上将有一个坚实的接地平面，以便所有组件能够访问，并且在第3层上将有3.3V用于类似目的。接地平面还可以很好地隔离主信号层和电路板的其余部分，这一点很重要，因为它也为所有信号提供了一些耦合。我还喜欢在信号层上填充任何开放区域，作为一个很好的设计实践，因为它有助于防止在制造过程中由于铜不平衡而产生翘曲。所以让我们继续创建这些平面！（“添加填充区域”）

注意：为了方便起见，我在第3层使用了一个3.3V的平面，但是你通常只在第3层上做电源走线，然后在第3层的其余部分填上地线！

如果你现在按下“B”，区域就会被填满，如果你想要查看的话，这很好。完成后可以按CTRL+B取消填充。看起来顶部，In1和底层现在都变成了地平面，但是当我们完成路由时，顶部和底部的地面倾倒量将显着减少。

开始，我喜欢做最重要的痕迹。这通常是USB D+/-差分对和晶体振荡器。在那之后，我喜欢连接电容器，然后电源与gpio最后。因此，由于USB走线是差分对，它们需要一起布线，这样它们就可以抵消emi方面的噪声。也许是这样的：

这也很有可能你最终移动了很多痕迹，因为更多的路由，所以不要担心太多，使任何一个痕迹完美。我现在可以为晶体振荡器走线做同样的事情（尽管它们不是微分对）。

您可能会注意到，我使用了较粗的走线来连接负载电容器，这是一个很好的设计实践，因为较粗的走线可以减少电阻。差别不是很大，所以没关系，但如果你能的话，那就太好了。你可能还注意到我的底部LSE晶体有点拉伸。如果在设计之后，您注意到这种增加的杂散电容导致问题，那么您可以随时调整我们之前计算的负载电容的大小。

连接电容器时，最好将其直接连接到电源平面的任何引脚上，而不是简单地连接到电源平面上。这些电容器专门用于断开它们所连接的引脚的耦合，并且应该这样布线。下面是一个例子：

这是一个理想的电容器连接应该看起来像。你会注意到我使用了一个更厚的痕迹，我可以直接从平面（via）连接到电容，到引脚。你应该在任何可能的地方这样做。

如果你想提前考虑，你也可以在任何需要接地的地方打开接地孔。像电源平面一样，这个通孔将把给定的pad直接连接到平面上，以获得干净的连接。这不需要在任何地方都这样做，因为铜填充物会使大多数东西接地，但这是一个很好的设计实践，因为任何地方都有一个通孔，到平面的接地路径会更短，从而产生更好的接地连接。这对集成电路接地引脚尤其重要。

我还想指出，寻找一些可能不那么明显的明智的路由技巧。例如，稳压器用其3.3V输出为所有组件供电，对吗？因此，当将3.3V进入电源平面时，使用几个过孔而不是一个过孔是很好的做法，这样电阻就会降低，输出更容易进入电源平面，并在所有这些方向上被拉到所有电容器等。另一个很好的例子是尽可能分散走线（减少串扰），并增加携带最大功率的走线的宽度，因为电阻对这些走线最重要（它们连接到所有东西），并且它们可能会发热（取决于负载）。这样做的时候，仔细思考一下是很有用的，这样你就可以问自己：“有没有更好的方法来做这件事？”

重复一点后，你的PCB可能看起来像这样。

完成关键走线后，您现在可以切换到较小的走线宽度（0.2/0.25mm）并布线其余部分。（不过如果可以的话，厚一点更好。）这将是gpio，各种电阻器等。一段时间后，您可能会得到如下所示的内容。

太酷了!在此之后，你应该四处走动，在有铜填充的地方添加额外的接地孔。这在各层之间创造了更好的耦合，并在电路板周围提供了额外的接地路径。（这样可以更好地接地。）

作为一个有用的提示，你可以通过点击Tools > Add Teardrops > OK来做一些清理，以及Tools > Remove Unused Pads > Scope: Vias > Action: Remove Unused layers泪滴通过产生铜来减少阻力，从而可以轻松进出现有的痕迹、衬垫等。然后去除未使用的过孔，使接平面在现有过孔之间的空间中生长，以便更好地接地。

几乎完成了!最后的检查是运行DRC（设计规则检查）来检查问题。您可能会得到很多“错误”，但并非所有错误都是问题。例如，也许你会得到一个热释放错误，但这是对于一个小的电容器或者不需要好的热释放的东西。在这种情况下，你可以忽略它们，但重要的是要检查所有的错误，以确保没有破坏你的设计或可制造性（例如< 0.2mm间隙）。

当一切顺利的时候，你就可以在黑板上写上版本或者日期了。如果它是你正在开发的需要多次修改的大型项目的一部分，这将很有帮助。

这样，您就可以继续导出制造文件了。文件>制作输出> Gerbers。然后单击“Plot > Generate Drill File > Generate Map File”。

然后，打开文件管理器或类似的工具，选择刚刚生成的所有文件，并将它们压缩成a.p zip文件。我们现在可以把它们寄给我们选择的制造商！

电路板

完成后，我们就可以制造电路板了！

可以在这里找到该板的Gerber/制造文件。

可编辑的STEP和KiCad PCB文件可在这里添加用户。想成为付费用户吗？只要5美元，我将非常感谢您的支持！

带有标识的零件清单（BOM）可以在这里找到，如果需要，可以在这里找到CPL。像往常一样，我知道订购零件看起来很痛苦，但实际上并没有那么糟糕，因为您从一个项目订购的几乎所有零件都可以重复使用。想想你会从一些实践经验中学到多少东西！

像往常一样，我知道订购零件看起来很痛苦，但实际上并没有那么糟糕，因为您从一个项目订购的几乎所有零件都可以重复使用。想想你会从一些实践经验中学到多少东西！

如果您有兴趣了解更多关于嵌入式系统（PCB设计/开发），请查看YouTube上的Robert Feranec和Phil 's Lab。他们是很棒的设计师，我从他们身上学到了很多东西。

要实际生产PCB，我们需要通过制造商。为此，我使用了PCBWay！

我从来没有质疑过他们的质量，他们还提供许多其他服务，如CNC加工，3d打印和PCB组装。它们还具有九种不同的阻焊颜色可供选择和三种不同的丝印，这非常适合定制。（我甚至相信他们现在有多色阻焊板！）我选择我的是蓝色的，因为我喜欢这个颜色，它提供了一个纤细的阻焊间隙，但你可以自由地选择你的是任何你喜欢的颜色！

因为我是用KiCad设计的，我甚至不需要离开我的设计软件去检查，这要感谢他们方便的插件！如果没有，你可以去PCBWay.com，点击快速订购PCB，并上传电路板的Gerber文件。或者，你也可以去这里，我保存在我的收藏夹栏里。我建议在结帐时点击模板选项，使手工组装更容易！

其他所有内容都可以保留为默认值，除非您想要进行任何特定的调整。（无铅表面处理，去除产品编号等）

大约一个星期后，当我拿到板子时，它们看起来棒极了！