在此之前我是个只会抄写原理图的工程师，每当遇到一个问题时，确需要解决很久，最根本的原因在于不明白其中的原理，这次补充一下单片机复位电路设计

1. 为什么要设计复位电路？

在做一件事情之前需要明白为什么要这么做，我们为什么要设计复位电路呢？一下几点原因是我总结出来的。

• 当你的电脑出现卡死等问题的时候，大部分人会直接重启(攻城狮除外)，目前市面上很多电子产品都会用复位按键，所以一个成熟的产品是大概率需要复位的
• 在产品调试阶段，尤其在调试软件的时候需要经常复位软件， 有些工程师也会采用软件复位， 不过软件复位没有硬件复位来的快捷。

以上两个理由足以说明为什么要复位电路了。

2. 复位时是具体做了哪些工作？

主要做的就是初始化每个寄存器，包括最重要的 PC 指针，不包括 RAM，然后单片机从复位地址开始执行程序。(欢迎补充)

3. 复位的前提需要什么？

3.1 复位信号

每种方式对应一种复位信号，比如硬件复位需要低电平，软件复位需要设置寄存器，看门狗复位需要配置寄存器，下面我们着重讲硬件复位，由STM32的数据手册可知，复位管脚低电平电压需要小于0.8V，输入脉冲时间为100ns。所以只需要在NRST管脚给小于0.8V的电压，持续时间为100ns就可以实现复位了。

3.2 CPU正常工作

为什么CPU需要正常工作？因为复位操作需要设计PC寄存器， 这涉及到软件层面， 故所以需要CPU能正常功能才能进行复位

3.3 晶振正常工作

为什么晶振需要正常工作？由3.2可知CPU需要正常功能， 那么CPU是靠什么正常工作的呢？显而易见CPU是靠晶振提供时钟频率的，所以晶振需要正常工作

3.4 电源正常工作

试想一下，如果电源不稳定，电压波动范围很大， 是不是会影响CPU的运行？的确是这样子的，电源一定要稳定。

3.5 复位信号是不是只要满足低电平时间大于100ns就可以呢？

100ns时间是很短的，很容易达到， 但是有没有试想一下如果只给100nS，那么此时是由复位信号了， 但是电源还没到VCC，晶振还没起振？ 这一定存在的，因为上电时，Vcc 的上升时间约为 10ms，而振荡器的起振时间取决于振荡频率，如晶振频率为 10MHz，起振时间为 1ms；晶振频率为 1MHz，起振时间则为 10ms。目前STM32单片机大部分采用8M高速晶振，那么主要问题出在电源的上升时间，为了保证系统的稳定性， 这里我们去2倍吧，20ms的低电平时间。

4. 怎么设计复位电路？

目前市面上的复位电路大部分采用RC复位，这种方式成本低廉，稳定性好，被用于大部分的设计中。

4.1 RC充电原理

4.1.1 什么是电容充电？

电荷在电容器极板上聚集的过程叫做充电过程，这个过程不是瞬间完成的，而是需要一段时间，时间取决于电路的组成元件。

4.1.2 基本RC充电电路

如图1所示，开关闭合的瞬间，电子在电源的作用下从位于电容顶部的极板沿电路移动并聚集到位于底部的极板上，导致在顶部极板聚集了正电荷，在底部极板聚集了负电荷。
开始时，电子的转移非常迅速，随后由于两个极板间产生的电压逐渐接近于所加的电源电压，移动速度减慢。最终，当电容两个极板间的电压达到所加的电源电压时，电子移动过程停止，这时候，极板上的净电荷是：

电荷在极板上聚集的过程叫做瞬态过程 —— 电压或者电流从一个稳态到另一个稳态的过程。电压-时间变化过程曲线如图2所示：

注意：vc 和 Vc 是有区别的。vc是变量，Vc是常量。

从图2中可以看出， t=0s时，电容器两端电压是 0V；一开始，电荷聚集的速度很快，导致电压急剧增加。随着时间的推移，电荷聚集的速度减慢，导致电压变化的速率也减缓，即电压继续增加，但速率变慢。最终，由于极板间电压接近外加电压，充电速率极低，直到极板间电压等于外加电压 —— 瞬态过程结束。

可以用数学中的指数函数来描述上述过程，图2的过程曲线可以用

式中：

• vc用小写斜体来表示，因为它是随时间变化的，不是常数；
• 指数写为时间(t)除以常数涛，涛称作时间常数，定义为：
  涛=RC (S)
• t=0S 时， vc=0；
• t=涛S 时， vc=0.632E；
• t=2涛S 时， vc=0.865E；
• t=3涛S 时， vc=0.993E；

可以得出：在直流电源作用的电路中，电容器两端的电压在经过5个时间常数后基本等于外部电压，即充电过程基本结束。
或者：一个电容的瞬态或充电过程在经历5个时间常数后便基本结束。

电流-时间变化过程如图3所示：

下图为涛=1，E=1 的充电(上升曲线)和放电(下降曲线)的电压时序图

4.1.3 关于时间常数涛

时间常数涛不可能为0，因为在容性电路中总会存在一定的电阻。在有些情况下，涛的值可能很小，但是无论多小，5倍涛的值一定存在，不可能为0。因此可以得出：电容两端的电压不能瞬间改变。

更进一步的说，电容的大小反映了电容电压变化的程度。电容越大，时间常数越大，电容两端的电压达到所加电压的时间就会越长。这在避雷针和浪涌抑制器的设计上非常有帮助，避雷针和浪涌抑制器是用来保护电路以免电路受到不可预知的过电压的损害。

4.2 STM32单片机复位电路设计

4.2.1 复位原理

我们可以根据上述的RC充电原理，采用一个电阻和一个电容串联，中间段连接至STM32的复位管脚。为了保证复位的时间很短，由上述曲线可知，当在一个时间常数时，电压为电源电压的0.632倍，若VCC=3.3V，那么一个时间常数时电压为：3.3-3.30.632=1.21V >0.8V 不满足我们的需求， 2个时间常数的时候电压为3.3（1-0.86）=0.462 < 0.8V. 满足需求，时间为100ms，2RC=20ms, RC=10mS, 可选择R=10K，C=10uF。

4.2.2 原理图设计

按照我们上面说的理论，其实有两种方式，如下图所示，那么哪种才是我们想要的呢？下图两者的区别在于电容的电阻的位置不同， 由于电容两端的电压不能突变，当刚上电时，A电路为低电平，此时单片机复位，直到保持到1个时间常数后，NRST为高电平，而B电路，一上电为高电平，1个时间常数后NRST管脚为低电平， 并且一直保持低电平， 这样会导致MCU一直复位，所以正确的电路应该A电路，而B电路适合用于高电平复位的MCU。

上图为上电自动复位电路， 如果需要加手动复位的话也和简单，只需要在AB电路的电容两端并联一个按键，当按键按下时，A图中的NRST为低电平，MCU复位，B电路为高电平。

参考资料

• lRC电路的瞬态响应-充电过程.
• 单片机在复位的时候，都进行了哪些操作？如何进行复位电路的设计？.

本篇文章针对所有的STM32芯片，网上有不少文章叙述了有关STM32复位电路的相关内容，也有很多推荐电路，例如ALIENTEK给出的复位电路，如下图所示。

不过还有一些推荐电路，不需加上拉电阻，或者电容也不加，那到底应该如何设计呢？还需看一下官方手册的推荐电路，如下图所示。

可看到，复位电路具有内部上拉电阻，外部只需接0.1uf电容即可，不需在外部电路上拉10K电阻，上拉后只会使上拉电阻变小，减小复位时间，或会导致复位不正常。内部上拉电阻阻值和其它参数如下表所

绘制STM32最小系统电路原理图、STM32F103读取SD卡的数据

1 AltiumDesigner 软件配置

1. 安装连接：百度网盘
   提取码：fnr9
2. 解压——安装包——双击打开AltiumDesigner18Setup.exe——

利用AD软件，完成以下任务
用Altium Designer绘制一个stm32最小系统的电路原理图，并在此基础上完成STM32+SD卡 的系统原理图设计。

2 AltiumDesigner 绘制STM32最小系统原理图

2.1 建立工程文件

1. File——New——Project——PCB Project
   （记得将工程保存在文件夹下。）
   
2. File——New——Project——PCB Project——Schematic
3. 导入元件库：右上角“库”——Libraries——可用库——右下角“添加库”——选指定的元件库——打开。
   

2.2 基本绘制方法

1. 选择芯片，将其拖入界面（STM32C8T6）。要放置其余原件也是类似方式。
   
2. 延长引脚线，设置标签。
   
   
   
3. 点击原件，按空格键可以旋转 90°。

2.3 绘制其余模块

系统供电稳压
调试JTAG、SW模块

复位模块

I/O接口

扩展供电接口

STM32USB

数据存储E2

OLED

STM32

3 AltiumDesigner 绘制STM32+SD卡原理图

如图示STM32F103CT6 和 SD 卡的原理图。

4 SD卡概述

4.1 SD 卡简介

SD存储卡是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，由于它体积小、数据传输速度快、可热插拔等优良的特性，被广泛地于便携式装置上使用，例如数码相机、平板电脑和多媒体播放器等。

4.2 SD 卡模块结构

各个部分的功能：

一共有6个接口，分别是GND，VCC，CS，SCK，MOSI，MISO。VCC是供电，GND是接地。其他4根是SPI通讯时用的，CS是片选，SCK是时钟信号，MOSI为主输出从输入，MISO为主输入从输出。

4.3 SD 卡的寄存器

4.4 SD 卡操作

• SD卡初始化过程（知道 SD 卡的类型V1、 V2、 V2HC 或者 MMC）：

  初始化与 SD 卡连接的硬件条件（MCU 的 SPI 配置， IO 口配置）；
  上电延时（>74 个 CLK）（因为 SD 卡内部有个供电电压上升时间，大概为 64 个 CLK，剩下的 10 个 CLK 用于 SD 卡同步，之后才能开始 CMD0 的操作）；
  复位卡（CMD0），进入 IDLE 状态；
  发送 CMD8，检查是否支持 2.0 协议；
  根据不同协议检查 SD 卡（命令包括： CMD55、 CMD41、 CMD58 和 CMD1 等）；
  取消片选，发多 8 个 CLK（提供 SD 卡额外的时钟，完成某些操作），结束初始化；
  

• SD卡读取数据（CMD17）：

  发送 CMD17；
  接收卡响应 R1；
  接收数据起始令牌 0XFE；
  接收数据；
  接收 2 个字节的 CRC，如果不使用 CRC，这两个字节在读取后可以丢掉。
  禁止片选之后，发多 8 个 CLK；
  

• SD卡写数据（CMD24）：

   发送 CMD24;
   接收卡响应 R1；
   发送写数据起始令牌 0XFE；
   发送数据；
   发送 2 字节的伪 CRC；
   禁止片选之后，发多 8 个 CLK；
  

5 SD卡数据读取实作

用STM32F103完成对SD卡的数据读取（fat文件模式）。

5.1 源代码

工程文件连接：
百度网盘
提取码：e63q

1. main函数中修改文件名以及输出内容
   

   int main(void)
   {
     /* USER CODE BEGIN 1 */
   
     /* USER CODE END 1 */
     
   
     /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/
   
     /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
     HAL_Init();
   
     /* USER CODE BEGIN Init */
   
     /* USER CODE END Init */
   
     /* Configure the system clock */
     SystemClock_Config();
   
     /* USER CODE BEGIN SysInit */
   
     /* USER CODE END SysInit */
   
     /* Initialize all configured peripherals */
     MX_GPIO_Init();
     MX_SPI1_Init();
     MX_FATFS_Init();
     MX_USART1_UART_Init();
     /* USER CODE BEGIN 2 */
   	
   	HAL_UART_Receive_IT(&huart1,&aRxBuffer1,1); 	//enable uart	
   
   	printf(" mian \r\n");
   
   	Get_SDCard_Capacity();	//得到使用内存并选择格式化
   
   
   
     /* USER CODE END 2 */
   
     /* Infinite loop */
     /* USER CODE BEGIN WHILE */
     while (1)
     {
   		
   		
   		
   		WritetoSD(WriteBuffer,sizeof(WriteBuffer));		
   
   		
   		
   		HAL_Delay(500);
   		WriteBuffer[0] = WriteBuffer[0] +0;
   		WriteBuffer[1] = WriteBuffer[1] +1;
   		write_cnt ++;
   		
   		while(write_cnt > 10)
   		{	
   			printf(" while \r\n");
   			HAL_Delay(500);
   		}		
   		
   
   		
       /* USER CODE END WHILE */
   
       /* USER CODE BEGIN 3 */
     }
     /* USER CODE END 3 */
   }
   

2. 其余函数：

   // SD卡初始化函数  
    void Get_SDCard_Capacity(void)  
    // SD卡写入函数
    void WritetoSD(BYTE write_buff[],uint8_t bufSize)  
   

   //SD 卡初始化函数
   void Get_SDCard_Capacity(void)   
   {
   	FRESULT result;
   	FATFS FS;
   	FATFS *fs;
   	DWORD fre_clust,AvailableSize,UsedSize;  
   	uint16_t TotalSpace;
   	uint8_t res;
   	
   	res = SD_init();		//SD卡初始化
   	if(res == 1)
   	{
   		printf("SD卡初始化失败! \r\n");		
   	}
   	else
   	{
   		printf("SD卡初始化成功！ \r\n");		
   	}
   	
   	/* 挂载 */
   	res=f_mount(&FS,"0:",1);		//挂载
   	if (res != FR_OK)
   	{
   		printf("FileSystem Mounted Failed (%d)\r\n", result);
   	}
   
   	res = f_getfree("0:", &fre_clust, &fs);  /* 根目录 */
   	if ( res == FR_OK ) 
   	{
   		TotalSpace=(uint16_t)(((fs->n_fatent - 2) * fs->csize ) / 2 /1024);
   		AvailableSize=(uint16_t)((fre_clust * fs->csize) / 2 /1024);
   		UsedSize=TotalSpace-AvailableSize;              
   		/* Print free space in unit of MB (assuming 512 bytes/sector) */
   		printf("\r\n%d MB total drive space.\r\n""%d MB available.\r\n""%d MB  used.\r\n",TotalSpace, AvailableSize,UsedSize);
   	}
   	else 
   	{
   		printf("Get SDCard Capacity Failed (%d)\r\n", result);
   	}		
   } 
   

   //SD卡写入函数
   void WritetoSD(BYTE write_buff[],uint8_t bufSize)   
   {
   	FATFS fs;
   	FIL file;
   	uint8_t res=0;
   	UINT Bw;	
   	
   	res = SD_init();		//SD卡初始化
   	
   	if(res == 1)
   	{
   		printf("SD卡初始化失败! \r\n");		
   	}
   	else
   	{
   		printf("SD卡初始化成功！ \r\n");		
   	}
   	
   	res=f_mount(&fs,"0:",1);		//挂载
   	
   //	if(test_sd == 0)		//用于测试格式化
   	if(res == FR_NO_FILESYSTEM)		//没有文件系统，格式化
   	{
   //		test_sd =1;				//用于测试格式化
   		printf("没有文件系统! \r\n");		
   		res = f_mkfs("", 0, 0);		//格式化sd卡
   		if(res == FR_OK)
   		{
   			printf("格式化成功! \r\n");		
   			res = f_mount(NULL,"0:",1); 		//格式化后先取消挂载
   			res = f_mount(&fs,"0:",1);			//重新挂载	
   			if(res == FR_OK)
   			{
   				printf("SD卡已经成功挂载，可以进进行文件写入测试!\r\n");
   			}	
   		}
   		else
   		{
   			printf("格式化失败! \r\n");		
   		}
   	}
   	else if(res == FR_OK)
   	{
   		printf("挂载成功! \r\n");		
   	}
   	else
   	{
   		printf("挂载失败! \r\n");
   	}	
   	
   	res = f_open(&file,SD_FileName,FA_OPEN_ALWAYS |FA_WRITE);
   	if((res & FR_DENIED) == FR_DENIED)
   	{
   		printf("卡存储已满，写入失败!\r\n");		
   	}
   	
   	f_lseek(&file, f_size(&file));//确保写词写入不会覆盖之前的数据
   	if(res == FR_OK)
   	{
   		printf("打开成功/创建文件成功！ \r\n");		
   		res = f_write(&file,write_buff,bufSize,&Bw);		//写数据到SD卡
   		if(res == FR_OK)
   		{
   			printf("文件写入成功！ \r\n");			
   		}
   		else
   		{
   			printf("文件写入失败！ \r\n");
   		}		
   	}
   	else
   	{
   		printf("打开文件失败!\r\n");
   	}	
   	
   	f_close(&file);						//关闭文件		
   	f_mount(NULL,"0:",1);		 //取消挂载
   	
   }
   

3. 编译构建
   
   没有错误。

5.2 硬件连线

USB和STM32芯片的连线和之前一样，这里主要是SD卡和STM32芯片的连线。【这里要选择 5V 要是电压不够大，后面的内容无法进行】

连线如下图：

5.3 结果及分析

烧录代码， 打开串口调试助手

发现每按一次复位键，串口只发送“main”，说明SD卡并没有起到作用。

将 SD 卡插到电脑上，可以看到弹出格式化 SD 卡的窗口：文件系统选择FAT（按下图设置）。

格式化成功。

再次烧录并打开串口，注意考虑是否线路连接正常（接触不良等问题。）初始化和发送数据的过程要等一会儿才能完成，大约几分钟。

初始化成功，显示了“总内存和可用内存，挂载成功，文件写入成功”等信息。

再等待一会儿，就会发送“ while ”。表示成功。
把SD卡插到电脑上，可以看到里面有一个 “HELLO.TXT ” 文件。

打开该文件，发现前面几个字符出现了乱码。

这是代码中的问题，修改代码：将 main 函数中的如下函数进行修改（数字部分）。

再次编译、烧录、运行，最后打开 .TXT 文件。

可以看到问题解决了。（但是第二个字母发生了变化，按字母的顺序变化的，这里是代码中设置的“+1”，相当于ASCII码变化了，对应的内容也发生了变化。）

6 总结

• 原理图部分：原理图主要是连线仔细与否的问题。学习一个和专业相关的新软件，并明白要运用到的芯片的原理结构，能够帮助我们更直观地理解硬件与软件的交接。
• SD卡读取部分：主要是供电电压不足的问题。在前人的基础上完成一件事情是容易的，但也没有任何成就感。我想我们更需要的是去做一个先行者。

7 参考文献

Altium Designer2018下载安装及基本使用
STM32使用SPI方式读写SD 卡
STM32——SD卡和FATFS文件系统