「正点原子NANO STM32开发板资料连载」第二章 实验硬件资源详解

1）实验平台：ALIENTEK NANO STM32F411 V1开发板
2）摘自《正点原子STM32F4 开发指南（HAL 库版》关注官方微信号公众号，获取更多资料：正点原子

第二章 实验平台硬件资源详解
本章，我们将节将向大家详细介绍 ALIENTEK NANO STM32F411 各部分的硬件原理图，让大家对该开发板的各部分硬件原理有个深入理解，并向大家介绍开发板的使用注意事项，为后面的学习做好准备。
本章将分为如下两节：
2.1，开发板原理图详解；
2.2，开发板使用注意事项；
2.3，STM32F411 学习方法；
2.1 开发板原理图详解
2.1.1 MCU
ALIENTEK NANO STM32 开 发板 选择 的是 STM32F411RCT6 作 为 MCU ， 该芯 片是STM32F411 里中容量的，它拥有的资源包括：128KB SRAM、256KB FLASH、7 个通用定时器、
1 个高级定时器、2 个 DMA 控制器（共 14 个通道）、5 个 SPI、3 个 IIC、3 个串口、1 个 USB、
1 个 SDIO、1 个 12 位 ADC 以及 50 个通用 IO 口。该芯片是 STM32F4 家族常用型号里面，中
等配置的芯片，对于 STM32 初学者学习最为适合，所以我们选择了它作为我们 NANO 板的主
芯片。MCU 部分的原理图如图 2.1.1.1（因为原理图比较大，缩小下来可能有点看不清，请大
家打开开发板光盘的原理图进行查看）所示：

上图中 U1 为我们的主芯片：STM32F411RCT6。这里有个地方需要讲解下：
后备区域供电脚 VBAT 脚的供电采用 CR1220 纽扣电池和 VCC3.3 混合供电的方式，在有
外部电源（VCC3.3）的时候，CR1220 不给 VBAT 供电，而在外部电源断开的时候，则由 CR1220
给其供电。这样，VBAT 总是有电的，以保证 RTC 的走时以及后备寄存器的内容不丢失。
2.1.2 引出 IO 口
ALIENTEK NANO STM32F4 引出了 STM32F411RCT6 的部分 IO 口，如图 2.1.2.1 所示：

图中为 MCU 主 IO 引出口，排针共引出了 17 个 IO 口，STM32F411RCT6 总共有 50 个 IO，除去 RTC 晶振占用的 2 个，还剩 48 个，由于部分 IO 口被板载的功能芯片占用了，就没做引出。我们只通过 P1 的排针引出了 17 个 IO。
2.1.3 ST_LINK V2.1
ALIENTEK NANO STM32F411 板载 ST LINK V2.1 仿真器，仿真器电路分为几部分组成，
下面将简单介绍下：
1）ST_LINK MCU
ST_LINK V2.1 的 MCU 使用的是 STM32F103C8T6 作为主芯片，原理图如图 2.1.3.1 所示：

NANO 板在出厂前已经刷好了 ST_LINK V2.1 版本的固件，固件集成了下载仿真和虚拟串口两大的功能，用户无需另外再购买仿真器，另外 NANO 板节省 USB 转 TTL 电路，通过 P5排针将 MCU 的串口 USART1_RX 和 USART1_TX 引脚（STM32F103RBT6），与 ST LINK 的ST LINK_TX 和 ST LINK_RX 引脚（STM32F103C8T6）相连接，即可以实现 ST LINK USB 串口和 STM32F411RCT6 的串口通信了。同时，P5 是 PA9 和 PA10 的引出口。
2）ST LINK 状态指示灯
ST_LINK 状态指示灯的电路，如图 2.1.3.2 所示：

ST LINK 仿真器状态指示灯为绿色，当处于下载或仿真时，状态显示灯会闪亮。
3）ST LINK SWD 接口
ST_LINK SWD 接口的电路，如图 2.1.3.3 所示：


图 2.1.3.3 ST LINK SWD 接口
ST_LINK SWD 接口的电路，留出了 P4 SWD_5P 的标准下载接口，该接口可用于给外部MCU 使用，即 NANO 板作为 ST_LINK 下载仿真器。SW1 是选择开关，用于选择 ST_ LINK给内部 STM32F411RCT6 芯片下载还是外部 MCU 的下载，SW1 选择开关的往左拨（INS）内部下载，往右拨（EXT）外部下载 PCB 图如图 2.1.3.3.1 所示：

4）ST LINK USB 接口
ST_LINK USB 接口电路，如图 2.1.3.4 所示：


图 2.1.3.4 ST LINK USB 接口电路
ST_ LINK USB 电路为 ST _LINK 仿真器的部分电路，USB 座子为 Micro USB 座，该 USB
座可给 NANO 板供电使用，输入 5V。
2.1.4 复位电路
ALIENTEK NANO STM32F411 的复位电路如图 2.1.4.1 所示：


图 2.1.4.1 复位电路
因为 STM32 是低电平复位的，所以我们设计的电路也是低电平复位的，这里的 R4 和 C12构成了上电复位电路。同时，开发板把 74HC595 芯片的复位引脚也接在 RESET 上，这样这个复位按钮不仅可以用来复位 MCU，还可以复位 74HC595 芯片（数码管显示）。
2.1.5 启动模式设置接口
ALIENTEK NANO STM32F411 的启动模式设置端口电路如图 2.1.5.1 所示：

NANO 板我们只留出了 BOOT0 选择，BOOT1 引脚已接了下拉电阻（BOOT1=0），我们知道 BOOT0 和 BOOT1 用于设置 STM32 的启动方式，其对应启动模式如表 2.1.5.2 所示：


按照表 2.1.5.2，我们就可选择 MCU 的启动方式，注意：NANO 板不能使用 SRAM 启动模式。
2.1.6 USB 接口
ALIENTEK NANO STM32F411 板载了 STM32 USB 接口电路如图 2.1.6.1 所示：

USB_D+/USB_D-连接在 MCU 的 USB 口（PA12/PA11）上，USB_SLAVE 可以用来连接电脑，实现 USB 读卡器或 USB 虚拟串口等 USB 从机实验。另外，该接口还具有供电功能，VUSB为开发板的 USB 供电电压，通过这个 USB 口，就可以给整个开发板供电了。
2.1.7 EEPROM
ALIENTEK NANO STM32F411 板载的 EEPROM 电路如图 2.1.7.1 所示：

EEPROM 芯片我们使用的是 24C02，该芯片的容量为 2Kb，也就是 256 个字节，对于我们
普通应用来说是足够了的。当然，你也可以选择换大容量的芯片，因为我们的电路在原理上是
兼容 24C02~24C512 全系列 EEPROM 芯片的。这里我们把 A0~A2 均接地，对 24C02 来说也就是把地址位设置成了 0 了，写程序的时候要注意这点。IIC_SCL 接在 MCU 的 PB6 上，IIC_SDA 接在 MCU 的 PB7 上，这里我们虽然接到了 STM32 的硬件 IIC 上，但是我们并不提倡使用硬件 IIC，因为 STM32 的 IIC 是鸡肋！请谨慎使用。
2.1.8 SPI FLASH
ALIENTEK NANO STM32F411 板载的 SPI FLASH 电路如图 2.1.8.1 所示：

SPI FLASH 芯片型号为 W25Q16，该芯片的容量为 16Mb，也就是 2M 字节。图中 F_CS 连
接 在 MCU 的 PB12 上 ,SPI2_SCK/SPI2_MOSI/SPI2_MISO 则 分 别 连 接 在 MCU 的PB13/PB15/PB14 上。
2.1.9 传感器接口
ALIENTEK NANO STM32F411 板载的传感器接口电路如图 2.1.9.1 所示：

该接口（U2）支持 DS18B20DHT11 等单总线数字温湿度传感器。1WIRE_DQ 是传感器的数据线，该信号连接在 MCU 的 PB9 上。
2.1.10 红外接收头
ALIENTEK NANO STM32F411 板载的红外接收头电路如图 2.1.10.1 所示：

HS0038 是一个通用的红外接收头，几乎可以接收市面上所有红外遥控器的信号，有了它，就可以用红外遥控器来控制开发板了。REMOTE_IN 为红外接收头的输出信号，该信号连接在MCU 的 PB0 上。
2.1.11 LED
ALIENTEK NANO STM32F411 板载总共有 8 个 LED，其原理图如图 2.1.11.1 所示：

其中 PWR 是系统电源指示灯，为蓝色。LED0(DS0)~LED7(DS7)分别接在 PC0~PC7 上。
LED0~LED7 灯颜色都为红色。
2.1.12 按键
ALIENTEK NANO STM32F411 板载总共有 4 个输入按键，其原理图如图 2.1.12.1 所示：
图 2.1.12.1 输入按键KEY0、KEY1 和 KEY2 用作普通按键输入，分别连接在 PC8、PC9 和 PD2 上，这里并没有使用外部上拉电阻，但是 STM32 的 IO 作为输入的时候，可以设置上下拉电阻，所以我们使用 STM32 的内部上拉电阻来为按键提供上拉。KEY_UP 按键连接到 PA0(STM32 的 WKUP 引脚)，它除了可以用作普通输入按键外，还可以用作 STM32 的唤醒输入。注意：这个按键是高电平触发的。
2.1.13 数码管
ALIENTEK NANO STM32F411 板载了两个 4 位的共阴数码管，以及数码管的驱动电路，
其原理图如图 2.1.13.1 所示：



LEDSEG1 和 LEDSEG2 为 4 位共阴极数码管，CH1~CH4 为位选端，A~DOT 为段选段。
74HC138（U7）为 3-8 译码器芯片，这里我们使用它实现数码管的位选功能，其 Y0~Y7 连接到
两个数码管的 CH1~CH4 位选端，通过 U7 的 A0~A2 三个地址线的控制，选择 Y0~Y7 的输出
（低电平有效），A0 连接在 MCU 的 PC10，A1 连接在 PC11，A2 连接在 PC12。74HC595（U6）
为串行转并行数据芯片，这里我们使用它实现数码管的段选功能，其 QA~QH 引脚连接在数码
管的 HC595_QA~HC595_QH 公共端，通过 SFTCLK 和 LCHCLK 的时钟控制，将 SDI 输入的
串行数据转换成并行数据，通过 QA~QH 端输出控制数码管的段选，SFTCLK 连接在 MCU 的
PB5，LCHCLK 连接在 PB4，SDI 连接在 PB3，而 RST 则连接在 MCU 的复位电路 RESET 端，
上电或按下 RESET 按键可对 74HC595 进行复位。
2.1.14 TPAD 电容触摸按键
ALIENTEK NANO STM32F411 板载了一个电容触摸按键，其原理图如图 2.1.14.1 所示：


图中 100K 电阻是电容充电电阻，TPAD 并没有直接连接在 MCU 上，而是连接在多功能端口（P3）上面，通过跳线帽来选择是否连接到 STM32。多功能端口，我们将在 2.1.17 节介绍。电容触摸按键的原理我们将在后续的实战篇里面介绍。
2.1.15 有源蜂鸣器
ALIENTEK NANO STM32F411 板载了一个有源蜂鸣器，其原理图如图 2.1.15.1 所示：


图 2.1.15.1 有源蜂鸣器
有源蜂鸣器是指自带了震荡电路的蜂鸣器，这种蜂鸣器一接上电就会自己震荡发声。而如
果是无源蜂鸣器，则需要外加一定频率（2~5Khz）的驱动信号，才会发声。这里我们选择使用
有源蜂鸣器，方便大家使用。
图中 Q1 是用来扩流，R25 则是一个限流电阻直接连接在 BEEP 信号端，BEEP 信号端连接
在 MCU 的 PB8 上面，PB8 可以做 PWM 输出，所以大家如果想玩高级点（如：控制蜂鸣器“唱
歌”），就可以使用 PWM 来控制蜂鸣器。
2.1.16 电位器
ALIENTEK NANO STM32F411 板载了一个 100K 电位器，其原理图如图 2.1.16.1 所示：


图 2.1.23.1 电位器
图中 1K 电阻是 ADC 采样的电压的限流电阻，VR1 为电位器，通过调节电位器调节采样的
分压电阻。VOL_SRC 采样端没有直接连接在 MCU 上，而是连接在多功能端口（P3）上面，
通过跳线帽来选择是否连接到 STM32。多功能端口，我们将在 2.1.17 节介绍。
2.1.17 多功能端口
ALIENTEK NANO STM32F411 板载的多功能端口 P3，其原理图如图 2.1.17.1 所示：

其中 TPAD 为电容触摸按键信号，连接在电容触摸按键上，VOL SRC 为电位器采样电压信
号。STM_ADC 连接在 PB1，当需要电容触摸按键的时候，我们通过跳线帽短接 TPAD 和
STM_ADC，就可以实现电容触摸按键（利用定时器的输入捕获），当需要电位器采样电压的
时候，我们通过跳线帽短接 VOL _SRC 和 STM_ADC，就可以实现电压采集（利用 ADC 的输
入采集），因为 STM32 的该管脚同时具有这两个外设功能。多功能端口 PCB 图，如图 2.1.17.2
所示：

图中 VR 为原理图的 VOL_SRC，ADC 为 STM_ADC，而 TPAD 则为 TPAD。
2.1.18 电源
ALIENTEK NANO STM32F411 板载的电源供电部分，其原理图如图 2.1.18.1 所示：


图 2.1.18.1 电源
图中，U9 为 5V 转 3.3V 直流稳压芯片，选用的是 AMS1117-3.3V 芯片。F1 为 1000ma 自
恢复保险丝，用于保护 USB，K1 位开发板的总电源开关。
这里还有 USB 供电部分在 2.1.3 ST LINK V2.1 和 2.1.6 USB 接口小节中已讲解，其中 VUSB
就是来自 USB 供电部分。
2.1.19 电源输入输出接口
ALIENTEK NANO STM32F411 板载了两组简单电源输入输出接口，其原理图如图 2.1.19.1
所示：

图中，VOUT1 和 VOUT2 分别是 3.3V 和 5V 的电源输入输出接口，有了这 2 组接口，我们
可以通过开发板给外部提供 3.3V 和 5V 电源了，虽然功率不大（最大 1000ma），但是一般情
况都够用了，大家在调试自己的小电路板的时候，有这两组电源还是比较方便的。同时这两组
端口，也可以用来由外部给开发板供电。
2.2 开发板使用注意事项
为了让大家更好的使用 ALIENTEK NANO STM32F411，我们在这里总结该开发板使用的
时候尤其要注意的一些问题，希望大家在使用的时候多多注意，以减少不必要的问题。
1， 开发板一般情况是由 USB_JTAG 口供电，由于该口为 ST_LINK 的 USB 口，在第一次
上电的时候会提示安装 ST_LINK 驱动。
STLINK 驱动在，资料包 5，软件资料->ST LINK驱动文件夹。
2， 1 个 USB 供电最多 500mA，且由于导线电阻存在，供到开发板的电压，一般都不会有
5V，如果外接了多个大负载模块，可能引起 USB 供电不够，建议可以同时插 2 个 USB
口，并插上 USB_SLAVE，这样供电可以更足一些。
3， 开发板自带了 ST_LINK V2.1 的仿真器，在对 NANO 开发板下载或仿真程序时，必须
将 SW1 开关拨到左边（INS），同时 P4 排针的信号线尽量不要连接外部，避免干扰信
号线，从而导致 NANO 板下载或仿真程序失败。需要对外部电路的 MCU 使用，则将
SW1 开关拨到右边（EXT），通过 P4 排针信号线的线序连接到外部对应接口上。记住：
无论仿真器给外部还是内部使用，MCU 必须选择为 SWD 模式。
4， 当你想使用某个 IO 口用作其他用处的时候，请先看看开发板的原理图，该 IO 口是否
有连接在开发板的某个外设上，如果有，该外设的这个信号是否会对你的使用造成干
扰，先确定无干扰，再使用这个 IO。比如 PB8 就不怎么适合再用做其他输出，因为他
接了蜂鸣器，如果你输出低电平就会听到蜂鸣器的叫声了。
5， 开发板上存在跳线帽，大家在使用某个功能的时候，要先查查这个是否需要设置跳线
帽，以免浪费时间，如：P5 跳线帽没接，虚拟串口无法使用。P3 跳线帽没接，ADC
电压采集或 TPAD 触摸按键无法使用。
至此，本手册的实验平台（ALIENTEK NANO STM32F411）的硬件部分就介绍完了，
了解了整个硬件对我们后面的学习会有很大帮助，有助于理解后面的代码，在编写软件的
时候，可以事半功倍，希望大家细读！另外 ALIENTEK 开发板的其他资料及教程更新，都
可以在技术论坛 www.openedv.com 下载到，大家可以经常去这个论坛获取更新的信息。
2.3 STM32F411 学习方法
STM32F411 是 ST 公司推出的基于 ARM Cortex M4 处理器 MCU，由于其强大的功能，可
替代 DSP 等特性，正在被越来越多的公司选择使用。学习 STM32F4 的朋友也越来越多，初学
者，可能会认为 STM32F4 很难学，以前只学过 51，或者甚至连 51 都没学过的，一看到 STM32F4
那么多寄存器，就懵了。其实，万事开头难，只要掌握了方法，学好 STM32F4，还是非常简单
的，这里我们总结学习 STM32F4 的几个要点：
1，一款实用的开发板。
这个是实验的基础，有时候软件仿真通过了，在板上并不一定能跑起来，而且有个开发板
在手，什么东西都可以直观的看到，效果不是仿真能比的。但开发板不宜多，多了的话连自己
都不知道该学哪个了，觉得这个也还可以，那个也不错，那就这个学半天，那个学半天，结果
学个四不像。倒不如从一而终，学完一个在学另外一个。
2，三本参考资料，即《STM32F411xC/E 参考手册》、《STM32F3 与 F4 系列 Cortex M4
内核编程手册》和《Cortex M3 与 M4 权威指南》。
《STM32F411xC/E 参考手册》是 ST 出的官方资料，有 STM32 的详细介绍，包括了 STM32F4
的各种寄存器定义以及功能等，是学习 STM32F4 的必备资料之一。而《STM32F3 与 F4 系列
Cortex M4 内核编程手册》则是对《STM32F4xx 中文参考手册》的补充，很多关于 Cortex M4
内核的介绍（寄存器等），都可以在这个文档找到答案，该文档同样是 ST 的官方资料，专门
针对 ST 的 Cortex M4 产品。最后，《Cortex M3 与 M4 权威指南》则针对 Cortex M4 内核进行
了详细介绍，并配有简单实例，对于想深入了解 Cortex M4 内核的朋友，此文档是非常好的参
考资料。
3，掌握方法，勤学慎思。
STM32F4 不是妖魔鬼怪，不要畏难，STM32F4 的学习和普通单片机一样，基本方法就是：
36a) 掌握时钟树图（见《STM32F411xC、E 参考手册》图 12）。
任何单片机，必定是靠时钟驱动的，时钟就是单片机的动力，STM32F4 也不例外，通过时
钟树，我们可以知道，各种外设的时钟是怎么来的？有什么限制？从而理清思路，方便理解。
b) 多思考，多动手。
所谓熟能生巧，先要熟，才能巧。如何熟悉？这就要靠大家自己动手，多多练习了，光看/
说，是没什么太多用的，很多人问我，STM32F4 这么多寄存器，如何记得啊？回答是：不需要
全部记住。学习 STM32F4，不是应试教育，不需要考试，不需要你倒背如流。你只需要知道这
些寄存器，在哪个地方，用到的时候，可以迅速查找到，就可以了。完全是可以翻书，可以查
资料的，可以抄袭的，不需要死记硬背。掌握学习的方法，远比掌握学习的内容重要的多。
熟悉了之后，就应该进一步思考，也就是所谓的巧了。我们提供了几十个例程，供大家学
习，跟着例程走，无非就是熟悉 STM32F4 的过程，只有进一步思考，才能更好的掌握 STM32F4，
也即所谓的举一反三。例程是死的，人是活的，所以，可以在例程的基础上，自由发挥，实现
更多的其他功能，并总结规律，为以后的学习/使用打下坚实的基础，如此，方能信手拈来。
所以，学习一定要自己动手，光看视频，光看文档，是不行的。举个简单的例子，你看视
频，教你如何煮饭，几分钟估计你就觉得学会了。实际上你可以自己测试下，是否真能煮好？
机会总是留给有准备的人，只有平时多做准备，才可能抓住机会。
只要以上三点做好了，学习 STM32F4 基本上就不会有什么太大问题了。如果遇到问题，
可以在我们的技术论坛：开源电子网：www.openedv.com 提问，论坛 STM32 板块已经有 3.7W
多个主题，很多疑问已经有网友提过了，所以可以在论坛先搜索一下，很多时候，就可以直接
找到答案了。论坛是一个分享交流的好地方，是一个可以让大家互相学习，互相提高的平台，
所以有时间，可以多上去看看。
另外，很多 ST 官方发布的所有资料（芯片文档、用户手册、应用笔记、固件库、勘误手
册等），大家都可以在 www.stmcu.org 这个地方下载到。也可以经常关注下，ST 会将最新的资
料都放到这个网址。