# SDC-ACQ&DAC 板卡工程设计思路

> 说明：本文整理的是可交付、可复核的工程设计思路和关键取舍，不记录逐步的内部思维链。依据当前目录中的网表、STM32F407VET6 引脚资料、引脚规划文档和 Altium 工程包整理。

## 1. 设计目标

这块板子的目标是围绕 STM32F407VET6 做一块集成采集、通信和 DAC 输出的控制板。核心需求可以归纳为：

- 使用 STM32F407VET6 作为主控，封装为 LQFP100。
- 提供 15 路 SDC 电平输入采集，方便一次性读取一组外部状态信号。
- 提供 4 路转速或脉冲输入捕获，用 MCU 定时器测频、测周期或读取 PWM。
- 提供 2 路 CAN 通信接口，面向车载或工业现场总线。
- 提供 2 路 DAC/模拟输出，网表中为 `MC_L`、`MC_R`。
- 提供 I2C 接口，并通过电平转换兼容 3.3 V MCU 侧和 5 V 外设侧。
- 提供 12 V 输入、5 V、3.3 V、模拟参考和必要的去耦滤波。
- 保留 SWD、复位、启动配置、串口调试、状态 LED 等调试和量产必需接口。

## 2. 总体架构

板卡按功能分为以下模块：

| 模块 | 主要器件/网络 | 设计意图 |
|---|---|---|
| 主控 | `U23` STM32F407VET6 | 统一处理 SDC 输入、转速捕获、CAN、I2C、DAC 控制和调试接口 |
| 电源 | `+12V`、`+5V`、`VCC`、`VCCA`、`VREF` | 由外部 12 V 进入，生成数字 5 V、MCU 3.3 V 和模拟参考 |
| SDC 输入 | `SDC_IN1`~`SDC_IN15`、`SDC1`~`SDC15` | 外部输入经电阻/三极管级进入 MCU，集中到 GPIOD |
| 转速输入 | `ZQ_OUT`、`ZH_OUT`、`YQ_OUT`、`YH_OUT` | 经限流/下拉后进入 TIM 输入捕获通道 |
| CAN | `CAN1_H/L`、`CAN2_H/L`、`CAN1_TX/RX`、`CAN2_TX/RX` | MCU 侧接 CAN 收发器，外部侧接总线并配置终端电阻 |
| DAC | `DAC1`、`DAC2`、`MC_L`、`MC_R` | 通过 I2C 控制两路 DAC 输出 |
| I2C 电平转换 | `I2C_SCL_33`、`I2C_SDA_33`、`SCL_5`、`SDA_5`、`U22` | MCU 侧 3.3 V，DAC/外设侧 5 V |
| 调试 | `SWDIO`、`SWCLK`、`NRST`、`USART1_TX/RX`、`STLED_1/2` | 下载、在线调试、日志输出和运行状态显示 |

## 3. MCU 引脚分配原则

引脚分配优先级不是单纯按外设功能堆叠，而是同时考虑 PCB 布线、调试保留、外设冲突和软件读取效率：

1. 必需接口先保留：`PA13/SWDIO`、`PA14/SWCLK`、`NRST`、`BOOT0`、`PB2/BOOT1`、HSE、`VCAP_1/2`、电源和模拟电源脚不参与普通功能分配。
2. 同类信号尽量靠近：CAN1/CAN2 放在 `PB5/PB6/PB8/PB9` 附近，便于两个 CAN 收发器并排布置。
3. 大量状态输入尽量集中到同一端口：15 路 SDC 输入集中使用 `PD0`~`PD14`，软件可以直接读取 `GPIOD->IDR` 后按位解析。
4. 转速/脉冲输入优先选定时器捕获脚：`PA0/TIM5_CH1`、`PA2/TIM9_CH1`、`PA6/TIM3_CH1`、`PB14/TIM12_CH1` 分别承担 4 路输入。
5. I2C 使用相邻且 5 V 容忍的 `PB10/PB11`，便于布线并适配外部上拉和电平转换。
6. `PB0/PB1` 保留给 ADC 相关功能，其中 `PB0/ADC1_IN8` 用于 24 V 分压检测，`PB1/ADC1_IN9` 可作备用模拟量。
7. 调试 LED 放在 `PE0/PE1`，释放 `PB0/PB1` 给模拟输入。

## 4. 关键功能设计思路

### 4.1 SDC 输入采集

15 路输入从连接器进入后，经过电阻网络和三极管级再接入 MCU 的 `PD0`~`PD14`。这样设计的好处是：

- 外部输入和 MCU 管脚之间有基本限流与隔离。
- 所有 SDC 信号集中在 GPIOD，软件读取简单，适合周期扫描。
- `PD15` 可作为第 16 路备用，后续扩展时不需要大改软件结构。

设计时需要特别确认外部 SDC 输入电平、有效极性、三极管反相关系以及默认上下拉状态，避免上电阶段误判。

### 4.2 四路转速/脉冲捕获

四路转速输入对应网表中的：

| 外部信号 | MCU 网络 | MCU 引脚 |
|---|---|---|
| `ZQ_OUT` | `TIM5_CH1` | `PA0` |
| `ZH_OUT` | `TIM9_CH1` | `PA2` |
| `YQ_OUT` | `TIM3_CH1` | `PA6` |
| `YH_OUT` | `TIM12_CH1` | `PB14` |

这些脚都可配置为定时器输入捕获。若只测频率，可以在捕获中断或 DMA 中记录相邻边沿时间差；若要测 PWM 高低电平宽度，应结合定时器通道和输入极性配置进一步确认。

### 4.3 双 CAN 接口

CAN1 使用 `PB8/PB9`，CAN2 使用 `PB5/PB6`。MCU 只连接收发器逻辑侧，外部接口为 `CAN1_H/L` 和 `CAN2_H/L`。

关键取舍：

- 选择 `PB5/PB6/PB8/PB9` 是为了让两路 CAN 的 MCU 侧信号集中，收发器靠近 MCU 和连接器都更容易。
- 网表中 `R20`、`R21` 为 120 欧终端相关器件，需要根据总线拓扑决定是否常接、跳线选择或预留不焊。
- CANH/CANL 外侧应关注 ESD、共模干扰和走线差分/等长要求。

### 4.4 I2C 与 DAC 输出

MCU 侧 I2C 为 `PB10/PB11`，网络名为 `I2C_SCL_33`、`I2C_SDA_33`；5 V 侧为 `SCL_5`、`SDA_5`，经 `U22` 做电平转换后连接 DAC。

这样安排的目的：

- MCU 维持 3.3 V 逻辑，避免 5 V 直接进入非预期模式下的 MCU 引脚。
- DAC 和外设侧可以使用 5 V 供电或 5 V 上拉。
- 上拉电阻分布清楚，方便按总线速度和负载电容调整。

两路 DAC 输出网络为 `MC_L` 和 `MC_R`，需要在调试时确认 DAC 地址、I2C 上拉、电源纹波和输出负载范围。

### 4.5 电源与模拟参考

网表显示板上存在 `+12V`、`+5V`、`VCC`、`VCCA`、`VREF`、`AGND` 和 `GND` 等网络。设计意图是把输入电源、数字电源和模拟参考分层处理：

- `+12V` 作为外部输入或上级电源。
- `+5V` 给 CAN 收发器、DAC 或其他 5 V 侧器件供电。
- `VCC` 作为 MCU 数字 3.3 V 供电。
- `VCCA`、`VREF` 和 `AGND` 用于 ADC/DAC 相关模拟部分，需减少数字噪声耦合。
- `VCAP_1/2` 必须接低 ESR 电容到地，不可悬空或作外部电源使用。

### 4.6 24 V 电压检测

`PB0/ADC1_IN8` 对应网表中的 `ADC` 网络，通过分压电阻把最高 20 V 压到 MCU ADC 安全范围内。当前规划建议过 `100 k` 与 `20 k` 量级分压，并在采样点加小电容滤波。

这部分的关键不是只算分压比，还要确认：

- 最高输入电压、瞬态浪涌和误接风险。
- ADC 采样时间是否能适配较高源阻抗。
- 分压电阻精度、温漂对测量误差的影响。
- 是否需要 TVS、串联电阻或钳位保护。

### 4.7 调试与量产接口

板上保留了 SWD、串口、复位、启动配置和状态 LED：

- `SWDIO`、`SWCLK`、`NRST` 用于下载和在线调试。
- `USART1_TX/RX` 可接 USB-TTL 作为日志口。
- `BOOT0` 和 `BOOT1` 必须有确定上下拉，避免随机进入系统 Bootloader。
- `STLED_1`、`STLED_2` 作为最小运行状态反馈，适合上电自检和故障定位。

## 5. PCB 布局布线重点

1. MCU 放在板卡控制中心，SDC 输入、CAN、DAC/I2C、调试接口按功能分区引出。
2. CAN 收发器靠近外部连接器，CANH/CANL 走线短、成对、少过孔，并在接口附近布置保护器件。
3. HSE 晶振靠近 `PH0/PH1`，晶振回路短且远离高噪声开关电源和 CAN 总线。
4. MCU 每个 VDD/VDDA 就近放 100 nF 去耦，电源入口和稳压输出放足够的储能电容。
5. 模拟参考、ADC 分压和 DAC 输出尽量远离开关节点与高速边沿信号。
6. I2C 上拉、电平转换器和 DAC 尽量靠近，SCL/SDA 避免长距离并行干扰源。
7. SDC 输入通道重复结构保持一致，便于生产检查、维修和软件映射。

## 6. 软件配置映射

| 功能 | CubeMX/固件配置 |
|---|---|
| SDC 输入 | `PD0`~`PD14` 配置为 GPIO 输入，按实际硬件极性设置上下拉 |
| 转速 1 | `PA0` 配置为 `TIM5_CH1` 输入捕获 |
| 转速 2 | `PA2` 配置为 `TIM9_CH1` 输入捕获 |
| 转速 3 | `PA6` 配置为 `TIM3_CH1` 输入捕获 |
| 转速 4 | `PB14` 配置为 `TIM12_CH1` 输入捕获 |
| CAN1 | `PB8/PB9` 配置为 `CAN1_RX/TX` |
| CAN2 | `PB5/PB6` 配置为 `CAN2_RX/TX`，固件中同时注意 CAN1 时钟依赖 |
| I2C | `PB10/PB11` 配置为 `I2C2_SCL/SDA`，开漏，外部上拉 |
| ADC | `PB0` 配置为 `ADC1_IN8`，按分压比换算真实电压 |
| 串口 | `PA9/PA10` 配置为 `USART1_TX/RX` |
| LED | `PE0/PE1` 配置为 GPIO 输出 |

## 7. 原理图复核清单

- STM32 所有 `VDD/VSS/VDDA/VSSA/VREF+/VCAP` 是否按数据手册完整连接。
- `BOOT0`、`BOOT1`、`NRST` 是否有明确默认状态。
- SWD 下载口是否包含 `SWDIO`、`SWCLK`、`GND`、`VCC`，必要时包含 `NRST`。
- HSE 晶振负载电容和器件封装是否匹配。
- CAN 收发器供电、TX/RX 方向、终端电阻和接口定义是否正确。
- I2C 电平转换方向、上拉电阻、电源域连接是否正确。
- DAC 地址冲突、输出范围、负载能力和滤波是否满足需求。
- 24 V 分压到 ADC 的最高电压是否低于 `VREF+`，并留足异常保护。
- 15 路 SDC 输入的硬件反相、上下拉和软件逻辑是否一致。
- 连接器针序是否和外部线束定义一致，特别是 CAN、12 V、电源地和 DAC 输出。