Carrier board

STM32G474RET6 Carrier Board — Especificación Técnica Oficial

1. Descripción General

La Carrier Board STM32G474 es una plataforma de desarrollo modular de alto rendimiento basada en el microcontrolador ARM Cortex-M4F STM32G474RET6 (LQFP-64, hasta 170 MHz con FPU y DSP). Diseñada específicamente para fabricación y ensamblaje SMT en JLCPCB, utiliza encapsulados estándar fáciles de inspeccionar y soldar (0805 pasivos, SOT-23, SOD-123 y LQFP-64).

La tarjeta se interconecta con placas hijas (daughterboards) a través del conector Board-to-Board principal J2 (2x8 pines, numeración estándar 1 a 16), integrando buses de comunicación (SPI1, I2C1 con gestión de energía), control de potencia (driver de motor PWM con MOSFET AO3400A) e identificación de hardware digital (HWID de 4 bits).

2. Especificaciones de Hardware

2.1. Alimentación y Regulación

• Entrada Principal: +5V nominal vía puerto USB-C (J6). Cuenta con resistencias de pull-down de 5.1 kΩ en las líneas CC1 y CC2 para compatibilidad completa con fuentes y cables USB-C a USB-C (Power Delivery Sink 5V/3A máx).
• Regulador LDO: AMS1117-3.3 en encapsulado SOT-223, entregando un riel de +3.3V regulado (hasta 800 mA de pico / 1 A máx).
• Filtrado y Desacoplo:
  • Capacitores cerámicos (MLCC 0805) de 10 µF en la entrada (+5V) y salida (+3.3V) del regulador.
  • Red de desacoplo distribuida en el MCU: 100 nF en cada par VDD/VSS adyacente a los pines, complementados por un capacitor de carga de 10 µF.
  • Filtro Analógico: Perla de ferrita (FB1) con capacitor de 100 nF a masa para las líneas VDDA y VREF+, aislando el dominio analógico de ruidos digitales.
  • Pin VBAT unificado directamente al riel de +3.3V.

2.2. Reloj, Reset y Depuración

• Oscilador Principal (HSE): Cristal de cuarzo pasivo de 8.000 MHz con capacitores de carga de 22 pF a GND en OSC_IN (PF0) y OSC_OUT (PF1).
• Circuito de Reset (NRST): Pulsador táctil a GND con resistencia de pull-up de 10 kΩ a +3.3V y capacitor cerámico de 100 nF para supresión de rebotes mecánicos y transitorios.
• Depuración SWD: Huella estándar Tag-Connect TC2030-NL / TC2030 que provee:
  • SWDIO en PA13
  • SWCLK en PA14
  • SWO en PB3 (Asynchronous Trace)
  • NRST para hardware reset por depurador
  • +3.3V (VTref) y GND

2.3. Periféricos e Interfaces On-Board

• Bus I2C1 con Gestión de Energía:
  • PB9 (SDA) y PB8 (SCL).
  • Resistencias de Pull-Up de 2.2 kΩ conectadas a un nodo conmutable controlado por el pin PC15 (I2C_PU_EN).
  • Permite desconectar los pull-ups para apagar el bus en modos de bajo consumo (Sleep/Stop).
• Bus SPI1:
  • PA5 (SCK), PA6 (MISO), PA7 (MOSI), PB6 (CS).
• Driver de Motor Low-Side (PWM):
  • MOSFET canal N AO3400A (30V, 5.7A, $R_{DS(on)} < 35\text{ m}\Omega$ a 3.3V $V_{GS}$) en encapsulado SOT-23.
  • Controlado desde el pin PB4 (Timer 3, Canal 1 / TIM3_CH1).
  • Red de compuerta: Resistencia de gate $R_G = 100\ \Omega$ y resistencia pull-down de seguridad $R_{PD} = 10\text{ k}\Omega$ a GND.
  • Protección inductiva: Diodo Schottky Flyback 1N5819HW (SOD-123) en antiparalelo con la carga + capacitor cerámico de 100 nF para amortiguación de EMI.
  • Conector de salida de motor J1 (Paso 2.54 mm): Pin 1 = +5V, Pin 2 = Drain del MOSFET.
• LEDs de Diagnóstico:
  • LED_PWR (Verde): Polarizado a +3.3V mediante resistencia de 1 kΩ ($I_F \approx 1.3\text{ mA}$).
  • LED_USER (Azul): Conectado al pin PA5 (SPI_SCK) mediante resistencia de 470 Ω (emula el LED_BUILTIN de Arduino Pin 13).

3. Conector Board-to-Board (J2 — 2x8 Pines, Numeración Estándar 1 a 16)

El conector principal J2 utiliza una huella estándar de doble hilera (paso 2.00 mm / 2.54 mm) con numeración numérica consecutiva (Pines 1 al 16), organizada en fila impar (señales SPI / HWID) y fila par (alimentación / I2C / GPIOs):

3.1. Tabla de Mapeo Definitiva para J2

3.2. Distribución Física de Pines en el Header (Vista Superior)

               +-------------------+
SPI_CS   (PB6) | [ 1]         [ 2] | GND
SPI_MOSI (PA7) | [ 3]         [ 4] | +5V
SPI_MISO (PA6) | [ 5]         [ 6] | TRT_GPIO_1 (PA1)
SPI_SCK  (PA5) | [ 7]         [ 8] | +3.3V
HWID_0   (PC0) | [ 9]         [10] | TRT_GPIO_2 (PA4)
HWID_1   (PC1) | [11]         [12] | SDA        (PB9)
HWID_2   (PC2) | [13]         [14] | SCL        (PB8)
HWID_3   (PC3) | [15]         [16] | TRT_GPIO_3 (PB0)
               +-------------------+
                    Conector J2

4. Pines Internos y Periféricos Dedicados

5. Guía de Integración de Firmware

5.1. Configuración de Option Bytes para PB8 / BOOT0

El microcontrolador STM32G474RET6 multiplexa el pin físico 60 entre PB8 y la señal de selección de arranque BOOT0.

• Problema: De fábrica, si nBOOT0_SEL = 1, en cada reinicio el hardware muestrea el pin PB8. Dado que PB8 está conectado a la línea I2C SCL con una resistencia de pull-up, el MCU detectará un nivel alto (BOOT0 = 1) y entrará en el bootloader DFU de ST en lugar de ejecutar la memoria Flash.
• Solución Obligatoria: Configurar el registro de Option Bytes FLASH_OPTR:
  • nBOOT0_SEL = 0 (Bit 27): El valor de BOOT0 es ignorado desde el pin físico PB8 y se toma del bit de software nBOOT0.
  • nBOOT0 = 1 (Bit 26): En lógica invertida, un valor de 1 equivale a BOOT0 = 0, forzando el arranque directo desde la Flash Principal.

Configuración por Software (HAL / Firmware):

void Configure_Boot_OptionBytes(void) {
    FLASH_OBProgramInitTypeDef obInit = {0};
    
    HAL_FLASH_Unlock();
    HAL_FLASH_OB_Unlock();

    HAL_FLASHEx_OBGetConfig(&obInit);
    
    // Si nBOOT0_SEL está en 1 (muestreo por pin físico PB8), cambiar a software
    if ((obInit.UserConfig & FLASH_OPTR_nBOOT0_SEL) != 0) {
        obInit.OptionType = OPTIONBYTE_USER;
        obInit.UserType   = OB_USER_nBOOT0_SEL | OB_USER_nBOOT0;
        // nBOOT0_SEL = 0 (software), nBOOT0 = 1 (arranque en Flash)
        obInit.UserConfig = OB_nBOOT0_SEL_DISABLE | OB_nBOOT0_SET;
        
        HAL_FLASHEx_OBProgram(&obInit);
        HAL_FLASH_OB_Launch(); // Aplica cambios y reinicia el MCU
    }

    HAL_FLASH_OB_Lock();
    HAL_FLASH_Lock();
}

5.2. Control de Pull-Ups I2C vía PC15 (I2C_PU_EN)

Las resistencias de 2.2 kΩ están conectadas al pin PC15.

[!WARNING] Regla de Oro de Firmware para PC15:

• Para ACTIVAR el bus I2C: Configurar PC15 como Salida Push-Pull en nivel ALTO (GPIO_PIN_SET = 3.3V).
• Para DESACTIVAR el bus I2C: Configurar PC15 como Entrada Flotante (High-Z / No-Pull).
• NUNCA configurar PC15 como salida en nivel BAJO (0V), ya que esto forzaría a masa las líneas SDA y SCL mediante 2.2 kΩ, bloqueando la comunicación y consumiendo corriente innecesaria.

Implementación HAL:

// Activa las resistencias de pull-up (Bus I2C operativo)
void I2C_Pullups_Enable(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();

    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_15;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);

    HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_15, GPIO_PIN_SET); // Alimenta +3.3V al nodo
}

// Desconecta las resistencias de pull-up (Modo bajo consumo)
void I2C_Pullups_Disable(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();

    // Configurar en entrada de alta impedancia (High-Z)
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_15;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);
}

5.3. Control del Driver de Motor PWM (PB4 / TIM3_CH1)

El MOSFET AO3400A es activado directamente por lógica de 3.3V desde PB4.

• Frecuencia óptima recomendada: 10 kHz a 20 kHz.
• Reloj APB1 (TIM3CLK) = 170 MHz.
  • Prescaler = 16 $\rightarrow$ Frecuencia de conteo = 10 MHz.
  • Period (ARR) = 999 $\rightarrow$ Frecuencia PWM = 10 kHz ($10\text{ MHz} / 1000$).
  • Resolución del ciclo de trabajo: 0 a 1000 (0% a 100%).

// Iniciar señal PWM
HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);

// Modificar velocidad del motor (0 a 1000)
void Motor_SetSpeed(uint16_t speed) {
    if (speed > 1000) speed = 1000;
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, speed);
}

6. Checklist Crítico para el Layout de PCB (JLCPCB)

1. Ruta de Retorno y Bucles de Potencia del Motor (J1 / AO3400A / D1):
   • El bucle cerrado formado por J1 Pin 1 (+5V) $\rightarrow$ Motor $\rightarrow$ J1 Pin 2 $\rightarrow$ Diodo 1N5819HW debe colocarse lo más compacto posible para minimizar la radiación EMI.
   • Pistas de potencia entre J1, el Drain del MOSFET y el Source a GND con un ancho mínimo de 1.2 mm a 1.5 mm (o polígono de cobre).
   • Colocar el Source del MOSFET directamente a la masa general mediante múltiples vías a plano de masa para evitar ruido por rebote de masa (ground bounce).
2. Ubicación de Condensadores de Desacoplo del MCU:
   • Cada condensador de 100 nF debe colocarse inmediatamente adyacente a su respectivo pin VDD, conectando primero el pad del capacitor antes de la vía hacia el plano interno.
   • La perla de ferrita FB1 y su capacitor de 100 nF para VDDA/VREF+ deben ubicarse pegados a los pines 18 y 19.
3. Oscilador de Cristal HSE de 8 MHz (PF0 / PF1):
   • Trazar pistas cortas y simétricas entre el cristal y los pines del MCU.
   • Colocar un anillo de guarda de masa (GND guard ring) alrededor del cristal y sus capacitores de 22 pF.
   • No rutear señales digitales de alta velocidad (como PWM o SPI) por debajo del oscilador.
4. Par Diferencial USB (PA11 / PA12):
   • Impedancia diferencial de 90 Ω. Ruteo en paralelo con separación constante y longitudes simétricas acopladas.
   • Mantener el plano de masa continuo por debajo sin cortes.