บทนำ: ปัจจัย 4 ของ Microcontroller

ยินดีต้อนรับสู่คลาสเรียนฮาร์ดแวร์พื้นฐานครับ! วันนี้เราจะมาคุยเรื่องสิ่งที่เปรียบเสมือน “ปัจจัย 4” ของ MCU ถ้าขาดสิ่งเหล่านี้ไป ต่อให้โค้ดเทพแค่ไหน ชิปก็ไม่ทำงานครับ

ในฐานะ Technical Writer ของ 123Microcontroller ผมสรุปเนื้อหาจาก Datasheet หนาๆ มาเป็นบทความย่อยง่ายๆ ว่าด้วย 3 สิ่งที่ต้องมีเพื่อ “ปลุกชีพ” STM32 ครับ:

  1. Power Supply: อาหารและเลือดหล่อเลี้ยง (ถ้าไม่มีแรง ก็คิดไม่ได้)
  2. Oscillator: จังหวะการเต้นของหัวใจ (ถ้าหัวใจไม่เต้น ระบบต่างๆ ก็ไม่เดิน)
  3. Reset: การปลุกให้ตื่น (ถ้ายังหลับอยู่ ก็สั่งงานไม่ได้)

ระดับความยาก: ⭐ ทฤษฎีพื้นฐานที่ต้องรู้ เวลาที่ใช้: ~15 นาที (อ่านทำความเข้าใจ)

1. ระบบไฟเลี้ยง (Power Supply) - “กองเสบียง”

โดยปกติ STM32F4 จะต้องการแรงดันไฟหลัก ($V_{DD}$) อยู่ในช่วง 1.8V ถึง 3.6V โดยค่ามาตรฐานที่เราใช้กันทั่วไปคือ 3.3V ครับ

ทำไมต้องมี C (Capacitor) เต็มบอร์ด?

หากคุณดูในวงจร (Schematic) หรือบนบอร์ด Discovery คุณจะเห็นตัวเก็บประจุ (Capacitor) ตัวเล็กๆ วางอยู่ใกล้ขาไฟแทบทุกขา

  • กฎเหล็ก: เราต้องใส่ C ค่า 100nF (0.1µF) ไว้ใกล้ขา $V_{DD}$ ทุกขา และมี C ค่าใหญ่ 4.7µF อีกหนึ่งตัวในไลน์ไฟหลัก
  • หน้าที่: เปรียบเสมือน “แก้วน้ำส่วนตัว” ที่วางไว้ข้างตัว CPU ครับ เวลา CPU ประมวลผลหนักๆ หรือสลับสถานะ (0 เป็น 1) มันจะต้องการพลังงานกระชากแบบรวดเร็ว มันจะดูดน้ำจากแก้วนี้ทันที ถ้าต้องรอวิ่งไปกดจากตู้กดน้ำ (แหล่งจ่ายไฟหลัก) มันจะช้าไปและเกิดสัญญาณรบกวน (Noise) ครับ

VCAP (ไฟเลี้ยงสมองใน)

ภายในชิป STM32 จะมีตัวแปลงไฟ (Voltage Regulator) ลดไฟจาก 3.3V เหลือประมาณ 1.2V เพื่อเลี้ยงแกนกลาง CPU (Cortex-M4)

  • สิ่งที่ต้องทำ: ขานี้ต้องต่อ C ค่า 2.2µF (หรือ 4.7µF ตามรุ่น) ลงกราวด์ เพื่อรักษาแรงดันให้เรียบ
  • คำเตือน: ⚠️ ห้ามต่อไฟภายนอกเข้าขานี้เด็ดขาดนะครับ!

2. สัญญาณนาฬิกา (Oscillators) - “จังหวะหัวใจ”

ชิปจะทำงานเป็นจังหวะตามสัญญาณนาฬิกา (Clock) ครับ ยิ่งเร็วยิ่งคำนวณไว แต่ก็แลกมาด้วยการกินไฟที่เพิ่มขึ้น STM32 มีแหล่งกำเนิดสัญญาณ 2 แบบหลักๆ:

2.1 ภายใน (HSI - High Speed Internal)

  • คือวงจร RC Oscillator ที่ฝังอยู่ในตัวซิลิกอนของชิปเลย (ปกติ 16 MHz)
  • ข้อดี: ฟรี! ไม่ต้องต่ออุปกรณ์เพิ่ม เปิดเครื่องปุ๊บ ชิปจะใช้ตัวนี้ก่อนเสมอ
  • ข้อเสีย: ไม่ค่อยแม่นยำ (ความคลาดเคลื่อนประมาณ 1%) ถ้าเอาไปใช้กับ UART ความเร็วสูง หรือ USB อาจจะมีปัญหาได้

2.2 ภายนอก (HSE - High Speed External)

  • คือการต่อ Crystal (คริสตัล) หรือ Ceramic Resonator ที่ขา OSC_IN และ OSC_OUT
  • สเปค: รองรับความถี่ 4 ถึง 26 MHz (บนบอร์ด Discovery มักใช้ 8 MHz)
  • ข้อดี: แม่นยำสูงมาก จำเป็นมากถ้าคุณจะทำระบบสื่อสาร หรือต้องการความเที่ยงตรงของเวลา

PLL (Phase Locked Loop): นี่คือ “เทอร์โบ” ของชิปครับ มันจะเอาสัญญาณจาก HSI หรือ HSE (เช่น 8MHz) มาคูณความถี่ให้กลายเป็น 168 MHz เพื่อให้ CPU วิ่งเต็มสปีด

STM32 Minimum System Schematic Diagram รูปภาพแสดงโครงสร้าง Minimum System พื้นฐาน

3. วงจรรีเซ็ต (Reset Circuit) - “ปุ่มตื่น”

ขา Reset ของ STM32 ชื่อว่า NRST ทำงานแบบ Active Low (หมายความว่า ถ้าดึงขานี้ลงกราวด์ = รีเซ็ต, ถ้าปล่อยลอยเป็นไฟ 3.3V = ทำงานปกติ)

ส่วนประกอบของวงจรที่แนะนำ:

  1. ตัวเก็บประจุ (100nF): ต่อระหว่างขา NRST กับกราวด์ เพื่อกรองสัญญาณรบกวน ไม่ให้ชิปเผลอรีเซ็ตตัวเองมั่วๆ
  2. ปุ่มกด (Push Button): ต่อลงกราวด์ เมื่อกดปุ่ม ไฟที่ขา NRST จะกลายเป็น 0V ทำให้ชิปเริ่มทำงานใหม่
  3. Pull-up Resistor: ปกติในตัวชิปมี Pull-up ให้อยู่แล้ว แต่เพื่อความชัวร์ (Robustness) เรามักจะต่อ R ค่า 10kΩ ดึงไฟขึ้นไปที่ 3.3V ด้วยครับ

แถม: Boot Configuration - “แผนที่นำทาง”

เมื่อชิปตื่นขึ้นมา (Reset เสร็จ) มันจะดูที่ขา BOOT0 และ BOOT1 ว่าจะให้ไปเอารหัสคำสั่งจากไหน

  • BOOT0 = 0 (ต่อลงกราวด์): บูตจาก Flash Memory (นี่คือโหมดปกติที่เราเบิร์นโปรแกรมใส่เข้าไป)
  • BOOT0 = 1 (ต่อไฟ 3.3V): บูตจาก System Memory (เอาไว้ลงโปรแกรมผ่านสาย Serial/USB หรือที่เรียกว่า Bootloader mode)

สรุป (Summary Checklist)

หากคุณจะกัดแผ่น PCB ทำบอร์ด STM32 เอง อย่าลืมเช็คลิสต์นี้ก่อนสั่งผลิตครับ:

  • ✅ จ่ายไฟ 3.3V เข้าขา VDD ทุกขา และต่อกราวด์ให้ครบ
  • ✅ ใส่ C 100nF ใกล้ขาไฟทุกจุด + C 4.7µF หนึ่งตัวตรงทางเข้า
  • ✅ ต่อ C ค่า 2.2µF เข้าที่ขา VCAP (สำหรับไฟเลี้ยง Core)
  • ✅ ต่อขา BOOT0 ลงกราวด์ (ผ่าน R 10k) เพื่อให้รันโปรแกรมเราได้
  • ✅ ถ้าต้องการความแม่นยำ อย่าลืมใส่ Crystal 8MHz ที่ขา OSC

เพียงเท่านี้ “หัวใจ” ของ STM32 ก็พร้อมเต้นและทำตามคำสั่งของคุณแล้วครับ!