李倩 發表於 2018-03-27 09:59:30
電路設計的基本過程一般是這樣的：需求分析——元件選型——原理圖設計——PCB設計——焊接調試。
▼需求分析：
在這裡，主要是確定小車需要哪些模塊、外設或接口。首先，STM32最小系統是必須的，這是小車控制的核心。然後小車的兩個輪子需要兩個H橋驅動和編碼器接口。需要陀螺儀感知小車的姿態（包括傾角，轉向角，角速度等）。需要一些調試和指示用的外設（蜂鳴器，LED等）。需要電源電路為系統供電。需要電池電壓採集電路來實時採集電池電壓，做低壓報警，防止電池過放。需要下載接口和調試用的串口。基本就是根據自己想要實現功能，然後確定需要那些部分的電路。
▼元件選型：
為需要的各個部分電路選擇元件，一般來說，主要是選擇何種型號、什麼封裝的晶片，對於一些比較特殊的電路，即使是電阻電容這樣常見的無源器件也需要認真選擇，然而平衡小車的電路中並不需要一些高精度或很高速的電路部分，所以，下面主要介紹如何選擇各個電路部分的主要晶片。
1.最小系統：考慮到小車的主控板可以作為今後做四軸或其他更高級的機器人的基礎電路，所以主控選擇了STM32F405RGT6，這款主控是M3內核的，主頻可以達到168M，有豐富的外設資源可以使用，性能非常強悍，非常適合以後的開發和拓展。
2.電機驅動：小車的兩個輪子電機需要兩個H橋驅動。驅動的選擇和電機的參數緊密相關。我選用的電機的正常工作電流360mA，並且考慮到小車在正常情況下基本不會出現賭轉的情況，並且為了儘量減小PCB板的面積，所以選擇了東芝的電機驅動晶片TB6612，該晶片有兩個集成的H橋，可以同時驅動兩個電機，每個H橋可以持續輸出1.2A的電流，PWM頻率可以到100kHz，晶片的供電電壓最大可以到15V，適合用3S電池供電，並且晶片封裝很小，節省PCB面積。
3.電源電路：主要考慮輸入電壓、輸出電壓、輸出電流等。小車電池採用3S鋰聚合物電池，放電率25C，以後做四軸還能用。電池的滿電電壓12.6V左右，電路中需要5V和3.3V的電源，因此需要選擇兩款款晶片將12V電壓降壓到5V，然後再將5V降壓到3.3V。12V-5V的晶片可以選擇MPS公司的DCDC降壓晶片MP2482，該晶片支持最大5A電流輸出，最大28V電壓輸入，0.8至25V可調電壓輸出，符合需求。5V-3.3V選用常見的AMS1117-3.3。
4.陀螺儀：選用MPU6050模塊，模塊自帶了軟體濾波算法，採用串口對外輸出數據，在115200波特率的情況下，每秒鐘可以輸出100幀的數據。
▼原理圖設計：
1.最小系統：包括stm32f405rgt6，晶振電路，復位電路。R2和R3用於配置啟動方式。C9和C12是單片機內部電源變換部分的濾波電容。最小系統基本都是一樣的，按照常用的電路設計一般沒有錯。那幾個電容式晶片的去耦電容，注意一下，模擬電壓、模擬地和數字電源、數字地之間用磁珠隔離，防止數字電路的高頻噪聲影響到模擬電路的精度。
2.電源電路：R22和R23將電池電壓分壓到1.2V，接到單片機內部的ADC引腳，監控電池電壓，防止過放。
3.電機驅動和編碼器電路：基本就是按照晶片datasheet上的參考電路設計的，注意做好電源去耦，因為電機的電壓較高、電流較大，容易通過電源網絡對其它電路產生影響。
4.陀螺儀：集成的模塊，沒啥好說的，把引腳連到單片機上就好了，簡單在電源腳上並一個電容做一下電源去耦（不做也無妨，因為模塊內部已經做了）。
5.CAN通信：在小車上並沒有用到CAN通信，但是CAN通信在現在的機器人設計中應用的非常廣泛。並且我們做小車本來就是要學東西的，加上調一下，多學習些知識，何樂而不為呢？CAN通信用的晶片是飛利浦的TJA1050，這是一個CAN收發器，stm32內部集成了CAN控制器。R4是阻抗匹配的電阻，在整個CAN通信網絡中有且只有兩個節點焊接此電阻，電阻阻值為120ohm。現在也還沒有深入學習CAN通信相關的知識，在以後調試CAN通信的時候再詳細學習吧。(^.^)
6.調試電路和其他的接口：SWD下載接口，USART調試串口，藍牙接口（根據選擇的藍牙模塊不同確定接口不同引腳的用途，比如使能腳、狀態輸入腳等，後面寫藍牙的時候詳細描述）。蜂鳴器和雙色LED燈用於調試和指示。另外又引出了幾個定時器的引腳，可以留作拓展使用。
▼PCB設計：
不詳細說了吧。注意事項主要有電源去耦（具體做法可以參考我之前關於電源去耦的博文）、線寬控制（大電流的走線要儘量寬）、開關電源的布局布線（一般來說主要記住三點就好了：一是晶片的SW的信號是電壓高，頻率高的開關信號，會對其他電路產生嚴重的幹擾，要儘量遠離敏感的電路。二是反饋網絡是很敏感的網絡，儘量避免受幹擾。三是電源的電流較大，注意線寬和過孔的數量、孔徑等，保證有能力通過這麼大的電流。注意了這三點，集成的DCDC電路一般沒有問題）等。
這裡貼一下板子正反兩面的3D效果圖：
▼焊接調試：也不多說了，平時多練練手，0603 QFP這些封裝的元件就能輕鬆搞定了。焊接的時候先焊接電源部分，上電測試電源沒有問題的話再焊接其他部分，否則一旦電源有問題，整板全白焊了。。下面貼一個焊接調試好了的實物圖。
就先寫這麼些吧。上面寫的比較囉嗦，也沒有什麼高大上的技術，差不多都是硬體電路設計需要的基礎知識吧。只是希望將自己設計這塊平衡小車電路板的過程比較系統和通俗的介紹一下，能將自己這實踐過程中學到的只是和經驗分享出來，沒怎麼接觸過這方面的朋友可以將其當作參考，快速入門。同時希望各位高手和達人能多多指教。
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