Drone-Mercury 从零开始的四轴无人机制作（二）- 硬件与PCB_pcb小四轴电机固定

Drone-Mercury 从零开始的四轴无人机制作（二）- 硬件与PCB

该项目目前还是正在进行的一个状态，Github中提供了现在最新的进度。如果对您有帮助，请点个星星支持一下！
Github地址： https://github.com/Xiangyu-Fu/Drone-Mercury

2. 硬件与PCB

首先来看一下硬件的部分。硬件的部分是非常重要的一环。但是很多时候问题是，没有足够的资料来对整个知识网络进行一个整理和汇总，因此我们就没法获得一个整体上对产品设计上的观念和感觉。所以这也是为什么我想从底层开始构建一个完成的项目。只有这样我们才可以对其它的方向进行一个概念性的理解，来增强对整体的一个把握。

在这个项目开始之前，我一直觉得硬件部分是比较困难的，不过，根据我现在的想法来看，的确是这样。不过硬件更多的困难是体现在物理世界的，很多debug也是要考虑物理问题，这是我觉得和软件层面最大的不同。所以，在我目前看来，硬件方面是非常基于经验的。因为硬件不像是编程，如果报错会给你反馈，然后通过搜索，以及各种debug方法，你就可以定位到出错的位置。但是硬件就很大不同，比如芯片间通信出现问题，可能是因为芯片的虚焊，或者也可能是芯片因为短路烧毁。但是，如果经验较为充足，你就可以有一套的bebug思路，从最有可能的问题开始排查，一一排除错误。这当然可以自己摸索，不过，我觉得可能更有效的方法是有老师领路，这样真的可以走很多弯路。不过，自己钻研也是不错的，但会比较花时间，各有利弊吧。

如Drone-Mercury 从零开始的四轴无人机制作（一）里面所说的，这个项目是基于STM32C8T6的。由于对硬件方面没有太多经验，所以硬件的原理图主要参考了以下的材料

• 《四轴飞行器DIY》
• 野火霸道开发板v2原理图

PCB部分网上有很多教程，可以很快的入门。整体的硬件设计在Altium Designer 21中完成的，如果想查看设计图的话需要注意版本问题。

2.1 原理图

下图展示了整体的原理图部分，主控芯片采用了STM32C8T6，采用了16MHz的外源晶振。主要分成了以下的几个部分，

• STM32主控电路，
• 电机驱动电路，
• NRF24L01接口电路，
• MPU6050模块电路，
• 电源模块电路，
• 指示灯驱动电路，
• 电池, UART插针
  

2.1.1 STM32主控电路

STM32C8T6主控电路主要是包括了一些驱动STM32C8T6的模块，包括供电以及16MHz的外源晶振。晶振也可以采用常用的8MHz。
除去一些驱动模块，这里还有一个LED指示模块连接在GPIOB 3上，我们可以通过这个LED现实一些状态。由$R4,R5,C3$组成的电源电压检测模块，使用ADC来检测电源电压。以及Debug接口SWD，这里采用四线SWD的方式与下载器连接，其中四个口分别是$VCC,GND,TMS,TCK$。使用四根线连接到下载器的SWD端口就可以使用下载器下载程序了。

关于下载器，一般只要是支持Cotex-M3的下载器是都可以的。

2.1.2 电机驱动电路

以上是电机驱动电路，肯定是由四个相同的模块组成的。下图为采用SOT23封装的AO3402， 其数据表见此。

我们使用定时器来输出PWM信号由此控制MOSFET AO3402的开闭，因而可以控制电机的输出。$D1-D4$用于保护MOSFET，防止电机产生的电流损坏AO3402。$R20-R23$是下拉电阻，用于释放点AO3402自身电容上的电压，以便快速响应PWM的控制。

2.1.3 NRF24L01接口电路

NRF24L01是一个8pin的排针座，画PCB的时候注意方向。下图是PCB中的NRF24L01插槽。

我在第一版PCB中弄错了方向，这会让整个造型显得非常怪异。NRF24L01采用SPI与STM32C8T6连接，使用2.4 GHz频带通信，可以在250 kbps到2 Mbps的波特率下工作。如果在开放空间中使用且波特率较低，则其范围可达100米。不加功放大概在7-10m左右。

该模块可以使用125个不同的通道，这使在一个地方拥有125个独立工作的调制解调器的网络成为可能。每个通道最多可以有6个地址，或者每个单元可以同时与最多6个其他单元通信。

在传输过程中，该模块的功耗仅为12mA左右，甚至低于单个LED。 模块的工作电压为1.9V至3.6V，但好处是其他引脚可以承受5V逻辑，因此我们可以轻松地将其连接到STM32，而无需使用任何逻辑电平转换器。

其示意图如下所示，图片来源见水印。

2.1.4 MPU6050模块电路

以上是MPU6050的电路，主要是很多的供电引脚。MPU6050采用了I2C与STM32C8T6通信。在PCB布线的时候，I2C的通信线应该尽可能的短，并尽量保证SCL与SDA的长度一致，这样为了防止电磁干扰和信号的长度差。

$R6，R7$是上啦电路，电阻值的选取范围为$2-10k\Omega$。由于连接到I2C总线上的器件是漏极开路或者集电极开路，因此允许把多个I2C总线器件连接到总线上。同时，因为接了上拉电阻，所以在总线空闲时间，SDA和SCL线都是默认高电平，可以防止外部干扰造成误启动。

下图中所示为PCB视角下的MPU6050。

2.1.5 电源模块电路

电源模块主要分为两个部分，升压电路和稳压电路。

升压电路

LTC3200 是低噪声、恒定频率开关电容器电压倍增器。它们在 2.7V 至 4.5V 输入范围内产生稳定的5V输出电压，输出电流高达 100mA。在这里，LTC3200将电池电压从3.7V升到5V。

稳压电路

XC6206是一款高精度,低功耗,3引脚LDO高电压调整器芯片,并采用 CMOS工艺和激光微调技术. 在输出电流较大的情况下,输入输出压差也能很小。XC6206系列芯片内部包括一个电流限制电路,一个驱动三极管,一个高精度参考电压源和一个误差校正电路。

在这里我们将电源分成两个部分，分别为数字信号电源和模拟信号电源。其目的是，令数字脉冲信号产生的波纹不会影响到模拟信号的采集。

数字信号为高低电平,快速的高低电平转换(如各类通信接口和单片机内部运行)会使电源内部产生同步开关噪声。由于一般数字信号在1.8V以下为低电平,1.8V以上为高电平,较小的纹波对数字信号本身影响不大,而模拟信号对这样的纹波是相当敏感的。如果单片机的AD是8位的,那电源波动1/256就会对采样结果产生影响,如果AD位数更高,对电源的要求也就更高。利用电阻的感性,我们采用$0\Omega$电阻隔离数字地和模拟地。

2.1.6 指示灯驱动电路

以上为四个方向上的LED的驱动电路, 可以用于状态展示。所有的LED都通过引脚LED3控制。

发光二极管的正向饱和电压为1.6~2.1 V,正向工作电流为5~20 mA。为了降低功耗,可以把它的工作电流限制在2 mA左右,只是发光微弱一点。

2.1.7 电池, UART插针

这里采用了预留焊盘的方式与电池连接，因为比较简易。可以直接去购买匹配的公母线来连接到电池，非常方便。

2.2 PCB

再确认了原理图之后，就可以进行PCB的制作了。我使用的软件是Altium Designer21。关于如何制作PCB我在这里就不赘述了，因为网上提供了很多更为详细的教程。现在当前版本的PCB如下所示，所有模块都通过了测试。其中有几点需要注意的是，UART排针和SWD排针的位置有些不太好，应该放在更边缘一些的位置，甚至是移动到侧边。因为当前的设计非常影响软件的测试。但是由于在国外，不方便制作新的PCB版，所以我就凑合着用了。

PCB是采用了一个4层板的设计，只有在顶层放置元器件，2，3层作为供电层，底层作为信号层。

以上是二维模式下的视图。

以上是三维模式下的视图。

2.2.1 BOM表

以下是所有用到的元器件。这里比较需要注意的是封装，有些元器件提供很多不同的封装，在下单的时候需要注意下。钽电容的方向也要注意好，不要焊错。

2.2.2 PCB注意事项

还有些在画PCB时需要注意的地方：

1. 电池电压检测:通过R4,R5电阻分压,再检测R5上电压来计算电池的电压,计算公式为$V_{BAT}=V_T/R_5\times (R_4＋R_5)$,其中$V_T$为AD采样电压。

2. 采用四线SWD的方式与下载器连接，其中四个口分别是$VCC,GND,TMS,TCK$。直接连接下载器就可以下载程序了。

3. BOOT0 设置为低电平输入,R2焊接$20k\Omega$电阻,R3不焊。程序从单片机内部启动。

4. 多检查一下原理图部分各个模块的接线是否正确，因为很容易发生命名错误的问题。

2.2.3 焊接

如果检查没有问题就可以把工程文件发给制作PCB的厂家了，这里我使用的是JLC。收到的板如图所示

焊上各种原器件后，就如下图所示

需要注意的是上图有个错误是关于BOOT0的电平。正确的焊接方法是，R2焊接$20k\Omega$电阻,R3不焊。

在焊接的时候一定要注意虚焊问题，很多时候出现错误是因为虚焊造成的。建议在焊接完成后使用万用表测试各个针脚的连接情况。

2.3 总结

以上大致就是这个项目的硬件部分，由于这个部分大约是一年前完成的，也有很多细节忘记了。之后也会根据以后项目中发现的问题去更改。接下来就是各个模块的测试部分了，在每个模块中，我想主要分成两个部分，首先是基于基础库的测试程序，为了方便与之前的内容进行衔接，然后就是基于HAL库的程序，这样可以更好地为之后的程序进行移植，和保证与时俱进。 而且目前基于HAL库的内容比较少，也算是能起到一定的借鉴之用。