機(jī)器人主控板設(shè)計(jì)方案

在很多人眼里，主控板有著密密麻麻的芯片引腳與PCB走線，看起來非常難的樣子。 其實(shí)恰恰相反，主控板的設(shè)計(jì)有著其特有的設(shè)計(jì)規(guī)律，其實(shí)說白了就像搭積木，在滿足單片機(jī)最小系統(tǒng)的條件下，需要哪些功能，只需要增添相對應(yīng)的電路模塊即可，也可稱為模塊化設(shè)計(jì)思想。

本文我將從三個(gè)層次來介紹用于機(jī)器人主控板的設(shè)計(jì)思想。 分別為：

根基，主控板最基礎(chǔ)部分的設(shè)計(jì)和原理；

枝干，主控板功能模塊的擴(kuò)展與設(shè)計(jì)思路；

樹葉，主控板中功能模塊具體電路參數(shù)的計(jì)算。

我將以一棵大樹的層次結(jié)構(gòu)為模型，帶領(lǐng)大家走進(jìn)電路設(shè)計(jì)的樂趣。

根 基

這里的根基表示的是單片機(jī)最小系統(tǒng)，是單片機(jī)可以正常執(zhí)行程序的最簡工作環(huán)境。 如果沒有這些的話，單片機(jī)是無法運(yùn)行程序的。

最小系統(tǒng)的組成包括，電源電路，時(shí)鐘電路，復(fù)位電路。 大多數(shù)芯片的最小系統(tǒng)需要包含以上三種電路，而有的芯片卻可以不使用外部時(shí)鐘，其芯片內(nèi)部可以通過RC振蕩器為程序運(yùn)行提供時(shí)鐘基準(zhǔn)。

根基之電源電路。 以STM32系列單片機(jī)為例，其工作電壓在2.0V~3.6V,通常會(huì)使用3.3V電源供電。

假設(shè)我們使用5V電源為電路板提供電源，這樣就需要將5V轉(zhuǎn)換成3.3V為單片機(jī)供電。 考慮到單片機(jī)需要工作在低紋波的電源環(huán)境下，這里選擇了線性降壓電源（LDO）。 明確了設(shè)計(jì)目的，下面就需要進(jìn)行方案選擇了。

需要做的事：使用那款LDO芯片將5V電壓降低到3.3V電壓，且滿足功率需求。 能夠?qū)崿F(xiàn)這幾項(xiàng)需要的方案，非常多，下面我簡單列舉了幾款常用芯片。

細(xì)細(xì)分析上面的表格中參數(shù)，發(fā)現(xiàn)不同芯片有著不同的最大輸出電流。 這時(shí)可根據(jù)單片機(jī)內(nèi)部資源使用情況來計(jì)算最大工作電流（在單片機(jī)手冊可以查找到），來進(jìn)行方案選取。 確定了單片機(jī)最大工作電流后，需要擴(kuò)大3倍來選取電源芯片。

至此，已經(jīng)確定好了電源芯片方案，但是如何進(jìn)行電路連接呢？ 如何設(shè)計(jì)能減少干擾呢？ 對于電路如何連接，一般在芯片手冊前幾頁會(huì)給出典型應(yīng)用電路。 這里我以AMS1117-3.3為例進(jìn)行介紹。

下圖來自芯片手冊中的典型應(yīng)用電路模塊。 一般情況下，按照數(shù)據(jù)手冊中的電路連接，就可以正常使用。 為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，我們還可以對電路稍加修改。 比如，在電源輸入口增加磁珠來抑制電源線上的高頻干擾信號(hào)。 在輸入輸出端增加濾波去耦電容，以保證輸出電源的純凈，和瞬態(tài)響應(yīng)能力。

根基之復(fù)位電路。 相信很多人和我一樣，從接觸51單片機(jī)時(shí)就開始疑惑復(fù)位電路的工作原理，由于對模擬電路理解的不夠透徹，而不能給出正確答案，當(dāng)別人問起時(shí)，吞吞吐吐說不出個(gè)所以然來。 對于復(fù)位電路，這里給出兩種不同的解釋，歡迎大家批評指正。

對于低電平復(fù)位的單片機(jī)來說，其復(fù)位電路如下圖所示：

復(fù)位電路解釋一：首先，明確電容器具有通交隔直的能力。 而交流電的定義為非直流電都為交流電，而直流電的定義是大小方向不隨時(shí)間變化。

那可以這樣理解：在電路上電瞬間，電壓從零變化到VCC此時(shí)電容兩端電壓在不斷變化應(yīng)該歸屬于交流電，這個(gè)變化過程是需要時(shí)間的。 在這段時(shí)間內(nèi)電容處于導(dǎo)通狀態(tài)，RST引腳電壓接近于GND（低電平）。 滿足單片機(jī)復(fù)位要求。 具體參數(shù)可通過RC電路進(jìn)行計(jì)算。 通常使用0.1uf和10K電阻進(jìn)行單片機(jī)復(fù)位。

復(fù)位電路解釋二：從電容充電曲線理解. 電容在充電時(shí)，兩端電壓曲線如下圖仿真圖所示，電壓緩慢爬升，當(dāng)IO口電壓低于0.8V時(shí)，單片機(jī)就會(huì)認(rèn)為IO口電平為低電平，則圖中復(fù)位電路使用參數(shù)可提供288us低電平時(shí)間，足夠滿足單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位。

根基之時(shí)鐘電路。 對于單片機(jī)來說時(shí)鐘就像心跳一般，在時(shí)鐘信號(hào)的基準(zhǔn)下，有規(guī)律的執(zhí)行者代碼。 時(shí)鐘電路大同小異，這里以無源晶振為例。

如上圖所示，為時(shí)鐘電路，其中兩個(gè)22pf電容為起振電容，1M電阻為環(huán)路反饋電阻。 采用8MHZ晶振，經(jīng)STM32內(nèi)部PLL鎖相環(huán),進(jìn)行倍頻可達(dá)到72MHZ，后經(jīng)過分頻電路進(jìn)行分頻為各外設(shè)提供時(shí)鐘。

單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由這三部分，作為控制器的根基，是必須要有的。 無論多么復(fù)雜的功能都需要基于此進(jìn)行拓展，下面介紹如何拓展主控板的功能。

枝 干

這里的枝干指的是以最小系統(tǒng)為根基引申出來的各個(gè)功能模塊。 和大樹一樣，枝干在滿足自身生長的條件下可多可少。 這里簡要介紹兩個(gè)擴(kuò)展功能，以展示控制器中“枝干”的設(shè)計(jì)過程。

新增枝干---溫度檢測功能：

這里想用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡單的溫度計(jì)功能，可用于機(jī)器人中電機(jī)溫度檢測，也可以稱為需求。 這時(shí)我們需要做的就是選用哪種方法去實(shí)現(xiàn)溫度檢測。 如果你學(xué)過51單片機(jī)，可能會(huì)想到DS18B20這款單總線溫度傳感器，好這里可以把它作為一種備選方案。 還有沒有其他的？？？ 我喜歡列表，畫圖去將腦海中的想法展現(xiàn)在紙面上，這里列表看看我腦中能夠列出多少種方案。

看吧，隨便一列就能夠列出5個(gè)備選方案，實(shí)際中遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些。 為了使文章更加豐滿，介紹更多的基礎(chǔ)電路設(shè)計(jì)，這里以負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻作為實(shí)現(xiàn)本次任務(wù)的傳感器。

負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的阻值會(huì)隨著環(huán)境溫度的升高而降低。 對于型號(hào)為MF52 10K ±1%的熱敏電阻，其阻值隨溫度變化的曲線如下圖所示。 在-40~70之間其阻值的線性度非常好，完全可以使用一次函數(shù)式（y=ax+b）來擬合這段曲線，然后根據(jù)電阻值去反推環(huán)境溫度。

問題推進(jìn)到現(xiàn)在，測量溫度的需求，已經(jīng)演變成了如何測量熱敏電阻阻值的需求。 說道電阻，應(yīng)該能夠想起最基本的歐姆定律吧！

通過上式，我們就可以通過檢測熱敏電阻兩端電壓來確定熱敏電阻阻值。

電壓法測量熱敏電阻阻值：這種辦法比較簡單，在產(chǎn)品中應(yīng)用的也較多。 使用電阻R1與熱敏電阻串聯(lián)，然后使用單片機(jī)ADC功能讀取VF1點(diǎn)電壓，后反推出熱敏電阻阻值，進(jìn)而計(jì)算出當(dāng)前所測試溫度。

其計(jì)算公式為：

電路中的R1需要選取一個(gè)合適的數(shù)值。 選取過大，NTC兩端電壓變化范圍就會(huì)變得很窄，為后期的數(shù)據(jù)出來帶來不便。

如下圖所示，為R1分別選取了10K，55K，100K三個(gè)阻值時(shí)，VF1隨溫度變化曲線。 從圖中可以看出當(dāng)R1=10K時(shí)，VF1的范圍很寬，并且溫度在0度到45度范圍內(nèi)變化時(shí)，VF1具有很好的線性度。

相比而言當(dāng)R1選取55K和100K時(shí)，VF1的表現(xiàn)就沒有那么好了。

這樣我們就在單片機(jī)最小系統(tǒng)上添加了測量溫度的功能。 在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，我們只僅僅使用到了單片機(jī)的一個(gè)ADC口，其余都應(yīng)屬于模擬電路知識(shí)。 按照這個(gè)思維，我們可以實(shí)現(xiàn)很多功能，比如你想要給控制器添加WIFI功能，通過分析也許你連原理圖都不用改，只需要購買個(gè)具有UART的WIFI模塊就能夠?qū)崿F(xiàn)，就是這么簡單。

新增枝干---電路電流檢測功能：

在控制器設(shè)計(jì)中難免會(huì)涉及到檢測電流，用于電路過流保護(hù)，或電機(jī)相電流檢測。 這里想用單片機(jī)檢測電機(jī)某相電流，來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的FOC控制，也可以稱為需求。

電流檢測方案有多種可供選擇，比如采樣電阻，霍爾電流傳感器，羅氏線圈。 這里我選擇了電阻對電機(jī)相電流采樣。

一般檢流電阻的值都比較小，比如0.005歐姆。 當(dāng)流過10A電流時(shí)，電阻兩端壓差僅為50mv，這樣就不會(huì)對電路造成影響，但是會(huì)帶來一個(gè)問題，直接使用單片機(jī)ADC讀取時(shí)，無法準(zhǔn)確讀取到數(shù)據(jù)。 通常的做法是將電壓放大后，再使用單片機(jī)讀取。

電路設(shè)計(jì)到這里，從剛開始的電流檢測需求，已經(jīng)推進(jìn)到采樣電壓信號(hào)的放大需求。 這時(shí)想到的必然是使用運(yùn)放對采樣電壓放大。

如下圖所示，選取了運(yùn)放構(gòu)成的減法電路（差分放大電路），來放大電壓信號(hào)。 具體的電路計(jì)算后文詳細(xì)介紹。

這樣又在單片機(jī)最小系統(tǒng)上添加了電流檢測功能。 在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，只僅僅使用到了單片機(jī)的一個(gè)ADC口。

枝干部分就先列舉兩例，在這種思維的指引下，你可以嘗試著實(shí)現(xiàn)其他功能，比如實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)據(jù)顯示功能，實(shí)現(xiàn)CAN通信，實(shí)現(xiàn)4-20ma信號(hào)處理。 好好想想，看看有多少種可用的解決方案。

樹 葉

樹葉指的是以最小系統(tǒng)為根基引申出來的各個(gè)功能模塊中的具體電路參數(shù)。 這里的設(shè)計(jì)需要根據(jù)選定的最終方案來詳細(xì)計(jì)算電路中阻容等每個(gè)元件的值和具體器件選型。

現(xiàn)在以上文中電流檢測電路為例，來介紹如何計(jì)算電路參數(shù)。

上圖中的電路原型為減法電路（也稱差分放大電路），如下圖所示

根據(jù)模電基礎(chǔ)知識(shí)，其輸出電壓表達(dá)式為：

，其中

為差分放大器的放大倍數(shù)。

假設(shè)系統(tǒng)中需要將信號(hào)放大5倍，這時(shí)

應(yīng)該等于5。 這里的取值可就多了，比如100歐姆和500歐姆，1K歐姆和5K歐姆，10K歐姆和50K歐姆。 這么多種組合，到底哪個(gè)組合比較好呢？ 在我看來在保證功耗允許的情況下，阻值越小越好。 100歐姆就比1K歐姆好，1K歐姆就比10K歐姆好。

電機(jī)的三相電流波形是相位相差120度的正弦波，如下圖所示。 在電流檢測過程中信號(hào)有半個(gè)周期為負(fù)值。 對單電源供電的運(yùn)放，位于負(fù)半軸的電流值是無效的，無法進(jìn)行放大。 此時(shí)就需要對電流波形進(jìn)行偏移，使得整個(gè)周期的電流波形都位于正半軸以上。

為了解決這個(gè)問題，只需要在下圖RB處添加直流偏移電壓Vref，輸出電流形就會(huì)向Y軸正方向偏移Vref。

此時(shí)，輸出電壓表達(dá)式為（可根據(jù)疊加原理推導(dǎo)）：

下圖所示，將一個(gè)30mv正弦信號(hào)放大5倍并偏移1.65V后的電流波形。

至此，我們已經(jīng)計(jì)算出了電路中的電阻參數(shù)，當(dāng)Ra=1K時(shí)，Rb=5K這個(gè)組合是比較好的。 因?yàn)镾TM32單片機(jī)ADC引腳最大輸出電壓為3.3V，通常對電流波形偏移Vref=1.65V即可滿足要求。

主控板的設(shè)計(jì)就這樣簡單，明確需求，方案選取，計(jì)算參數(shù)，簡單三步即可實(shí)現(xiàn)你想要的功能。