Crazepony硬件原理讲解

作者：CamelGo

原理图设计

Crazepony-II(第4版/4.1版)硬件组成

  • 主控：STM32f103T8U6
  • 姿态传感器：MPU6050（3加速度+3角速度）
  • 电子罗盘：HMC5883L
  • 无线通信协议：NRF24L01+ 与 蓝牙2.1/蓝牙4.0透传共存
  • 有线通信协议：CP2102（USB转串口）
  • 电机驱动：SI2302场效应管
  • 外部接口:标准mircoUSB接口
  • 电机：Coreless高速电机 3W转/分钟
  • 桨叶：46mm黑色正反桨
  • 电池：350mAh 25c航模动力电池

Crazepony-II(第4版/4.1版)原理图设计简介

单片机最小系统

单片机在任何一个系统里面，无论他扮演什么角色。它要正常工作，都必须要有一个最小系统。下面，从最小系统开始简介Crazepony：

Crazepony硬件原理讲解 - 图1

STM32的最小系统一般包括：复位电路，外部时钟电路，启动模式选择电路，电源退偶电路等

复位

Crazepony硬件原理讲解 - 图2

查阅意法半导的官方手册可以知道，STM32系列单片机都是低电平复位。于是采用如图的主流复位电路作为Crazepony主控的复位电路

外部时钟

官方手册有写，外部时钟我们采用的是8M无源晶振。单片机内部做倍频，系统时钟最高可达到72M

启动模式

STM32的启动模式分为三种，可以下面的表格给出：

Crazepony硬件原理讲解 - 图3

由于为了方便用户调试和二次开发，所以Crazepony采用了SWD在线程序调试接口和ISP程序下载两种方式。SWD调试接口可以使用编译调试器在线对程序进行仿真、调试、下载，这对开发人员来说是很方便的，缺点就是需要PC端有一个这样的软件来支撑。串口ISP下载方式，只需要STM32的UART1的两个数据 线，就能将编译生成的*.HEX文件烧写进单片机，不足之处是不能仿真程序。

关于启动模式的应用，在USB-Serial处会有介绍。

电源退偶

不仅是主控最小系统需要对电源退偶，所有的数字电路和模拟电路共存的系统，都需要对电源退偶。电源退偶，说直接一点就是将电源上的噪声电压引入到地平面，让电源电压保持在一个稳定的值，这样系统才可能稳定工作。怎么做呢？用一个大电容并联一个小电容。

Crazepony硬件原理讲解 - 图4

我们都知道，电容对频率越高的信号，呈现低阻特性，对直流呈现高阻特性。那么电源上的噪声对地平面而言，就是一个交流信号，交流信号就能通过电容到达地平面，而电源是一个直流，电容对他呈现出无限大的阻力，无法通过。这样，我们用示波器就可以看到，加了退偶电容的电源会比没加退偶电容的电源，波形要稳定得多。

系统电源

Crazepony硬件原理讲解 - 图5

市面上所有的航模动力电池，都是3.7V的标称值，比此电压高的电池，都是几个3.7V的电池串联起来的

Crazepony采用了一节动力电池，电池电压是3.7V，而系统所有芯片都要求是3.3v供电。3.7V到3.3V只有0.4v的压差，我们考虑过采用低压差的LDO稳压芯片输出，但是要知道，四个空心杯电机转起来以后，瞬间电流能达到3A，此时电池电压会被拉低到一个LDO无法正常工作的值，于是我们后来放弃了直接将电池接到LDO稳压芯片上，而是在中间采用一个过渡的电路：一个DC-DC的升压电路，首先将电池电源升到5V左右，再接入LDO芯片（MIC5205-3.3）如图

Crazepony硬件原理讲解 - 图6

锂电池充电管理

Crazepony硬件原理讲解 - 图7

锂电池充电这一块，采用的是 LTC4054，外部电路简单，一个电阻R7作为充电限流电阻，充电电流最大可达600mA，充电电流计算公式：IBAT =(VPROG /RPROG)*1000。

R6作为充电指示灯的限流电阻，选择几百欧姆就行了。当充电进行中，引脚STR常低，充电结束时，STR拉高。对应的状态就是：充电时，CHG灯常亮，充电完成，CHG 灯灭。

姿态传感器

Crazepony硬件原理讲解 - 图8

Crazepony采用的是最常用的MPU6050陀螺仪加速度计一体芯片，成本不超过20元，对小四轴来说，它的精度和性能绰绰有余了（当我听说教研室师兄用的一颗传感器裸片卖1W+时，我整个人都不好了..），MPU6050在这个价位里面几乎是占有绝对的性价比优势。首先，它将陀螺仪和加速计整合在一个片上，通过IIC总线给出六个维度的ADC值；其次，芯片本身提供一个“从”IIC接口，供用户接第三方的IIC器件，一般选择是接一个电子罗盘，如HMC5883L，构成一个9轴的输出的姿态模组，现在MPU9150已经丧心病狂的把电子罗盘功能也整合在片上了，但是要买60+元；最后，这颗芯片内部集成了一个DMP（Digital Motion Processor）处理器，这是最让我爱不释手夜不能寐的一个功能，直接硬件解算四元数，从某种程度上说解放了20%的主控资源。

采用HMC5883L作为机身的电子罗盘。电子罗盘接到MPU6050的从IIC总线（auxda，auxdl）上，在初始化MPU6050时，设置成主IIC总线与从IIC总线直通，STM32可以直接通过主IIC总线访问从IIC总线，从而读取HMC5883L的数据。

数据更新模式采用硬件中断模式，即MPU6050和HMC5883L都有一个硬件中断引脚MP_INT和HM_INT，这样，能保证数据到来时间的准确，让CPU资源最大化利用。

由于电子罗盘是一个对电磁环境很敏感的元件，所以在布局时，尽量将HMC5883放在一个空旷的地带，周围不要有金属，附近不要有不要有大电流通过。

在这个问题的处理上，dji的Phantom系列飞行器已经有了很好参考，Phantom系列的电子罗盘是放在飞机的起落架上的，可以看出他们的工程师在设计 飞行器的时候，考虑问题是很周全的。

电机驱动

无刷电机的操作相对来说是比较麻烦的，而有刷电机就是我们小时候玩的四驱车上的那种电机，接上电就能猛转，反着接它就反着猛转，就是这么简单。

Crazepony使用的是有刷空心杯电机，所以电机的控制属于有刷直流电机控制。相对于无刷电调来说要简单很多，所以电调我们就默认指无刷电机的电调，而这里只用电机驱动来代替。Crazepony采用的是有刷空心杯高速电机，转速在3W转/分钟左右。要驱动有刷电机，很简单，只需要将信号的驱动能力增大，就能驱动有刷电机了。

那么选择什么元件来提供这样的特性呢?Crazepony的电机驱动IC选型经历了三级管，中功率管的失败，最后选用的是场效应管（即MOSFET）SI2302。

由于笔者完全是由于一种强烈的爱好选择了飞行器，最开始连有刷电机和无刷电机的物理结构区别都不知道，电调又是啥？傻傻分不清楚……

从一个几乎零基础的状态去选择电机驱动芯片，弯路是必须要走的，学费是必须要交的。曾以为书上学到的东西马上就能用，马上能转化为产品，后来发现真的是自己想多了。

最开始用的三极管作为电机驱动，采用很经典的共射电路“三极管工作在开关状态应该就行了吧？”画了用三极管驱动的PCB板，发现电机越转越慢，根本没劲。“也许是因为三极管扛不了大电流，好吧那我换个中功率管吧，集电极最大6A电流行了吧？”可以想象结果是不行的。

Crazepony硬件原理讲解 - 图9

首先了解下为什么三极管作为简单的电机驱动是不可取的方案：

  • 三极管作为一个古老的半导体先驱，它是以一个放大器件的姿态而出现的，它在线性区域特性集中，饱和与截止都是两种极端的工作状态，而作为电机驱动的话，我们只能选择它的这两种极端工作模式。
  • 用三极管作为大电流负载的驱动管时，不得不考虑的是他自身的管压降对负载的影响，这是很严重的。自身耗散越来越大，电机和管子是串联关系，电池电压只有3.7V，电机就只能越转越慢了

在晶体管家族里面还有一种跟三极管特性互补的，所有特性都集中在开关状态的晶体管，场效应管，即MOSFET。通常的场效应管完全导通时，源漏极电阻都是mΩ级别的，即它自身的耗散非常小。用它做为驱动管再合适不过了。最终选择了一个SOT23封装的,导通电压Vgs<4v的场管（SI2302）,结果表现出了很好的驱动性能。

Crazepony硬件原理讲解 - 图10

每个场效应管接一个大电阻下拉，目的是为了防止在单片机没接手电机的控制权时，电机由于PWM信号不稳定开始猛转。接一个下拉电阻，保证了场管输入信号要么是高，要么是低，没有不确定的第三种状态。那么电机也只有两种状态，要么转，要么不转。主控输出的是PWM波形，用于控制场效应管的关闭和导通，从而控制电机的转动速度。这就是crazepony电机驱动的原理。就是这么简单。

2.4G 通信

Crazepony硬件原理讲解 - 图11

Crazepony在选择通信芯片上，也是选择了大家熟悉的芯片，NRF24L01。我相信很多朋友跟我一样，在大学阶段玩过最多的无线芯片就是它了，因为市面上有很多针对这个芯片延伸出来的各种通信模块，技术很成熟，也很稳定，性价比很高。

我查阅了NRF24L01的芯片手册，官方给出了整套硬件设计方案，包括天线的设计，PCB阻抗计算，以及底层的SPI驱动协议等等，资料很详细。

于是我们将这颗芯片画在了机身上面，在天线方面的选择上，我采用体积很小的2.4G陶瓷天线，这种天线比PCB天线占地面积小，对这个寸土寸金的小飞机而言，简直太棒了。

Crazepony硬件原理讲解 - 图12

USB-Serial协议转换

前面已经说了启动模式的切换会在下载程序时用到。

Crazepony在设计之初，就考虑到了，一般用户PC机上是不会装像KEIL这种软件的，但是所有的PC机都有USB接口，那么在机身上集成一个USB-Serial协议转换芯片，那么就能够直接用一根micro USB的数据线（就是现在统一的安卓手机数据/充电线）对飞机进行固件（*.HEX）升级了，这种方式真是太棒了。

试想，你的电脑里原来都是跟你工作相关的文件或者是软件，今天你买来一台Crazepony，里面的固件虽然已经很优秀了，但是我们一直在完善它，突然有一天，我们告诉你，我们的固件升级了，你可以选择更新固件。那么，现在有两种方式供你选择来升级你的飞机：第一，你需要装一个叫做KEIL或者IAR或者其他类似的专业软件，还得在淘宝买一个你看都看不懂的jlink调试器。第二，你只需要将你的安卓手机线拿出来，插上电脑，打开我们的一键升级软件。这两种方式，我想大家都会选择第二种吧。

那么，要实现第二种方式，我们就需要用到启动方式的切换来实现。

Crazepony硬件原理讲解 - 图13

我们可以看到PNP型三极管Q5的基极是和复位按键连接的，PNP型三极管是基极低电平导通。Q5的发射极是和电源连接，集电极是和BOOT0连接。显然，BOOT0的电位高低，是跟复位按键是否按下直接相关的，同时我们有上面的铺垫也知道，BOOT0=1，BOOT1=1时，STM32从内部闪存开始启动，用于程序调试用。复位按键按下之前，BOOT0=0（内部下拉），复位按键按下以后，BOOT0=1，复位后，间隔四个时钟周期后采样BOOT0的电平，如果是高电平，那么进入调试模式，开始接收串口发送的程序代码，存放在内部的Flash中，下载完毕以后，软件复位，此时复位按键肯定已经弹起了，四个时钟周期以后采样BOOT0，此时是低电平，进入正常模式，这样就完成了一次ISP下载。

这样一来，机身和外部的有线接口就只有一根安卓手机的标配数据线micro USB线。它既是充电线，也是调参、烧写固件的数据线。这对大妈来说，想必操作也是很简单的吧。

有了USB-Serial的转换，那么我们的飞机和PC上位机的通信就有了必要的硬件基础。

蓝牙透传模块

Crazepony硬件原理讲解 - 图14

为了让Crazepony能跟上智能机泛滥的步伐，同时也是为了增加它的适应性和降低成本的考虑，我们在原来的基础上增加了蓝牙透传模块，硬件焊盘上兼容蓝牙2.1和蓝牙4.0 BLE技术。就是说，同样一个Crazepony的裸PCB板，可以选择焊接蓝牙2.1和蓝牙BLE的模块。

蓝牙协议是很复杂的，要想去接触并试图一步一步的写出来，在我现有的时间下，几乎不太可能了。而将蓝牙透明传输成串口，这就很好的将Crazepony与安卓设备对接了，可以直接在安卓设备上面开发遥控app或者上位机。这想想也有点小激动呢，于是，我们真的这么干了，也成功了。

Crazepony的主要硬件介绍到这里就告一段落了，笔者刚结束学生时代，工程经验十分有限，硬件设计过程中肯定许多有不足和漏洞，希望广大读者指正，我们一定会积极接受意见并作出修订，希望把Crazepony做得更加完善，更加稳定，给这片土地上的广大爱好者提供丰富的资料和开发经验。