【文章內(nèi)容簡介】 TTL、RS485），多種數(shù)據(jù)格式和傳輸速率，公開的數(shù)據(jù)接口，收發(fā)一體半雙工工作模式，采用單片射頻集成電路及單片MCU，外圍電路少，功耗低，可靠性高等。 無線通訊模塊 KYL610主要參數(shù)電源輸出功率發(fā)射電流接受靈敏度外型尺寸—5V=50mW20mA108dBm(9600bps)40mm24mm6mm傳輸距離200m 以上(BER=105@9600bps,標(biāo)配10cm天線，空曠地，)；400m以上(BER=105@1200bps,標(biāo)配10cm天線，空曠地，)； 推進(jìn)組及電機(jī)驅(qū)動選型（1）四旋翼無人直升機(jī)的推進(jìn)組由電機(jī)、減速齒輪和螺旋槳組成（）。減速齒輪減速比為1:6，可以為旋翼提供更大的扭矩。電機(jī)型號為1225FE33，體積1210，重12g。 四旋翼無人機(jī)推進(jìn)組 1225FE33性能指標(biāo)額定空載起動電壓轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速電流轉(zhuǎn)速電流轉(zhuǎn)矩電流3V11000rpm200mA12000rpm80mA33 1800mA（2）直流電機(jī)是功率器件，需要很大的驅(qū)動電流，控制器的驅(qū)動能力有限，因此必須選用專門的驅(qū)動芯片。，四旋翼無人機(jī)的的電機(jī)的啟動電流達(dá)到1800mA，另外電機(jī)的工作電壓為11V，因此電機(jī)驅(qū)動芯片選用飛思卡爾的電機(jī)專用芯片MC33886。該芯片的驅(qū)動電流可達(dá)5A、操作電壓達(dá)到40V，脈寬控制頻率可達(dá)10Khz。 MC33886主要參數(shù)參數(shù)范圍單位最小典型最大電源電壓—40VVIH——VVIL——VPWM頻率——10KHz電流峰值—15002000mA 處理器選型（1）作為核心部件，處理器必須具有足夠的數(shù)據(jù)處理能力和系統(tǒng)控制能力。（2）導(dǎo)航解算、數(shù)字濾波等需要大量的浮點(diǎn)運(yùn)算（除法、開方、正弦余弦、FIR濾波等），因此要求處理器具有一定的浮點(diǎn)處理能力。（3）由于編程的代碼量相對較多，需要足夠的程序和數(shù)據(jù)空間（4）外設(shè)接口要豐富：2個SCI口，分別給hmr3300數(shù)字羅盤和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊KYL610；6路A/D接口，配置給慣性測量單元；1個I/O口和1個CAP捕捉口，配置給超聲傳感器；4路PWM輸出電路，控制四個直流電機(jī)；SPI通信端口擴(kuò)展綜合考慮以上幾點(diǎn)因素：選用TI公司的TMS320F28335作為處理器。F28335整合了C28x處理單元和浮點(diǎn)處理單元[34]的構(gòu)架(C28x+FPU)。C28x構(gòu)架整合了DSP和微控制器的最佳特性。能在一個指令周期內(nèi)對任何內(nèi)存地址讀寫、修改操作。FPU單元采用IEEE754單精度浮點(diǎn)格式標(biāo)準(zhǔn)，使其具有很強(qiáng)的浮點(diǎn)運(yùn)算能力。 TMS320F28335 DSP的主要特征表型號DSP類型特性F28335C28x+FPU32位浮點(diǎn)SCI（3個）、SPI（1個）、CAN、12位A/D（16通道），McBSP，增強(qiáng)ePWM模塊（6路）、增強(qiáng)捕捉單元（4個）、增強(qiáng)光電編碼接口、看門狗定時器、FLASH（256K）、高達(dá)150MIPS 硬件系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)控制系統(tǒng)配置和F28335的特性，由上一節(jié)內(nèi)容可知，DSP選用TMS320F28335，數(shù)字羅盤選用hmr3300，無線通信模塊是KYL610，超聲傳感器是URF04，慣性測量模塊(IMU)采用MMA7260Q和ADXRS150，晶振頻率為20Mhz，電機(jī)組和電源為模型自帶。 硬件系統(tǒng)重量分布。 四旋翼無人直升機(jī)元器件質(zhì)量表元器件重量（g）說明機(jī)架148華科爾四旋翼機(jī)架和推進(jìn)組鋰電池73800mAh無線模塊12含天線數(shù)字羅盤6主控制板34包括DSP最小系統(tǒng)各器件接口陀螺儀和加速度計5三個單軸陀螺和一個三軸加速度計合計278 四旋翼無人機(jī)元器件質(zhì)量分布圖，機(jī)架和電池部分占系統(tǒng)總重量的百分之八十。系統(tǒng)機(jī)架是在華科爾四旋翼直升機(jī)上改造的，包含了機(jī)體、電機(jī)、減速齒輪、螺旋槳和電機(jī)驅(qū)動等部分，鋰電池占26%，這兩部分所占比例太大?？刂破骱诵哪K占總質(zhì)量的20%，其中傳感器和通信部分占8%。由以上結(jié)論可以看出，想要進(jìn)一步減少機(jī)體重量、提高有效載荷可以從機(jī)架上采取措施。比如選用更加輕便的機(jī)體或者選用重量更輕、功率更大的無刷電機(jī)等等。 DSP最小系設(shè)計DSP最小系統(tǒng)[37]包括供電系統(tǒng)、時鐘與復(fù)位電路、JTAG仿真接口和相應(yīng)的外圍電路。 供電系統(tǒng)設(shè)計供電系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)考慮以下幾方面：核心電壓、電壓穩(wěn)定性和靜態(tài)電流。硬件系統(tǒng)各部分對供電需求各不相同：（@100MHz）供電；數(shù)字羅盤、高度聲納、無線模塊需要5V供電；，陀螺儀需要5V模擬供電；?！?V——。（1）—5V電源芯片選擇。電源芯片的選型主要依據(jù)是各個核心元器件所消耗電流的大小。 控制系統(tǒng)各核心元器件供電統(tǒng)計表器件名電流（mA）電壓（V）個數(shù)合計電流(mA)陀螺儀85315數(shù)字羅盤245124加速度計1無線模塊125112超聲傳感器=305130DSP最小系統(tǒng)約2001200總計由上表可知，系統(tǒng)各核心元器件電流總消耗接近300mA，選型時留有至少50%的裕量。因此選擇體積小，最大輸出電流達(dá)500mA的78M05[38]作為12V轉(zhuǎn)5V的轉(zhuǎn)換芯片。78M05具有熱保護(hù)、短路保護(hù)等功能。另外，在78M05的輸入端并聯(lián)一個瞬態(tài)抑制二極管SMCJ36CA，可以有效抑制電源尖峰。 78M05電路設(shè)計圖（2）5V——系統(tǒng)頻率100MHz時。 F28335供電電壓和供電類型表電源名稱電壓值電源類型電源名稱電壓值電源類型內(nèi)核電源D（數(shù)字）FLASH電源DI/O電源D地線電源0DADC模擬電源A（模擬）ADC模擬地0AADC內(nèi)核電源AADC內(nèi)核地0ATI公司的C2000系列DSP對I/O上電順序沒有要求，但對內(nèi)核上電和I/O上電時間差有嚴(yán)格的要求[39]：理想情況是同時加電，但很難做到。 一般應(yīng)先對外設(shè)加電，然后對內(nèi)核加電，同時要求外設(shè)電壓不超過內(nèi)核電壓2V。這個加電次序主要依賴于芯片內(nèi)部的靜電保護(hù)電路。因此選用TI公司DSP專用供電芯片，考慮到DSP系統(tǒng)功耗很大，因此選用TPS76D318[39]。TPS76D318主要特性有：一路可控輸出，最大輸出電流可達(dá)1A，靜態(tài)超低電流，雙路電源，200ms延時復(fù)位，熱保護(hù)和短路保護(hù)等功能。 TPS76D318電路設(shè)計圖（3）從數(shù)字電上產(chǎn)生模擬電[40]，模擬電路產(chǎn)生的電流和數(shù)字電路相比非常小。因此可以由單個穩(wěn)壓電源給數(shù)字電路和模擬電路供電[40]，但是必須得把模擬輸入和數(shù)字噪聲分開。模擬元器件需要平穩(wěn)的供電輸入，含有干擾的電源會影響模擬器件的正常工作。從數(shù)字供電電路產(chǎn)生模擬供電電路比較簡單，使用0歐姆電阻來過濾電源噪聲。另外，數(shù)字電路的電流也會通過地線對模擬部分產(chǎn)生干擾，因此數(shù)字地和模擬地之間也使用0歐姆電阻單點(diǎn)隔離。 時鐘與復(fù)位電路設(shè)計（1）時鐘電路：DSP系統(tǒng)時鐘可以由外部晶振和內(nèi)部鎖相環(huán)（PLL）共同產(chǎn)生。這種情況下外部晶振接到DSP的X1，X2引腳上。（2）DSP復(fù)位電路的設(shè)計（）主要考慮兩個方面[40]：有效復(fù)位電平和有效復(fù)位脈沖寬度。為使芯片初始化正確，一般保證RS為低電平至少持續(xù)5個CLKOUT周期，即當(dāng)速度為25ns時約為125ns。但是，由于在上電后，系統(tǒng)的晶體振蕩器往往需要幾百毫秒的穩(wěn)定時間，所以，RS為低的時間主要由系統(tǒng)的穩(wěn)定時間確定，一般為100ms200ms。 時鐘電路圖 復(fù)位電路圖 JTAG調(diào)試接口設(shè)計。以及TI的兩個擴(kuò)展接口（EMU0和EMU1）。采用文獻(xiàn)[40]中TI官方建議的電路設(shè)計，圖 JTAG接口設(shè)計圖 信號邏輯電平匹配設(shè)計隨著芯片技術(shù)不斷進(jìn)步，芯片邏輯電平也多種多樣。比如TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS等。因此，能否正確處理邏輯電平的是電路設(shè)計的關(guān)鍵因素之一。尤其在通信系統(tǒng)中，電平匹配問題常常被設(shè)計者忽略，這也往往是造成通信系統(tǒng)可靠性差的一個重要原因。[17] CMOS，引腳均與LVTTL兼容，但是引腳不允許接5V。所有與DSP相連芯片電平邏輯必須與DSP相匹配。 幾種常見的邏輯電平供電（V）工藝VIH（V）VIL（V）VOH（V）VOL（V）5TTLCMOSLVTTLLVCMOS數(shù)字羅盤hmr3300是5V的CMOS電平（輸出VOH4V、VOL）。，所以須經(jīng)過降壓處理才能和DSP通信。采用簡單的電阻分壓，經(jīng)檢驗，可以實現(xiàn)穩(wěn)定通信。數(shù)字羅盤輸入要求VIH，VIL，DSP輸出和數(shù)字羅盤輸入不能完全匹配。理論上需要進(jìn)行升壓處理，但是經(jīng)過實際系統(tǒng)驗證，DSP信號輸出可以直接和數(shù)字羅盤輸入相連而不會引起傳輸不穩(wěn)定問題。所以為了簡化，實際電路中DSP串行輸出和數(shù)字羅盤串行輸入直接相連。無線模塊和超聲傳感器都采用5V TTL的接口電平，所以其VOH、VOL、VIH2V，VIL。實際系統(tǒng)中采用和數(shù)字羅盤一樣的電平處理方式。 電路抗干擾設(shè)計 干擾的分類可以按照產(chǎn)生原因、傳導(dǎo)方式和波形特性將電路干擾形式加以區(qū)分。（1）按照產(chǎn)生原因：可以分為放電噪聲、高頻振蕩噪聲浪涌噪聲等（2）按照傳到方式：可以分為共模噪聲和串模噪聲（3）按照波形：可分為正弦波、脈沖電壓、脈沖序列等如本章前文所述，四旋翼無人直升機(jī)控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)包含多種元器件。，、。四旋翼飛行器有效載荷較小，為了減少重量，電路板尺寸應(yīng)當(dāng)盡量小。但是元器件距離太近，元器件之間便不可避免地產(chǎn)生干擾。 抗干擾措施（1）加旁路電容[40]：F28335是采用先進(jìn)的CMOS工藝制造的，具有低耗高性能的特性。但是CMOS電路在每次跳躍時，會產(chǎn)生大電流，同時在供電電路產(chǎn)生一個電流尖峰。這些因為跳變產(chǎn)生的假信號應(yīng)該在寫入感應(yīng)電路前濾除掉。實際系統(tǒng)的設(shè)計中，在DSP供電系統(tǒng)的不同位置，以濾除電流尖峰。（2）地線抗干擾的措施：，模擬電是由數(shù)字電產(chǎn)生的。事實上，數(shù)字電對模擬電的最大干擾是通過地線產(chǎn)生的；系統(tǒng)中的功率電路（直流電機(jī)驅(qū)動部分）也會通過地線對信號電路產(chǎn)生很大的干擾。硬件布線中，強(qiáng)信號的地線和弱信號的地線分開，對每部分的地線（數(shù)字地、模擬地和功率地）分別覆銅，使用0歐姆電阻單點(diǎn)連接。（3）時鐘電路：晶振可以為DSP提供系統(tǒng)時鐘，但是它同時也是一個強(qiáng)干擾源。晶振的下拉電容放在離引腳比較近的位置[40]可以減少其對其他器件的干擾。（4）將模擬器件（慣性傳感器）與其他數(shù)字元器件分開布局；大電流電路（電機(jī)驅(qū)動）和其他小電流電路分開布局；高頻器件（如時鐘（20MHz））和低頻電路（如無線通信模塊（））分開布局。（5）A/D轉(zhuǎn)換部分抗干擾措施[34]：在模擬電路中加旁路電容可以減少供電噪聲的進(jìn)入；任何沒有使用的ADC的輸入引腳連接到模擬地上，以防ADC模塊從引腳的周圍得到電壓噪聲；確保任何數(shù)字信號引腳都不要連接到模擬地。（6）在電路中， 去藕電容，防止工頻干擾。 PCB布局及注意事項四旋翼無人直升機(jī)的硬件電路板設(shè)計為雙層板，大小為7CM7CM。電路板上有DSP最小系統(tǒng)、各種傳感器、無線通信模塊、電平轉(zhuǎn)換電路和PWM脈寬輸出接口等。 元器件布局元器件的布局遵循以下原則[41]：（1）把相關(guān)元器件盡量靠近。易產(chǎn)生噪聲的元器件和插接件放在電路板邊緣。大電流電路、開關(guān)電路遠(yuǎn)離DSP。陀螺儀ADXRS150的輸出電平范圍是0V到5V，DSP的A/D輸入信號電平為0V到3V，兩者不匹配，需使用運(yùn)算放大器LM324進(jìn)行變壓處理。為了減少噪聲傳入信號電路，系統(tǒng)設(shè)計時將運(yùn)算放大器輸入引腳靠近陀螺儀，輸出引腳靠近DSP的A/D輸入引腳。晶振是系統(tǒng)中易產(chǎn)生噪聲的元器件，系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)放在電路板的邊緣。硬件系統(tǒng)使用的一些插接件，比如電源輸入引腳、JTAG口和PWM輸出接口等也應(yīng)放在電路板的邊緣部分，這樣可以減少插拔器件時損壞電路板的其他部分。電機(jī)驅(qū)動芯片和開關(guān)元器件（比如78M05）也會產(chǎn)生很強(qiáng)的電氣噪聲，這兩種器件會對DSP產(chǎn)生干擾，系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)將電機(jī)驅(qū)動設(shè)計成單獨(dú)的小電路板，開關(guān)元器件放在板子邊緣。（2）在關(guān)鍵元器件如DSP、傳感器旁邊加去耦電容。（3）數(shù)電、模電分開布局為了減少數(shù)字電路對模擬電路的干擾，將模擬元器件部分與數(shù)字器件分開布局。（4）整齊美觀根據(jù)以上原則， 元器件布局圖 PCB布線布線基本原則[34]（1）連線盡量短：一個很好的抗干擾措施是減少PCB布線長度，從而減少干擾進(jìn)入線路的機(jī)會。如加速度計MMA7260Q的輸出信號是模擬量，非常容易受到干擾。在布線時，將加速度計與DSP的A/D引腳之間連線盡量走最短路線，增加可靠性。（2）連線不能從芯片引腳中間過，以防短路：當(dāng)前的芯片技術(shù)使得芯片的體積越來越小，芯片引腳也越來越密。比如專門為DSP供電的TPS767D318采用的封裝是TSSOP28。所以，為了防止短路，連線不能穿過芯片引腳中間。（3）輸入輸出盡量避免平行：系統(tǒng)傳感器有很多采用雙線通信的方式，比如超聲傳感器、數(shù)字羅盤和無線模塊等等，為了防止發(fā)生反饋耦合，輸入輸出線路避免平行。（4）電源和地盡量靠近；減少串?dāng)_增加安全距離；導(dǎo)線寬度不要突變；導(dǎo)線不要突然拐角。為了增加穩(wěn)定性、減少干擾，應(yīng)當(dāng)加大布線的安全距離。例如，Protel99se默認(rèn)的安全距離是10mil，為了減少噪聲通過地線對芯片產(chǎn)生干擾，可以將覆銅的默認(rèn)安全距離改成30mil