【文章內容簡介】 第 8 頁 西華大學畢業(yè)設計說明書 4 單元模塊設計 各單元模塊功能介紹及電路設計 飛行控制系統(tǒng)的硬件結構遵從于方案二的結構框圖 ， 即圖 。以下就重要的單元模塊做介紹 。 電源 LM1117 為 低壓差電壓調節(jié)器。其壓差輸出為 時，負載電流為 800mA。它與國家半導體的工 業(yè)標準器件 LM317 有相同的管腳排列。 LM1117 有可調電壓的版本，通過2 個外部電阻可實現(xiàn) ～ 輸出電壓范圍。另外還有 5 個固定電壓輸出（ 、 、 和 5V）的型號。因為設計的飛行器的主控芯片是 。所以選取固定輸出為 的 LM1117。 LM1117 提供電流限制和熱保護。輸出電壓的精度在 177。1%以內。 LM1117 系列具有 LLP、 TO26 SOT22 TO220 和 TO25 DPAK 等多種封裝。飛行器為了提高續(xù)航能力，要盡量減輕自身重量，所以這里選 取的是 SOT223封裝。在電路設計的 輸出端需要并聯(lián)一個至少 10uF 的鉭電容來改善瞬態(tài)響應和穩(wěn)定性。LM1117 電氣特性如表 所示 。 表 電氣特性表 LM1117 符號 參數(shù) 測試條件 最小值 典型值 最大值 單位 VREF 基準 電壓 LM1117ADJ IOUT=10mA, VINVOUT=2V, TJ=25?C 10mA≤ IOUT≤ 800mA, ≤ VINVOUT≤ 10V V V VOUT 輸 出 電 壓 IOUT=10mA, VIN=, TJ=25?C 0≤ IOUT≤ 800mA, ≤ VIN≤ 10V V V IOUT=10mA, VIN=, TJ=25?C 0≤ IOUT≤ 800mA, ≤ VIN≤ 10V V V IOUT=10mA, VIN=, TJ=25?C 0≤ IOUT≤ 800mA, ≤ VIN≤ 10V 0≤ IOUT≤ 500mA, VIN= V V V 第 9 頁 西華大學畢業(yè)設計說明書 IOUT=10mA, VIN=5V TJ=25?C 0≤ IOUT≤ 800mA, ≤ VIN≤ 10V V V ?VOUT 壓差 IOUT=0mA, ≤ VIN≤ 15V 1 6 mV 電源模塊的原理圖如圖 所示。 圖里的 5V 電源來源于電子調速器的 BEC 降壓系統(tǒng)。 圖 電源模塊電路圖 STM32F407 最小系統(tǒng) STM32F407VET6 是意法半導體基于 CORTEXM4 內核的芯片， STM32F407 擁有的資源包括：集成 FPU 和 DSP 指令，并具有 192KBSRAM、 1024KB FLASH、 12 個 16位定時器、 2 個 32 位定時器、 2 個 DMA 控制器（共 16 個通道）、 3 個 SPI、 2 個全雙工I2S、 3 個 IIC、 6 個串口、 2 個 USB（支持 HOST /SLAVE）、 2 個 CAN、 3 個 12 位 ADC、2 個 12 位 DAC、 1 個 RTC（帶日歷功能）、 1 個 SDIO 接口、 1 個 FSMC 接口、 1 個 10/100M以太網(wǎng) MAC 控制器、 1 個攝像頭接口、 1 個硬件隨機數(shù)生成器、以及 112 個通用 IO 口等。該芯片的配置十分強悍， 具有卓越的性能。 相對 STM32F1 來說， 許多 功能進行了重大改進 。 STM32 最小系統(tǒng)電路圖如圖 所示。 第 10 頁 西華大學畢業(yè)設計說明書 圖 STM32 最小系統(tǒng)電路圖 STM32 上電復位后默認使用內部晶振（精度 8MHz 左右），為了讓飛行控制板穩(wěn)定工作，這里選擇了外接 8MHz 的晶振，在程序里切換為使用外部 8MHz 晶振，并通過芯片自帶的鎖相環(huán) PLL 倍頻到 168MHz。所以需要修改系統(tǒng)時鐘配置 文件，把 PLL 第一級分頻系數(shù) M 修改為 8，這樣才能讓主時鐘頻率達到 168MHz。 在 STM32F40xx 里，可以通過 BOOT[1:0]引腳選擇三種不同啟動模式。 一般我們選用 從主閃存存儲器啟動。 啟動模式如表 所示。 表 啟動模式 STM32 啟動模式 選擇引腳 啟動模式 說明 BOOT1 BOOT0 X 0 主閃存存儲器 主閃存存儲器被選為啟動區(qū)域 0 1 系統(tǒng)存儲器 系統(tǒng)存儲器被選為啟動區(qū)域 1 1 內置 SRAM 內置 SRAM 被選為啟動區(qū)域 根據(jù)選定的啟動模式，主閃存存儲器、系統(tǒng)存儲器或 SRAM 可以按照以下方式訪問： 第 11 頁 西華大學畢業(yè)設計說明書 ● 從主閃存存儲器啟動：主閃存存儲器被映射到啟動空間 (0x0000 0000)，但仍然能夠在它原有的地址 (0x0800 0000)訪問它，即閃存存儲器的內容可以在兩個地址區(qū)域訪問， 0x00000000 或 0x0800 0000。 ● 從系統(tǒng)存儲器啟動：系統(tǒng)存儲器被映射到啟動空間 (0x0000 0000)，但仍然能夠在它原有的地址 (互聯(lián)型產(chǎn)品原有地址為 0x1FFF B000，其它產(chǎn)品原有地址為 0x1FFF F000)訪問它。 ● 從內置 SRAM 啟動：只能在 0x2021 0000 開始的地址區(qū)訪問 SRAM。 注意：當從內置 SRAM 啟動，在應用程序的初始化代碼中，必須使用 NVIC 的異常表和偏移寄存器，從新映射向量表之 SRAM 中。 下載電路 如果采用用串口燒錄程序 ， 必須先配置 BOOT0 為 1， BOOT1 為 0，然后按復位鍵，最后再通過程序下載代碼，下載完以后將 BOOT0 置 GND，復位后運行代碼。這里采用了 jlink（ SWD）下載方式， 需要接： jlink 的第 1 腳（ VDD）、第 7 腳（ TMS/SWDIO對應 STM32 的 PA13）、第 9 腳（ TCK/SWCLK 對應 STM32 的 PA14 ）、第（地腳）、 第 15腳（ RESET對應 STM32 的 NRST） 。SW 模式下載電路如圖 所示。 圖 SW 模式下載電路圖 飛控 姿態(tài) 模塊 性能良好的飛控傳感器是飛行器穩(wěn)定飛行 重要保證， GY86 模塊上集成了陀螺儀、加速度計、磁力計和氣壓計，很適合飛行器上使用。 GY86 模塊 與飛 行 控 制 系統(tǒng)連接電路圖如圖 所示。 圖 GY86 模塊連接電路 圖 第 12 頁 西華大學畢業(yè)設計說明書 無刷電機連接電路 無刷電機依靠 PWM 波來驅動， PWM 波通過電子調速器輸送到無刷電機，電子調速器有 3 個接口， VCC， GND 和 Mx。 在電路板上需要給出連接口。如圖 所示。 圖 無刷電機接口電路圖 串口接口 電路 如圖 所示，將單片機上的串口一一引出，主要作用是連接無線數(shù)傳模塊，用于收發(fā)上位機命 令。其余串口接口可用來外擴模塊，如超聲波模塊和 GPS。 圖 串口接口電路圖 特殊器件的介紹 無線數(shù)傳模塊 CC1101 無線數(shù)傳模塊， 體積小巧，尺寸僅為 *，操作簡單，工作頻段為433MHZ，穿透能力強，可直接和 5 AVR、 STM STM3 MSP4 PIC 等單片機的串口相連接 。 實物圖如圖 所示。 圖 無線數(shù)傳模塊圖 第 13 頁 西華大學畢業(yè)設計說明書 CC1101 無線數(shù)傳模塊和 STM32 單片機串口連接后 ，串口 就可以實現(xiàn)遠距離無線 收發(fā)數(shù)據(jù)，這樣的好處就是 減少了調試難度，因為如 果不使用無線數(shù)傳模塊的話，就 只有另購 NRF24L01 通信模塊，這會增添代碼量，加大調試難度。 飛控姿態(tài)模塊 選擇 GY86 模塊的原因是其集成度很高，實物圖如圖 所示。 圖 GY86 模塊實物圖 模塊上的 MPU6050 是 InvenSense 公司推出的全球首款整合性 6 軸運動處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時之軸間差的問題，減少了安裝空間。 MPU6050 內部整合了 3 軸陀螺儀和 3 軸加速度傳感器，并且含有一個第二 IIC 接口，可用于連接外部傳感器，并 利用數(shù)字運動處理器（ DMP: Digital Motion Processor）硬件加速引擎，通過主 IIC 接口，向應用端輸出完整的 9 軸融合演算數(shù)據(jù)。 有了 DMP，我們可以使用 InvenSense 公司提供的運動處理資料庫，實現(xiàn)姿態(tài)解算，降低了運動處理運算對操作系統(tǒng)的負荷，同時大大降低了開發(fā)難度。 MPU6050 芯片實物圖如圖 所示。 圖 MPU6050 芯片實物圖 MPU6050 的特點包括： ① 以數(shù)字形式輸出 6 軸或 9 軸（需外接磁傳感器）的旋轉矩陣、四元數(shù) (quaternion)、歐拉角格式 (Euler Angle forma)的融合演算數(shù)據(jù)（需 DMP 支持）。 第 14 頁 西華大學畢業(yè)設計說明書 ② 具有 131 LSBs/176。 /sec 敏感度與全格感測范圍為177。 250、177。 500、177。 1000 與177。 2021176。 /sec的 3 軸角速度感測器 (陀螺儀 )。 ③ 集成可程序控制，范圍為177。 2g、177。 4g、177。 8g 和177。 16g 的 3 軸加速度傳感器。 ④ 移除加速器與陀螺儀軸間敏感度，降低設定給予的影響與感測器的飄移。 ⑤ 自帶數(shù)字運動處理 (DMP: Digital Motion Processing)引擎可減少 MCU 復雜的融合演算數(shù)據(jù)、感測器同步化、姿勢感應等的負荷。 ⑥ 內建運作時間偏 差與磁力感測器校正演算技術，免除了客戶須另外進行校正的需求。 ⑦ 自帶一個數(shù)字溫度傳感器。 ⑧ 帶數(shù)字輸入同步引腳 (Sync pin)支持視頻電子影相穩(wěn)定技術與 GPS。 ⑨ 可程序控制的中斷 (interrupt)，支持姿勢識別、搖攝、畫面放大縮小、滾動、快速下降中斷、 highG 中斷、零動作感應、觸擊感應、搖動感應功能。 ⑩ VDD 供電電壓為 177。 5%、 177。 5%、 177。 5%； VLOGIC 可低至 177。 5%。 ? 陀螺儀工作電流： 5mA，陀螺儀待機電流： 5uA；加速器工作電流： 500uA，加速 器省電模式電流： 40uA@10Hz。 ? 自帶 1024 字節(jié) FIFO，有助于降低系統(tǒng)功耗。 ? 高達 400Khz 的 IIC 通信接口。 ? 超小封裝尺寸： （ QFN）。 MPU6050 芯片工作電路圖如圖 所示。 圖 MPU6050 芯片工作電路圖 MPU6050 主要用于采集飛行器飛行時 X,Y,Z 三個軸上的加速度和偏轉角速度。具體的講， 陀螺儀 的測量物理量是偏轉、傾斜時的轉動角速度和坐標軸上的線加速度。 第 15 頁 西華大學畢業(yè)設計說明書 MPU6050 內部通過 MEMS 工藝做出了一個參考坐標系 ,當芯片隨著飛行器動作時，芯片的坐標相對參考坐標