【正文】 飛行器外形設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，直接用 Altium Designer 09 軟件 無法達(dá)到 效果 ，要求飛行器外形 的四個(gè)電機(jī) 位置必須是關(guān) 于中心對(duì)稱 ，以免不對(duì)稱導(dǎo)致平衡 更加的 難 以 控制， 再考慮到這些因素之后， 設(shè)計(jì)采用 CAD專業(yè) 繪圖軟件繪制飛行器外 形 ，最終把繪制好的外框?qū)氲?Altium Designer 09 軟件里面 PCB 設(shè)計(jì)的 keepoutplayer層作為外形切割， 如圖 31 315分別為遙控器和飛行器的 PCB圖。 PCB 外形 設(shè)計(jì) 經(jīng)過兩周的時(shí)間準(zhǔn)備硬件電路 模塊選擇 以及 PCB的設(shè)計(jì)，按照 最初的構(gòu)思 ，根據(jù)硬件設(shè)計(jì)框圖，最終 設(shè)計(jì)好遙控器和飛行器的 PCB電路版，本次設(shè)計(jì)將 采用制作 出 的電路版 作為 外 型尺寸不做外包裝。 （ 4） 常用到的元器件是否方便使用。 （ 3） 各個(gè)層面有無沖突。 3． 布局檢查 （ 1） 電路板尺寸和圖紙要求加工尺寸是否相符合。 （ 2） 放置特殊元器件，如大 的元器件、重的元器件、發(fā)熱元器件、變壓器、IC 等。而是要兼顧整體的美觀，兩者都比較完美的扳子，才能成為成功的產(chǎn)品。元器件的布局到均衡，疏密有度，不能頭重腳輕。熱敏元器件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元器件。 （ 3） 重量超過 15G的 元器件 ，可用支架加以固定，然后焊接。 （ 2） 一些元器件或?qū)Ь€有可能有較高的電位差，應(yīng)加大他們的距離，以免放電引起意外短路。特殊元器件的位置在布局時(shí)一般要遵守以下原則： （ 1） 盡可能縮短高頻元器件之間的連接，設(shè)法減少他們的分布參數(shù)及和相互間的電磁干擾。在確定 PCB的尺寸后， 再 確定特殊元件的擺 放位置。 在設(shè)計(jì)中如何放置特殊元器件時(shí)首先考慮 PCB 尺寸大小。 PCB 設(shè)計(jì)步驟 1． 布局設(shè)計(jì) 在 PCB中，特殊的元器件是指高頻部分的關(guān)鍵元器件、電路中的核心元器件、易受干擾的元器件、帶高壓的元器件、發(fā)熱量大的元器件，以及一些異性元器件，這些特殊元器件的位置需要仔細(xì)分析，做帶布局合乎電路功能的 要求及生產(chǎn)的需求。 （ 3） 在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。 （ 2） 以每個(gè)功能單元的核心元器件為中心，圍繞他來進(jìn)行布局。 電路板面尺大于 200MM 乘 150MM 時(shí)，應(yīng)考慮電路板所能承受的機(jī)械強(qiáng)度。 （ 3） 電路板上不同組件相臨焊盤圖形之間的最小間距應(yīng)在 1MM以上。 1． PCB布局規(guī)則 （ 1） 在通常情況下，所有的元件均應(yīng)布置在電路板的同一面上，只有頂層元件過密時(shí)，才能將一些高度有限并且發(fā)熱量小的器件，如貼片電阻、貼片電容、貼片 IC 等放在底層。 PCB 設(shè)計(jì)技巧規(guī)則 對(duì)于 IC、非定位接插件等大器件，可以選用 50~100mil 的格點(diǎn)精度進(jìn)行布局，而對(duì)于電阻電容和電感等無源小器件，可采用 25mil 的格點(diǎn)進(jìn)行布局。 PCB設(shè)計(jì) 硬件電路原理圖設(shè)計(jì)完畢之后，接下來就是 PCB的設(shè)計(jì)。當(dāng)使用 ， CH340芯片的 V3引腳應(yīng)該 與 VCC引腳相連接，同時(shí)輸入外部的 ，并且與 CH340芯片相連接的其它電路的工作電壓不能超過 。 （ 2） CH340芯片支持 5V電源電壓或者 。一般情況下，時(shí)鐘信號(hào)由 CH340內(nèi)置的反相器通過晶體穩(wěn)頻振蕩產(chǎn)生。 22C 2222C 2310 uFC 211 0 4C 20GND1T X D2RX D3V 34D +5D 6XI7XO8CT S 9D SR 10RI 11D CD 12D T R 13RT S 14R 2 3 215V C C16U 7CH 3 4 0 GGNDGNDGNDCH 3 4 0 _ D +RX DV C C _ 3 . 3 VCH 3 4 0 _ D T X D132X 212 MH z 圖 313 CH340G電路原理圖 CH340G硬件電路圖如圖 313所示。 ● 支持 5V電源電壓和 。 ● 支持 IrDA規(guī)范 SIR紅外線通訊，支持波特率 2400bps 到 115200bps。 ● 支持常用的 MODEM聯(lián)絡(luò)信號(hào) RTS、 DTR、 DCD、 RI、 DSR、 CTS。 吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 ● 計(jì)算機(jī)端 Windows 操作系統(tǒng)下的串口應(yīng)用程序完全兼容，無需修改。本次設(shè)計(jì)選用的串口轉(zhuǎn) USB芯片是 CH340G芯片， CH340G具有以下特點(diǎn)： ● 全速 USB設(shè)備接口，兼容 USB ，外圍元器件只需要晶體和電容。100nA 結(jié)溫： 55℃ 150℃ 直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用 此 MOS 管， 其特性曲線如圖 312 所示，由圖可知，它的開啟電壓為 1V， 當(dāng) Vgs=2V 時(shí)其最大的工作電流可以達(dá)到 4A， 完全能達(dá)到本次 設(shè)計(jì)要求； D2 反向二極管防止電機(jī)斷電之后繼續(xù)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電流擊穿 MOS管，起著保護(hù) MOS管的作用； R12為單片機(jī) I/O口的限流電阻； R14為下拉電阻，防止單片機(jī)上電之后 I/O口為高電平時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。 其電路原理圖如圖 311 所示。本次所采用的電機(jī)是空心杯 820直流有刷電機(jī)，電機(jī)采用 ，驅(qū)動(dòng)思路是這樣的，電機(jī)的一端接電源正級(jí)，負(fù)極端接 MOS 管， MOS 管通過飛行器 MCU 的 PWM 來控制它的開啟與關(guān)閉從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 首先主機(jī)也就是飛控端 MCU 是時(shí)鐘線保持高電平，數(shù)據(jù)線被拉低，產(chǎn)生一個(gè)起始信號(hào)，緊接著主機(jī)（ MCU）向從機(jī)（ MPU6050）發(fā)送寫設(shè)備地址信號(hào)，這時(shí)的設(shè)備地址就是 MPU6050 的器件地址 b11010000，最后 一 位是 0表示發(fā)送的是寫的地址；從機(jī)收到設(shè)備地址之后返回個(gè) ACK，然后主機(jī)再向從機(jī)發(fā)送設(shè)備子地址，也就是寄存器地址，從機(jī)再返回ACK，接下來當(dāng)時(shí)鐘線保持高電平數(shù)據(jù)線 被拉低時(shí)再次發(fā)送信號(hào)，這時(shí)發(fā)送的是讀取設(shè)備的地址 b11010001，最后位為 1是讀取；等到從機(jī)返回 ACK之后主機(jī)開始讀取到數(shù)據(jù)， MCU讀取到數(shù)據(jù)之后，單次通信完成，等待進(jìn)入下一次通信。 在 MPU6050工作的時(shí)候，通過邏輯分析儀采集到 I2C通信時(shí)的時(shí)序圖，如圖39 所示。 表 32 I2C總線術(shù)語定義 術(shù)語 描述 發(fā)送器 發(fā)送數(shù)據(jù)到總線的器件 接收器 從總線接收數(shù)據(jù)的器件 主機(jī) 初始化發(fā)送，產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)和終止發(fā)送的器件 從機(jī) 被主機(jī)尋址的器件 多主機(jī) 同時(shí)有多于一個(gè)主機(jī)嘗試控制總線，但不被破壞報(bào)文 仲裁 是一個(gè)在有多個(gè)主機(jī)同時(shí)嘗試控制總線但只允許其中一個(gè)控制總線并使 報(bào)文不被破壞的過程 同步 兩個(gè)或多個(gè)器件同步時(shí)鐘信號(hào)的過程 圖 38 起始和停止信號(hào) 在 I2C 總線中唯一出現(xiàn)的是被定義為起始 S和停止 P條件見圖 38的情況，其中一種情況是在 SCL 線是高電平時(shí) SDA 線從高電平向低電平切換這個(gè)情況表示起始條件，當(dāng) SCL 是高電平時(shí) SDA 線由低電平向高電平切換表示停止條件， 起始和停止條件一般由主機(jī)產(chǎn)生總線在起始條件后被 認(rèn)為處于忙的狀態(tài)，在停止條件的某段時(shí)間后，總線被認(rèn)為再次處于空閑狀態(tài)。 除了發(fā)送器和接收器外 ， 器件在執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)也可以被看作是主機(jī)或從機(jī) （ 見表 32）， 主機(jī)是初始化總線的數(shù)據(jù)傳輸并產(chǎn)生允許傳輸?shù)臅r(shí)鐘信號(hào) 的器件。 吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 I2C總線支持任何 IC 生產(chǎn)過程 （ NMOS和 CMOS 雙極性 ） ， 兩條線 串行數(shù)據(jù)（ SDA ） 和串行時(shí)鐘 （ SCL） 線在連接到總線的器件間傳遞信息 。其他的特征包含內(nèi)建的溫度感測器、包含在運(yùn)作環(huán)境中僅有 177。 5%。5%或 177。 MPU6000 可在不同電壓下工作， VDD 供電電壓介為 177。16g。4g177。/sec (dps)，可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動(dòng)作，并且，用戶可程式控制的加速器全格感測范圍為 177。1000與 177。250、 177。 MPU6050主要接口是兩個(gè)引腳，一個(gè)是 I2C數(shù)據(jù)線 SDA引腳，一個(gè)是 I2C時(shí)鐘線 SCL引腳。 慣性測量單元的電路如圖 37所示。MPU6050 是集三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀與一起的姿態(tài)傳感器， MPU6050 跟MCU直接采用 400Hz的 I2C 協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。 圖 36 SPI通信協(xié)議時(shí)序圖 吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 慣性測量單元電路設(shè)計(jì) 飛行器硬件電路設(shè)計(jì)中，最重要的地方 就要屬于慣性測量單元 MPU6050的硬件電路設(shè)計(jì)。 SPI主模塊和與之通信的外設(shè)音時(shí)鐘相位和極性應(yīng)該一致。時(shí)鐘相位（ CPHA）能夠配置用于選擇兩種不同的傳輸協(xié)議之一進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 SPI模塊為了和外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，根據(jù)外設(shè)工作要求，其輸出串行同步時(shí)鐘極性和相位可以進(jìn)行配置，時(shí)鐘極性（ CPOL）對(duì)傳輸協(xié)議沒有重大的影響。 SPI 接口由 MOSI（串行數(shù)據(jù)輸入）， MISO（串行 數(shù)據(jù)輸出）， SCK（串行移位時(shí)鐘）， CS（從使能信號(hào)）四種信號(hào)構(gòu)成， CS 決定了唯一的與主設(shè)備通信的從設(shè)備，如沒有 CS 信號(hào)，則只能存在一個(gè)從設(shè)備，主設(shè)備通過產(chǎn)生移位時(shí)鐘來發(fā)起通訊。 CE1CSN2SCK3M O SI4MIS O5IRQ6VDD7VSS8XC29XC110VDD _ PA11ANT 112ANT 213V SS14VDD15IRFF16VSS17VDD18DVDD19VSS20U 110 nFC 21 nFC 31 0 0 pFC 122 pFC 822 pFC 92 . 2 pFC 64 . 7 pFC 71 . 5 pFC 4GND GNDV C CGNDV CCGND1 216 MY 1GND10 uHL 310 uHL 210 uHL 1GND1 . 0 pFC 5GNDGNDA N T E N N A22 KR 1GND1 MR 2CECSNSCKM O SIMIS OIR QV CC _ 3 . 3 V V CC圖 35 NRF24L01 無線通信模塊電路圖 無線網(wǎng)絡(luò)頻段屬于 ISM 頻段，它是全球范圍內(nèi)被廣泛使用的超低輻射綠色環(huán)保頻段；具有 125 個(gè)通訊信道，因?yàn)? 無線網(wǎng)絡(luò)通訊更通暢，多個(gè)通訊指令間不會(huì)相互干擾； 無線網(wǎng)格帶寬傳速率最高可以達(dá)到 108Mbps，因此它的傳輸速度很快；它的傳輸距離相對(duì)較遠(yuǎn)（空曠地帶： 200m 有效傳輸距離），且不受傳輸方的影響，支持雙向通訊。 NRF24L01具有以下特性： ●真正的 GFSK單收發(fā)芯片 ● 內(nèi)置鏈路層 ● 增強(qiáng)型 ShockBurstTM ● 自動(dòng)應(yīng)答及自動(dòng)重發(fā)功能 ● 地址及 CRC檢驗(yàn)功能 ● 數(shù)據(jù)傳輸率 1或 2Mbps ● SPI接口 數(shù)據(jù)速率 0~8Mbps ● 125個(gè)可選工作頻道 ● 很短的頻道切換時(shí)間可用于跳頻 ● 與 nRF 24XX系列完全兼容 吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 ● 可接受 5V電平的輸入 ● 20腳 QFN 44mm封裝 ● 極低的晶振要求 60ppm ● 低成本電感和雙面 PCB板 ● 工作電壓 ~ NRF24L01無線通信模塊的通信距離在不接天線時(shí)能達(dá)到 30M左右，跟 MCU之間采用 1MHz的 SPI通信協(xié)議進(jìn)行傳輸， 模塊與模塊之間采用 段通信， 其電路原理圖如圖 35所示。 比如串口的 RXD和 TXD引腳可以通過軟件寄存器配置隨意更換引腳 而不是固定不變的； 硬件 SPI 引 腳也可以通過開關(guān)矩陣來配置，這大大減輕了硬件電路設(shè)計(jì)的難度和開發(fā)時(shí)間。 PIO0_2 PIO0_23兩個(gè)引腳分別的硬件 I2C的時(shí)鐘 SCL引腳和數(shù)據(jù)線 SDA引腳。 NXP LPC1549處理器一共有 48個(gè)引腳，包括電源引腳有 12個(gè)，外部晶振引腳 2 個(gè)， 外部 RTC 時(shí)鐘引腳 2 個(gè)， USB 引腳 2 個(gè)， 30 個(gè) I/O 口引腳。因此， NXP LPC1549 是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理想選擇。程序調(diào)試跟下載通過 JLINK仿真器 SWD模式來進(jìn)行。 主控單元電路設(shè)計(jì) MCU 是系統(tǒng)的核心，從成本和性能以及掌握 32 位 ARM 芯片的熟練情況等各方面綜合考慮，本設(shè)計(jì)遙控器和飛行器均采用 NXP LPC1549 作為主控芯片，NXP LPC1549是恩智浦公司推出的低功耗、高集成、高性價(jià)比的 MCU芯片。 在本設(shè)計(jì)過程中，還把電源分為模擬和數(shù)字兩部分，分別通過磁珠來進(jìn)行隔離，周圍的小電容同時(shí)也起著濾波的作用。 本次設(shè)計(jì)所選用的空心杯直流有刷電機(jī)在工作 的時(shí)候，對(duì)電壓的影響非常大，所以要在保證能給電機(jī)供電的情況下還能有 ， 因此 本 次 設(shè)計(jì)采用 CAT6219作為 ，采用 CAT6219穩(wěn)壓芯片 是 因?yàn)樗哂幸韵聨讉€(gè)優(yōu)點(diǎn)： ? 很低的電壓差，能確保 ； ? 低噪聲低功耗設(shè)計(jì)； ? 電路極為簡單； ? 精度高紋波??； ? 低成本低噪聲。在本次