从晶元到人工智能

          第二节 控制模块

 

 

        在本节中，我们来完成控制模块的电路设计。首先我们需要对控制模块做一下简单的功能分析，也就是说我们先要了解控制模块都具有哪些功能，然后再逐步的完成这些功能。

• 控制系统处理器和其周边电路功能
• 电源模块插槽
• NanoPi插槽
• 其它接口（距离模块、GPIO等）

        实际上我们所做的控制模块除了本身的功能之外，还需要将电源模块和NanoPi两个电路板插在其上方组合在一起，所以我们的控制电路板的整体结构如下：

        也就是说，控制模块是一个底板，上面带有几组插槽，电源模块和NanoPi通过引脚插入到底板当中完成组装。

        此外，控制模块还需要接入超声波模块用于测量前方障碍物到国体的距离，以及一些预留的GPIO引脚。

        现在我们来完成控制模块的电路设计，首先是芯片的选型，我们本来可以选用STM32F103RCT6作为控制模块的处理芯片，并在其上完成嵌入式程序的开发，但就目前情况来看此芯片价格高居不下，于是我们选用了STM32F407VET6，也就是说使用了Cortex-M4系列芯片来作为我们的处理芯片。

一、原理设计

        第一步，为STM32F407VET6加入到我们的电路原理图当中：

        第二步，在12和13脚上加入外部晶振电路，其中晶振频率为8MHz，两个电容均为22pF：

        第三步，为14脚加入复位电路，并将94脚BOOT0和37脚BOOT1通过下拉电阻接地：

        第四步，为VBAT、VDD、VSS、VDDA、VERF接入电源并接入电容：

        第五步，为72脚和76脚加入SWD固件烧写接口，即1.27mm间距孔（使用其它间距也可以，例如2.54mm间距）：

        第六步，为VCAP加入电容：

        这样我们的STM32F407VET6的基础电路就完成，之后我们需要在相应的GPIO上加入我们定制的功能。

        功能一：加入AD采集功能，我们使用PA0、PA1、PC2、PC3进行电压采集，分别是ADC1_CH0、ADC1_CH1、ADC1_CH12、ADC1_CH13，其中ADC1_CH0为我们的电源电压采集功能，其它通道为预留功能：

        功能二：电机驱动信号PWM输出，我们使用TIM4的4个PWM输出脚PD12、PD13、PD14、PD15以及TIM3的4个PWM输出脚PC6、PC7、PC8、PC9，其中TIM3的4路PWM输出为预留功能：

        功能三：使用HCSR04超声波测距功能，接入PD9和PD8，由于HCSR04的ECHO脚输出是5V，所以我们使用10K和20K分压电阻将其转为3.33V：

        功能四：我们参考MPU6050电子陀螺仪的外围电路，将其加入到设计图当中，并将PA6和PA7接入到其中，也就是I2C1接口，其中PB6和PB7都加了10K的上拉电阻：

        功能四：我们使用PE0和PE1两个引脚来作为系统的信号指示灯：

        功能五：加入与电源模块的接口，此接口我们在前一节中已经完成，对应的连接到控制模块中。接口中输入5V电源，我们需要通过AMS1117电源芯片将其转为3.3V，同时加入一个LED电源指标灯，当电源工作正常时LED灯亮起：

        功能六：加入NanoPi接口并将其USB接口引出，NanoPi与我们控制模块中有几个部分需要连接：

电源接口5V供电。

使用串口与STM32连接。

引出USB插槽到控制模块。

        我们参考NanoPi Duo2的GPIO定义其接口如下：

 

 

Pin#	GPIO1	Name	Linux gpio		Pin#	GPIO2	Name	Linux gpio
1	5V	VDD_5V			2	RXD	DEBUG_RX(UART_RXD0)/GPIOA5/PWM0	5
3	5V	VDD_5V			4	TXD	DEBUG_TX(UART_TXD0)/GPIOA4	4
5	3V3	SYS_3.3V			6	GND	GND
7	GND	GND			8	SCL	I2C0_SCL/GPIOA11	11
9	IRRX	GPIOL11/IR-RX	363		10	SDA	I2C0_SDA/GPIOA12	12
11	PG11	GPIOG11	203		12	CS	UART3_TX/SPI1_CS/GPIOA13	13
13	DM3	USB-DM3			14	CLK	UART3_RX/SPI1_CLK/GPIOA14	14
15	DP3	USB-DP3			16	MISO	UART3_CTS/SPI1_MISO/GPIOA16	16
17	DM2	USB-DM2			18	MOSI	UART3_RTS/SPI1_MOSI/GPIOA15	15
19	DP2	USB-DP2			20	RX1	UART1_RX/GPIOG7	199
21	RD-	EPHY-RXN			22	TX1	UART1_TX/GPIOG6	198
23	RD+	EPHY-RXP			24	CVBS	CVBS
25	TD-	EPHY-TXN			26	LL	LINEOUT_L
27	TD+	EPHY-TXP			28	LR	LINEOUT_R
29	LNK	EPHY-LED-LINK			30	MP	MIC_P
31	SPD	EPHY-LED-SPD			32	MN	MIC_N

 

        我们根据NanoPi Duo2的GPIO接口来完成相应的功能：

        其中，U4为USB插座，用于插入USB摄像头；P3为NanoPi-Duo2自身的Debug接口；NanoPi的UART1和STM32的UART1相连，用于数据通信，注意Tx和Rx需要反相接入。

        功能七：使用串口2作为STM32的Debug接口：

        最后：引出预留的5V电源和3V电源以及一些GPIO脚：

        这样，我们就基本上完成了控制模块的电路设计，整体设计原理图如下：

        可以看到我们的STM32F407VET6和NanoPi-Duo2剩余了很多GPIO引脚没有被使用，包括I2C、SPI、UART、GPIO等功能，读者可以根据自己的需要加入相应的功能。我们接下来对控制模块的电路进行布局和布线。

二、布局布线

        首先我们需要将元器件摆放在相应的位置上，同样的原则，将同一模块的中的元器件摆放在一起，如下图将ASM1117和其相关的元器件摆放在一起：

        之后，我们将Cortex-M4处理器，也就是我们选用的STM32F407VET6的电源电容与其摆放在一起，电容尽量靠近芯片的电源引脚：

        之后，将8MHz晶振和其振荡电路的电容C5和C8摆放在一起：

        将L2和R4以及L3和R8摆放在一起，其中L2和L3是两个LED灯：

        一些排针插座：

        MPU6050电子陀螺仪和其相关的外围电路：

        最后，NanoPi Duo2的插座和USB插座：

        至此，我们的布局工作就完成了，来看一下整体布局：

        接下来，对所有网线进行布线：

        最后，对PCB顶层和底层进行覆铜，完成GND网络的连接：

        最终效果：

        这样，我们就完成控制电路板PCB的设计工作，之后我们需要将设计图提交到工厂进行生产。