Crazepony硬件原理讲解
作者：CamelGo，nieyong
原理图设计
Crazepony硬件组成：
- 主控：STM32F103T8U6
- 姿态传感器：MPU6050（3轴加速度+3轴角速度）
- 电子罗盘：HMC5883L（未焊接）
- 无线通信协议：NRF24L01+与蓝牙BLE透传模块HM-11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Mirco USB接口
- 电机：空心杯（Coreless）高速有刷电机，3W转/分钟
- 桨叶：75mm黑色正反桨
- 电池：650mAh，25C航模动力电池
下面是Crazepony的硬件框图。
有几点说明：
- 气压计MS5611和电子罗盘HMC5883L是连接在姿态传感器MPU6050的从I2C接口上
- USB串口芯片CP2102和蓝牙串口透传模块是连接在STM32的同一个串口上。串口原则上是一对一的，这种连接方式原则上是不正确的。
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：
STM32的最小系统包括复位电路，外部时钟电路，启动模式选择电路，电源退偶电路等
复位
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，对应芯片上的NRST引脚。在最新的Crazepony上，去掉了复位按钮，只能够通过开关上断电进行复位。STM32的复位引脚NRST接到了USB串口芯片CP2102上，作用和原理在其中模式部分会详细介绍。
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。
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。
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。
启动模式选择电路
该部分内容到USB串口部分讲解。
系统电源
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
锂电池充电管理
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。
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。
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。
USB串口模块
使用USB串口芯片CP2102实现，使用该USB接口实现4个功能：固件下载，充电，串口调试信息，上位机通信。
这里重点介绍通过USB接口进行固件下载，这涉及到STM32的三种启动模式，可以下面的表格给出：
- BOOT0=0，从用户闪存启动，就是指从用户烧入STM32的Flash的固件启动。
- BOOT0=1，BOOT1=0，从系统存储器启动。系统存储器是指STM32出厂时就带有的一小段程序，相当于出厂时内置的Bootloader。这段程序可以从串口接收数据，并且烧入到用户闪存中。这就是从USB接口进行固件下载的原理。这种下载固件方式一般叫做串口ISP下载。
- BOOT0=1，BOOT1=0，从内置SRAM启动。暂时不清楚该启动模式的原理。
Crazepony使用的STM32F103T8U6型号芯片，BOOT0为第35号引脚，BOOT1为第17号引脚（该引脚被复用为普通GPIO口PB2）。
ISP是在系统编程的英文缩写（In-System Programming）。简单的说，可以不用插拔芯片，也不需要编程器，就可以在你的目标应用板（有单片机的电路板）上直接编程，作程序改动调试。
Crazepony支持SWD在线程序调试接口和串口ISP程序下载两种方式。SWD调试接口可以使用编译调试器（也就是JLink或者STLink）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，缺点就是需要额外的调试器（JLink或者STLink）以及PC端软件（Keil）来支撑。串口ISP下载方式，只需要STM32的UART1的两个数据线，就能将编译生成固件（如HEX或者bin文件）烧写进单片机，不足之处是不能仿真调试程序。
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。现在你买来一台Crazepony小四轴，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。
那么在机身上集成一个USB串口协议转换芯片，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。
我们可以看到CP2102的DTR引脚通过Q1三极管控制BOOT0的电平，CP2102的RTS引脚控制STM32的复位引脚NRST。通过查看CP2102的芯片手册可以知道，只有在激活状态（可以同通过CP2102驱动程序控制，也就是PC上的烧写软件MCUISP）下DTR和RTS才是低电平，其它时候都是高电平。点击烧写软件MCUISP上的烧写按钮，CP2102的DTR引脚和RTS引脚同时拉低，这时候BOOT0=1，STM32芯片被复位，间隔四个时钟周期后采样BOOT0的电平为高，BOOT1电平为低，进入从系统存储器启动，开始接收串口发送的固件数据，烧入到用户内存中。
有了USB串口转换，那么我们的飞机和PC之间通信就有了必要的硬件基础。机身和外部的有线接口就只要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。
蓝牙透传模块
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模块（HM-06，停产）和蓝牙BLE模块（HM-11）。
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。
