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本文记录一次完整的机器人控制板原理图设计过程，从系统拆分开始，逐步完成电源、最小系统与常见外设接口的设计，并在最后通过点灯验证硬件是否可用。

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本文你会看到什么

• 机器人控制板的模块化拆分思路
• 12V → 5V → 3.3V 的电源设计方案
• STM32 最小系统的组成与注意事项
• 常见外设接口（GPIO / UART / I2C / SPI / CAN / PWM）的电路设计要点
• 二层板 layout 的最低必要原则
• 通过点灯程序验证硬件是否“活着”

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一、电路设计环境搭建

  本项目在设计上刻意控制了复杂度，适合作为 PCB 入门练习。考虑到部分读者此前尚未接触过 PCB 绘制，本文选用嘉立创生态中的 EDA 工具与器件资源，以降低学习与实现门槛。

1.1 EDA软件安装

  打开百度搜索嘉立创EDA，进入网站后点击客户端下载，并下载立创EDA标准版，根据自己的电脑环境选择安装合适的版本，我这里选择64位版本。安装方法：下载成功后选择安装的磁盘，一路next即可，然后根据引导进行注册账号登录即可使用。

1.2 立创开源广场

  立创开源广场汇集了大量成熟的硬件项目，通常包含完整的原理图与 PCB 设计文件。在开展开源或自制项目之前，可以在此检索相关方案，或针对具体功能模块（如降压电源）进行参考，以辅助设计与学习。

二、原理图设计

  一般的硬件设计会先根据产品功能进行模块拆分，在此基础上完成原理图设计，再由原理图推进 PCB Layout，最终生成制板文件并进行电路板制造。在这一流程中，原理图承担着承上启下的作用，其合理性和完整性，往往直接影响后续设计的顺利程度。

2.1 硬件的系统设计

  本机器人控制板在结构上可划分为三部分：电源模块（Power）、最小系统（SystemCore）以及外设接口模（HardWare）。电源部分采用 12V 锂电池作为输入，通过 DC 电路将电压降至 5V，为板载外设供电，同时预留 USB 接口为树莓派 4B 提供 5V 电源。在搭载激光雷达与相机的使用场景下，5V / 3A 的供电能力能够满足系统需求。
  最小系统电路是单片机嵌入式系统的基础组成部分，主要包括主晶振电路、BOOT 与 SWD 接口以及系统复位电路。主晶振用于为 MCU 提供系统时钟，本设计选用 8 MHz 晶振，后续在软件配置阶段通过倍频方式生成系统工作时钟（相关配置将在编码部分展开）。
对于掉电后仍需保持计时的时间与日期信息，控制板预留了 RTC 接口，并配合 32.768 kHz 晶振与纽扣电池使用。SWD 接口用于程序下载与 ST-Link 调试，BOOT 引脚则用于控制系统上电时从 Flash 或内部 SRAM 启动。
  控制板在外设配置上覆盖了常见的嵌入式接口类型，资源规模适中，能够支撑基础功能开发与接口学习。
按接口类型划分，外设主要包括以下几类：

• GPIO 接口：用于按键输入与 LED 指示，通过配置 STM32 的 GPIO 模式实现基本的人机交互。
• 串口接口（UART）：共设计两路串口，其中一路用于与树莓派通信，另一路作为备用接口，可用于调试输出（如 Shell 日志），或扩展蓝牙、Wi-Fi 等无线模块。
• I2C 接口：连接 MPU6050 与 OLED 模块，前者用于 IMU 数据采集，后者作为调试与状态显示。
• SPI 接口：用于连接 SD 卡模块，采用 SPI 模式进行数据读写。实际使用中建议选用容量不高于 4GB 的 SD 卡，以避免高速卡在 SPI 模式下的兼容性问题。
• CAN 接口：当前未接入具体外设，作为后续功能扩展与学习预留。
• PWM 接口：分为两类用途，一类用于输出 PWM 信号控制电机转速，另一类用于采集编码器返回的脉冲信号，以计算轮子的转速。
  

2.2 电源部分(Power)

  在机器人控制板中，电源模块是系统稳定运行的基础。它不仅负责为各个功能单元提供可靠的电力，还需要兼顾过流与浪涌保护、功耗控制以及噪声抑制等因素，从而影响整机的稳定性与可靠性。
因此，在硬件设计阶段，对电源方案的选型与实现进行充分考虑，是不可回避的一步。
  本文将围绕电源部分的设计，介绍一种常见且易于实现的供电方案：使用 MP2482 完成 12V → 5V 的降压，再通过 AMS1117 实现 5V → 3.3V，为系统各模块提供所需电源。

2.2.1 MP2482的降压方案

  MP2482作为一款单片降压开关模式转换器，内置了内部功率MOSFET。其特点在于能够在广泛的输入电压范围内提供高达5A的连续输出电流，并具备优秀的负载和线路调节能力。对于我们的12V输入、5V3A输出的供电需求而言，MP2482恰好符合这一要求。进一步查询MP2482的芯片手册后，我们发现在输入电压为12V、输出电流为2A时，整个转换效率也表现出色(如下图所示)。这一结果充分验证了我们设计方案的正确性。

  在MP2482芯片中，有两个关键的外部元件，即反馈电阻和分压电阻。这两个电阻分别被标记为R1和R2。有趣的是，这两个电阻的值决定了MP2482的输出电压。简单地说，输出电压（Vo）与这两个电阻的关系可以通过下面的公式计算：

$$V_o=V_{ref}\left(1+\frac{R_2}{R_1}\right)$$
  这里V_ref 是MP2482的参考电压，一般为0.8V。通过调整R1和R2的值，我们可以轻松地实现不同的输出电压。这使得MP2482成为设计中非常灵活的一个组件，能够满足各种不同电源需求。将Ｒ１和Ｒ２选择一组从常用阻值即可，这里我选择的是75ＫΩ和14.3ＫΩ，反馈电阻和分压电阻的确定后，可以参考官方给的原理图进行原理图设计，下面是官方给的原理图：

  在电源电路设计中，滤波电容是不可或缺的组成部分，其主要作用是降低纹波与噪声，并提升电源输出的稳定性。 在 MP2482 的官方参考原理图基础上，适当增加输入端与输出端的滤波电容，有助于改善电源的瞬态响应和抗干扰能力，从而进一步提升整体电源性能与系统稳定性。
  在电源设计中，滤波电容分别在输入端和输出端发挥着不同的作用。在输出端，合理配置滤波电容可以有效降低输出纹波电压，使电源输出更加平稳，这对于对电源稳定性要求较高的应用尤为重要。在输入端，滤波电容主要用于抑制来自输入电源的噪声与干扰，为 MP2482 提供相对干净、稳定的输入环境，从而保证其正常、可靠地工作。
  通过在官方参考原理图的基础上补充必要的滤波电容，MP2482 的电源系统在稳定性和抗干扰能力上得到了进一步增强，使其能够在更复杂的工作条件下保持稳定输出。
  这一调整有助于提升电源电路的整体可靠性，并为后续系统运行留出余量。此外，考虑到机器人在非工作状态下需要对整板电源进行断开，本设计在电源输入路径中增加了电源开关，用于实现整板的物理断电控制。

2.2.2 AMS1117的降压方案

  
在需要将 5V 电压转换为 3.3V 为单片机供电的场景下，AMS1117 是一种常见且成熟的选择。
作为一款线性稳压器，AMS1117 方案简单、可靠，适合用于对电源纹波要求不高、负载电流相对稳定的 3.3V 供电场景。

选择 AMS1117 的主要原因如下：

优势	说明
稳定性好、压差低	在输入电压存在一定波动的情况下，仍能够提供相对稳定的 3.3V 输出
使用简单	仅需少量外围元件（输入、输出电容）即可完成稳压设计，电路实现成本低
具备保护机制	支持过热保护，在过载或异常情况下可降低损坏风险，提高系统可靠性

  由于 AMS1117 的外围电路较为简单，仅需在电路中加入适当的滤波电容即可，因此这里直接提供整个电路的原理图，不再赘述具体细节。

2.2.3 电源接口与保护

  本控制板不仅为板载外设提供电源，还通过 USB 接口为上位机（树莓派 4B）提供 5V 电源。考虑到树莓派 4B 的 USB 接口推荐 5V / 3A 的供电能力，为确保安全，我们在 5V 输出路径上串联了一个保险丝元件进行保护。
  此外，为了防止由于静电或浪涌电流导致的损害，本设计在 5V 和 3.3V 电源回路中串联了 TVS（瞬态电压抑制二极管），有效抑制外部干扰对板载外设和 MCU 的影响。

2.3 最小系统(SystemCore)

  在构建 STM32 最小系统时，理解其组成部分至关重要。以下是需要考虑的关键元素：

• STM32 微控制器芯片（MCU）：作为系统的核心，选择适合项目需求的 STM32 系列 MCU 是至关重要的。这包括处理器的速度、内存容量以及外设支持等方面的选择。
• 晶体振荡器：提供系统时钟信号，确保 MCU 按照预定速度运行。选择合适的晶体振荡器频率至关重要，它需要与 MCU 的时钟要求相匹配。
• 下载程序电路：此电路用于程序下载和调试，通常使用 ST-Link 接口。
  晶振部分有两个：
• 一个 8 MHz 的晶振为 STM32F103C8T6 提供系统时钟信号；
• 另一个 32.768 kHz 的晶振为 RTC 提供时钟源，并配有纽扣电池以确保时钟在掉电时继续运行。
    在设计时，需要为这两个晶振选择合适的电容，并确保布线尽量短，晶振与 MCU 尽可能靠近。此外，系统需要具备复位功能，设计了一个复位电路：当按键未按下时，RST 引脚为高电平（VCC）；按下时，RST 引脚接地，实现系统复位。
    MCU 部分将在后续章节中与外设一同详细阐述。
    STLINK下载电路比较简单，只需要引出SWD引脚即可BOOT部分参考官方手册即可。
  

2.4 外设部分(HardWare)

2.4.1 GPIO外设电路

  在本次机器人控制板的硬件系统中，GPIO 类外设包括按键、LED 和蜂鸣器，具体配置如下：

• 按键：连接至 GPIO 的上拉输入模式。在单片机的 GPIO 初始化过程中，按键对应的 GPIO 被设置为上拉模式，这样当按下按键时，GPIO 引脚会接入低电平。通过这种设置，能够使低电平信号的输入更加灵敏。
• LED 和蜂鸣器：连接至 GPIO 的推挽输出模式。推挽输出模式意味着 GPIO 可以提供高电平或低电平输出信号，但由于 GPIO 本身输出电流较小，驱动能力有限。在驱动蜂鸣器时，需要结合三极管来增强驱动能力。
  

2.4.2 串口接口电路

  由于树莓派使用的是 USB 接口，采用 CH340 芯片可以将串口信号转换为 USB 信号，从而简化了与 STM32 的通信过程，避免了使用杜邦线，提升了系统连接的稳定性。 目前，串口二暂时未使用，未来计划用于连接无线模块（如 Wi-Fi 或蓝牙），也可以作为程序调试接口，用于打印 Shell 信息等。
  简易双向串口除了 VCC 外，还需要 TX、RX 和 GND 三根线。串口一采用 CH340N 作为串口转 USB 的转换芯片，CH340N 是一种常见的串口转 USB 芯片，其外围电路简单，不需要额外的晶振，完全能够满足本项目的需求。具体的原理图设计可以参考 CH340N 的官方手册，由于外围电路较为简单，此处仅提供原理图，具体细节不再赘述。

2.4.3 I2C接口电路

  I2C（Inter-Integrated Circuit）是由飞利浦公司开发的简单双向二线制串行通信协议。 I2C 总线由两根信号线组成：

• SCL：时钟线，用于同步数据传输
• SDA：数据线，双向传输数据
    I2C 通信采用半双工同步模式，数据传输以高位先行的方式进行，即先发送数据的高位。I2C 支持多主机与多从机通信，但不使用片选信号。每个设备在总线上都有唯一的设备地址，主机通过在 SDA 线上发送设备地址来定位从机。为了确保总线正常工作，I2C 总线上需要接入两个上拉电阻，以拉高信号线。时钟线 SCL 的作用是控制数据线 SDA 上数据的有效性：当 SCL 为高电平时，SDA 上的数据有效；当 SCL 为低电平时，SDA 上的数据无效。

  本次设计中，I2C 接口设备包括两个：OLED 和 MPU6050。

• OLED 的接口相对简单，仅需引出 VCC、GND、SCL 和 SDA 信号，并将其连接到母座即可。
• MPU6050 为板载设备，相较于 OLED，外围电路较为复杂。考虑到集成度，MPU6050 被直接集成到电路板上。

  OLED 接口使用了常见的 2.54 母座，简化了连接方式。MPU6050 的外围电路设计参考了官方文档，特别是 C35 电容的作用。C35 电容充当电容泵，帮助维持 MPU6050 模块的电流和电压稳定。尽管理论上推荐使用陶瓷电容，但考虑到成本，普通电容也能满足需求。

2.4.4 SPI接口电路

​  SD 卡的常见驱动方式有 SDIO 和 SPI 协议。在这两者的比较中，SDIO 协议具有更高的读写速度。它支持 4 线模式，通过 4 条数据线同时传输 4 位数据，从而提高了数据传输效率。然而，SDIO 需要更多的引脚，导致控制的复杂性较高。
​  相比之下，SPI 协议只需要 2 条数据线（MISO 和 MOSI），使得控制方式相对简单，但其数据传输速度较低。因此，在本设计中，我们选用了 SPI 协议来驱动 SD 卡的读写。
  SPI，即Serial Peripheral Interface，是串行外设接口的缩写，是一种高速、全双工、同步的串行通信总线。相比于IIC和串口，SPI速度更快，但相对于USB和网口则较慢。SPI采用主从方式工作，通常包括一个主设备和一个或多个从设备。它需要至少4根线：MISO（主设备输入/从设备输出）、MOSI（主设备输出/从设备输入）、SCLK（时钟）、CS（片选）。由于SPI使用的引脚较少，且布线方便，因此越来越多的芯片集成了这种通信协议。
​  SD卡有两种，包括TF卡和mico SD，这里的SD卡主要指的是mico SD卡，翻过来以后从左到右为PIN1-PIN8，其各个引脚的功能如下：

PIN	SD	SPI
1	DAT2	仅上拉
2	CD/DAT3	CS
3	CMD	MOSI
4	VDD	VCC
5	CLK	SCK
6	VSS	GND
7	DAT0	MISO
8	DAT1	仅上拉

  根据上述引脚关系，参考SPI电路设计标准可知，SPI需要进行引脚上拉(10K)：上拉电阻可以防止这些信号线因为没有外部输入而漂浮，从而避免在通信过程中发生意外的信号变化或误判；有效地抑制电磁干扰和其他噪声的影响。通过将信号线拉高到一个明确定义的电平（通常是高电平），可以减少外部干扰对信号的影响，提高通信的可靠性和稳定性；在工作时需要一定的电平约束，包括SCLK和CS线。通过添加上拉电阻，可以确保这些要求得到满足，从而使得SPI设备能够正确识别和解析数据线上的信号。具体的电路设计如下：

2.4.5 CAN接口电路

  CAN（Controller Area Network）是一种广泛应用于汽车、工业控制和其他领域的串行通信协议。它被设计用于在高噪声环境下可靠地传输数据，具有高速、可靠、实时性强的特点。CAN通信采用差分信号传输，能够抵抗电磁干扰，并支持多主机系统。CAN通常用于传输实时数据和控制信息，是许多嵌入式系统中重要的通信协议之一。
  控制板上的CAN是作为预备的通信接口，TJA1050是CAN (Controller Area Network)协议控制器和物理总线之间的接口。该器件向总线提供差分发送能力，并向CAN控制器提供差分接收能力。TJA1050是继PCA82C250和PCA82C251之后，飞利浦推出的第三款高速CAN收发器。最重要的区别是:由于输出信号CANH和CANH的最佳匹配，大大降低了电磁发射，改善了在无电状态下的行为。这使得TJA1050非常适合在部分供电网络中处于断电情况的节点中使用。CAN总线是一种差分信号传输系统，终端电阻的阻值通常与总线特性阻抗相匹配，以防止信号反射和干扰。这有助于确保信号在总线上的稳定传输，并减少信号失真。具体的外围电路设计如下：

2.4.6 PWM外设电路

  PWM外设有两种：一种是对外输出PWM控制电机，两个PWM控制两个电机，通过两个电机的组合即可实现机器人的移动；另一种采集编码器返回的脉冲，通过AB相计算出电机的转速，同时预留了一组PWM输出控制舵机的接口。无论是哪一种外设，接口电路都较为简单，只需要将其引出接在MCU的对应引脚上即可。

这里各个引脚的功能如下：

外设部分	对应引脚
PWM控制电机	AOx、BOx
PWM控制舵机	PA8
电机编码器（AB相）	A1 B1、A2 B2

  其中PWM控制电机部分，AOx、BOx接在TB6612驱动上，进而控制电机。TB6612是常见的电机驱动，可以对外输出两组PWM控制电机，并且根据输入PIN值的不同可以实现正反转，具体的外围电路如下：

  到这一步基本上就完成了我们需要的机器人控制板的原理图部分，在下一个部分我们将会进行PCB设计。

2.5 layout注意事项

  本次机器人控制板初步定为二层板，整个板载外设都是低速信号。低速板的layout较为简单，对于新手来说不必事先对layout做过多学习，只需要注意以下一些基本的布线规则即可：

PCB布局：
1.遵循“先整体，后局部”，先进行核心部分的布局和layout，例如：MCU核心部分、串口接口等。
2.布局参考原理图，根据单板的主信号流向规律安排主要元器件。
3.电源、模拟小信号、高速信号、时钟信号、同步信号、ADC采样信号等关键信号优先布线。
4.剩下的就是将各个部分连线上，拉线即可。

  这里不对layout进行过多阐述，可以去MOOC平台、BILIBILI搜索立创EDA的使用技巧和教程。

三. 快来做点灯大师

  本项目的开发环境是在windows平台的Keil5 MDK，十六师兄在这里就不过多赘述，可以查看十六师兄在之前博客中写过的安装与破解方法，记得要安装STM32F10X的pack。创造不易多多点赞！安装方法：单片机开发环境搭建看这里 安装完成后，简易写个点灯程序进行硬件检查。

  在嘉立创打板后，使用加热台进行元器件的焊接，这里提一嘴焊接是一个技术活，我要是焊接废了两块控制板后才制作好成品，硬件设计往往不能一次成功，这里也是迭代了两个版本才做出较为满意的作品。创造不易多多点赞，带你手把手做项目， 如需需要相关的打板文件请私聊。如需合作可以私聊，目前在某大厂任职，在去年的秋招中获得数十个offer。