在很多人眼里，主控板有著密密麻麻的芯片引腳與PCB走線，看起來非常難的樣子。其實恰恰相反，主控板的設(shè)計有著其特有的設(shè)計規(guī)律，其實說白了就像搭積木，在滿足單片機最小系統(tǒng)的條件下，需要哪些功能，只需要增添相對應(yīng)的電路模塊即可，也可稱為模塊化設(shè)計思想。

本文我將從三個層次來介紹用于機器人主控板的設(shè)計思想。分別為：

根基，主控板最基礎(chǔ)部分的設(shè)計和原理；

枝干，主控板功能模塊的擴展與設(shè)計思路；

樹葉，主控板中功能模塊具體電路參數(shù)的計算。

我將以一棵大樹的層次結(jié)構(gòu)為模型，帶領(lǐng)大家走進電路設(shè)計的樂趣。

根 基

這里的根基表示的是單片機最小系統(tǒng)，是單片機可以正常執(zhí)行程序的最簡工作環(huán)境。如果沒有這些的話，單片機是無法運行程序的。

最小系統(tǒng)的組成包括，電源電路，時鐘電路，復(fù)位電路。大多數(shù)芯片的最小系統(tǒng)需要包含以上三種電路，而有的芯片卻可以不使用外部時鐘，其芯片內(nèi)部可以通過RC振蕩器為程序運行提供時鐘基準(zhǔn)。

根基之電源電路。以STM32系列單片機為例，其工作電壓在2.0V~3.6V,通常會使用3.3V電源供電。

假設(shè)我們使用5V電源為電路板提供電源，這樣就需要將5V轉(zhuǎn)換成3.3V為單片機供電。考慮到單片機需要工作在低紋波的電源環(huán)境下，這里選擇了線性降壓電源（LDO）。明確了設(shè)計目的，下面就需要進行方案選擇了。

需要做的事：使用那款LDO芯片將5V電壓降低到3.3V電壓，且滿足功率需求。能夠?qū)崿F(xiàn)這幾項需要的方案，非常多，下面我簡單列舉了幾款常用芯片。

細(xì)細(xì)分析上面的表格中參數(shù)，發(fā)現(xiàn)不同芯片有著不同的最大輸出電流。這時可根據(jù)單片機內(nèi)部資源使用情況來計算最大工作電流（在單片機手冊可以查找到），來進行方案選取。確定了單片機最大工作電流后，需要擴大3倍來選取電源芯片。

至此，已經(jīng)確定好了電源芯片方案，但是如何進行電路連接呢？如何設(shè)計能減少干擾呢？對于電路如何連接，一般在芯片手冊前幾頁會給出典型應(yīng)用電路。這里我以AMS1117-3.3為例進行介紹。

下圖來自芯片手冊中的典型應(yīng)用電路模塊。一般情況下，按照數(shù)據(jù)手冊中的電路連接，就可以正常使用。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，我們還可以對電路稍加修改。比如，在電源輸入口增加磁珠來抑制電源線上的高頻干擾信號。在輸入輸出端增加濾波去耦電容，以保證輸出電源的純凈，和瞬態(tài)響應(yīng)能力。

根基之復(fù)位電路。相信很多人和我一樣，從接觸51單片機時就開始疑惑復(fù)位電路的工作原理，由于對模擬電路理解的不夠透徹，而不能給出正確答案，當(dāng)別人問起時，吞吞吐吐說不出個所以然來。對于復(fù)位電路，這里給出兩種不同的解釋，歡迎大家批評指正。

對于低電平復(fù)位的單片機來說，其復(fù)位電路如下圖所示：

復(fù)位電路解釋一：首先，明確電容器具有通交隔直的能力。而交流電的定義為非直流電都為交流電，而直流電的定義是大小方向不隨時間變化。

那可以這樣理解：在電路上電瞬間，電壓從零變化到VCC此時電容兩端電壓在不斷變化應(yīng)該歸屬于交流電，這個變化過程是需要時間的。在這段時間內(nèi)電容處于導(dǎo)通狀態(tài)，RST引腳電壓接近于GND（低電平）。滿足單片機復(fù)位要求。具體參數(shù)可通過RC電路進行計算。通常使用0.1uf和10K電阻進行單片機復(fù)位。

復(fù)位電路解釋二：從電容充電曲線理解.電容在充電時，兩端電壓曲線如下圖仿真圖所示，電壓緩慢爬升，當(dāng)IO口電壓低于0.8V時，單片機就會認(rèn)為IO口電平為低電平，則圖中復(fù)位電路使用參數(shù)可提供288us低電平時間，足夠滿足單片機進行復(fù)位。

根基之時鐘電路。對于單片機來說時鐘就像心跳一般，在時鐘信號的基準(zhǔn)下，有規(guī)律的執(zhí)行者代碼。時鐘電路大同小異，這里以無源晶振為例。

如上圖所示，為時鐘電路，其中兩個22pf電容為起振電容，1M電阻為環(huán)路反饋電阻。采用8MHZ晶振，經(jīng)STM32內(nèi)部PLL鎖相環(huán),進行倍頻可達(dá)到72MHZ，后經(jīng)過分頻電路進行分頻為各外設(shè)提供時鐘。

單片機最小系統(tǒng)主要由這三部分，作為控制器的根基，是必須要有的。無論多么復(fù)雜的功能都需要基于此進行拓展，下面介紹如何拓展主控板的功能。

枝 干

這里的枝干指的是以最小系統(tǒng)為根基引申出來的各個功能模塊。和大樹一樣，枝干在滿足自身生長的條件下可多可少。這里簡要介紹兩個擴展功能，以展示控制器中“枝干”的設(shè)計過程。

新增枝干---溫度檢測功能：

這里想用單片機實現(xiàn)一個簡單的溫度計功能，可用于機器人中電機溫度檢測，也可以稱為需求。這時我們需要做的就是選用哪種方法去實現(xiàn)溫度檢測。如果你學(xué)過51單片機，可能會想到DS18B20這款單總線溫度傳感器，好這里可以把它作為一種備選方案。還有沒有其他的？？？我喜歡列表，畫圖去將腦海中的想法展現(xiàn)在紙面上，這里列表看看我腦中能夠列出多少種方案。

看吧，隨便一列就能夠列出5個備選方案，實際中遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些。為了使文章更加豐滿，介紹更多的基礎(chǔ)電路設(shè)計，這里以負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻作為實現(xiàn)本次任務(wù)的傳感器。

負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的阻值會隨著環(huán)境溫度的升高而降低。對于型號為MF52 10K ±1%的熱敏電阻，其阻值隨溫度變化的曲線如下圖所示。在-40~70之間其阻值的線性度非常好，完全可以使用一次函數(shù)式（y=ax+b）來擬合這段曲線，然后根據(jù)電阻值去反推環(huán)境溫度。

問題推進到現(xiàn)在，測量溫度的需求，已經(jīng)演變成了如何測量熱敏電阻阻值的需求。說道電阻，應(yīng)該能夠想起最基本的歐姆定律吧！

通過上式，我們就可以通過檢測熱敏電阻兩端電壓來確定熱敏電阻阻值。

電壓法測量熱敏電阻阻值：這種辦法比較簡單，在產(chǎn)品中應(yīng)用的也較多。使用電阻R1與熱敏電阻串聯(lián)，然后使用單片機ADC功能讀取VF1點電壓，后反推出熱敏電阻阻值，進而計算出當(dāng)前所測試溫度。

其計算公式為：

電路中的R1需要選取一個合適的數(shù)值。選取過大，NTC兩端電壓變化范圍就會變得很窄，為后期的數(shù)據(jù)出來帶來不便。

如下圖所示，為R1分別選取了10K，55K，100K三個阻值時，VF1隨溫度變化曲線。從圖中可以看出當(dāng)R1=10K時，VF1的范圍很寬，并且溫度在0度到45度范圍內(nèi)變化時，VF1具有很好的線性度。

相比而言當(dāng)R1選取55K和100K時，VF1的表現(xiàn)就沒有那么好了。

這樣我們就在單片機最小系統(tǒng)上添加了測量溫度的功能。在整個設(shè)計過程中，我們只僅僅使用到了單片機的一個ADC口，其余都應(yīng)屬于模擬電路知識。按照這個思維，我們可以實現(xiàn)很多功能，比如你想要給控制器添加WIFI功能，通過分析也許你連原理圖都不用改，只需要購買個具有UART的WIFI模塊就能夠?qū)崿F(xiàn)，就是這么簡單。

新增枝干---電路電流檢測功能：

在控制器設(shè)計中難免會涉及到檢測電流，用于電路過流保護，或電機相電流檢測。這里想用單片機檢測電機某相電流，來實現(xiàn)電機的FOC控制，也可以稱為需求。

電流檢測方案有多種可供選擇，比如采樣電阻，霍爾電流傳感器，羅氏線圈。這里我選擇了電阻對電機相電流采樣。

一般檢流電阻的值都比較小，比如0.005歐姆。當(dāng)流過10A電流時，電阻兩端壓差僅為50mv，這樣就不會對電路造成影響，但是會帶來一個問題，直接使用單片機ADC讀取時，無法準(zhǔn)確讀取到數(shù)據(jù)。通常的做法是將電壓放大后，再使用單片機讀取。

電路設(shè)計到這里，從剛開始的電流檢測需求，已經(jīng)推進到采樣電壓信號的放大需求。這時想到的必然是使用運放對采樣電壓放大。

如下圖所示，選取了運放構(gòu)成的減法電路（差分放大電路），來放大電壓信號。具體的電路計算后文詳細(xì)介紹。

這樣又在單片機最小系統(tǒng)上添加了電流檢測功能。在整個設(shè)計過程中，只僅僅使用到了單片機的一個ADC口。

枝干部分就先列舉兩例，在這種思維的指引下，你可以嘗試著實現(xiàn)其他功能，比如實現(xiàn)一個數(shù)據(jù)顯示功能，實現(xiàn)CAN通信，實現(xiàn)4-20ma信號處理。好好想想，看看有多少種可用的解決方案。

樹 葉

樹葉指的是以最小系統(tǒng)為根基引申出來的各個功能模塊中的具體電路參數(shù)。這里的設(shè)計需要根據(jù)選定的最終方案來詳細(xì)計算電路中阻容等每個元件的值和具體器件選型。

現(xiàn)在以上文中電流檢測電路為例，來介紹如何計算電路參數(shù)。

上圖中的電路原型為減法電路（也稱差分放大電路），如下圖所示

根據(jù)模電基礎(chǔ)知識，其輸出電壓表達(dá)式為：，其中為差分放大器的放大倍數(shù)。

假設(shè)系統(tǒng)中需要將信號放大5倍，這時應(yīng)該等于5。這里的取值可就多了，比如100歐姆和500歐姆，1K歐姆和5K歐姆，10K歐姆和50K歐姆。這么多種組合，到底哪個組合比較好呢？在我看來在保證功耗允許的情況下，阻值越小越好。100歐姆就比1K歐姆好，1K歐姆就比10K歐姆好。

電機的三相電流波形是相位相差120度的正弦波，如下圖所示。在電流檢測過程中信號有半個周期為負(fù)值。對單電源供電的運放，位于負(fù)半軸的電流值是無效的，無法進行放大。此時就需要對電流波形進行偏移，使得整個周期的電流波形都位于正半軸以上。

為了解決這個問題，只需要在下圖RB處添加直流偏移電壓Vref，輸出電流形就會向Y軸正方向偏移Vref。

此時，輸出電壓表達(dá)式為（可根據(jù)疊加原理推導(dǎo)）：

下圖所示，將一個30mv正弦信號放大5倍并偏移1.65V后的電流波形。

至此，我們已經(jīng)計算出了電路中的電阻參數(shù)，當(dāng)Ra=1K時，Rb=5K這個組合是比較好的。因為STM32單片機ADC引腳最大輸出電壓為3.3V，通常對電流波形偏移Vref=1.65V即可滿足要求。

主控板的設(shè)計就這樣簡單，明確需求，方案選取，計算參數(shù)，簡單三步即可實現(xiàn)你想要的功能。這里我為大家準(zhǔn)備了大量素材，大家可添加小編領(lǐng)取。