1 引言

基于STM32进行无人机飞控的开发，于我而言可谓蓄谋已久——考虑到STM32高级点灯工程师的威名已在单片机开发领域广为流传，同时目前已经被广泛使用的Pixhawk开源飞控正是基于STM32平台进行开发。通过查阅资料，最终决定参考尚硅谷的开源项目，基于STM32进行多旋翼四轴无人机飞控的开发，设计出来的飞控能实现无人机定高飞行，同时设计配套的“美国手”遥控器，可操控无人机执行升降、俯仰、滚转、偏航等动作，具备正常飞行的能力。我会阶段性地将自己的学习成果进行总结并分享给大家，期望和志同道合的伙伴一同学习~

本文聚焦于电路原理，主要对无人机飞控和遥控器电路板的硬件组成进行介绍，同时绘制了相关芯片和元器件的电路原理图，并对其工作逻辑和原理进行解释，部分解释源于自己的理解，欢迎指出错误！

学习本文之前，你需要具备的前置知识有：

1. 至少初中以上的电路知识，知道了解电阻、电容、电感等电子元件，并至少绘制过能点亮小灯泡的电路图。

2. 热爱无人机，且亲自操作使用过无人机。

3. 动手能力强，能够照猫画虎。

2 飞控电路原理图

2.1 主控芯片

电路原理图的绘制在嘉立创EDA专业版V3.2.121进行。

飞控板主控芯片采用STM32F103C8T6，主要设计3.3V供电与接地电路、复位按钮电路、适配ST-LINK的烧录引脚电路以及外接高速晶振电路。

图2.1 飞控板原理图架构之主控芯片

首先导入主控芯片元件示意图。通过嘉立创元件库搜索方式可得图2.2中STM32F103C8T6芯片元件图，并进行供电（Volt Common Collector, VCC）与接地（Ground, GND）引脚连接，其中VCC代表电路的电源正极，即供电输入端，而GND代表电路的电源负极，即公共回路的参考地；将VDDA、VDD_1、VDD_2、VDD_3四个引脚连接3.3V供电，VSSA、VSS_1、VSS_2、VSS_3四个引脚连接GND，其中VDD（Volt Common Drain）代表数字电路或MOSFET电路的正电源，而VSS（Volt Common Source）代表数字电路或MOSFET电路的公共负极，在实际工程中的电路原理图中，VCC与VDD可混用，共同代表电源正极，GND和VSS亦可混用，共同代表电源负极或接地。除明确标“叉”的引脚不连接之外，其余引脚均与飞控开发板中其他具备不同功能的芯片或元件相连，将于后文分类介绍。

图2.2 主控芯片STM32F103C8T6

为了使得线路运行过程中供电更加稳定，还需设计四个100nF电容并联进行主控电源滤波，电路设计见图2.3。

图2.3 主控电源滤波线路

接下来进行复位按钮电路设计。如图2.4，首先将主控芯片的复位引脚NRST连接至3.3V供电，使其在电路正常工作时始终保持高电平状态；通过元件库搜索得到SKRPACE010轻触开关元件，开关一侧连接NRST，另一侧接地（GND），使得按下按钮时，NRST瞬间接收低电平，触发重置复位功能。

图2.4 复位按钮线路

下一步连接高速晶振。晶振为芯片所有指令、串口通信、烧录等提供精准稳定的时钟频率和时序参考，晶振之于芯片相当于心跳之于人类，心跳的快慢取决于人类进行活动的剧烈程度，跑步时的心跳频率要远远高于睡觉时的心跳频率，同样，晶振频率的高低决定了芯片运行速度的快慢，无人机飞行时，要求对指令和外部干扰快速响应，故飞控板采用高速晶振。在元件库搜索TAXM8M4RDBCCT2T型高速晶振，按照图2.5中线路进行设计并对应连接至主控芯片PD0-OSC_IN和PD0-OSC_OUT引脚。

图2.5 外接8MHz晶振线路

然后布置适配ST-LINK烧录器的烧录引脚（简牛座）。ST-LINK烧录器一般具有8个通道，分别为3.3V和5V供电通道各一个、接地（GND）通道两个、信号传输DIO、CLK通道以及两个串口通道RX、TX。其中DIO、CLK对应连接至PIN口SWDIO、SWCLK线路，SWDIO、SWCLK再通过短接的方式连接至主控芯片的PA13、PA14引脚；串口烧录通道RX、TX与MCU串口通道USART2-TX、USART2-RX要交叉连接，即RX连接USART2-TX，TX连接USART2-RX，对应连接主控芯片PA2、PA3引脚。烧录引脚可采用2×4P布局，PIN头间距2mm的弯简牛支座（B-3002R08P-0110），也可采用1×8P布局，PIN头间距2.54mm的弯曲针头支座（2.54mm-8P WZ），注意在烧录时用单根母头杜邦线连接对应通道即可，不同支座的线路连接设计见图2.6，其中，1通道原本均应连接3.3V供电，由于该供电方式较5V供电更不稳定，故舍弃该针头功能，只采用5V供电。同时，BOOT0引脚所接电平的高低决定烧录方式的不同，为适配ST-LINK烧录方式，需要将BOOT0引脚接低电平（GND），此时设置连接3.3V供电线路上的电阻为NC（Not Connect）即可（图2.2）。

(a) 2×4P弯简牛支座线路布局	(b) 1×8P弯曲针头支座线路布局

图2.6 烧录引脚线路

为了能够通过编程实现对工作中无人机状态的直观展示，在开发板四周布置信号灯并在烧录阶段对其进行编程，图2.7(a)为信号灯线路原理图。

最后还需对飞行中飞机的电池电压进行实时监控，由于ADC量程上限为3.3V，而锂电池输出电压保持在3.3V~4.2V之间，无法直接测量，故需要设计图2.7(b)所示分压电路。

(a) 信号灯线路布置	(b) 分压电路设计

图2.7 功能性元件线路

2.2 陀螺仪和加速度计

MPU6050芯片内部集成三轴陀螺仪用于检测飞机飞行中的角速度、三轴加速度计用于测量重力加速度，是飞控板唯一的姿态感知硬件。其与主控芯片的信息传递遵循I2C1通讯协议。

图2.8 飞控板原理图架构之陀螺仪芯片

图2.9展示了MPU6050在本设计中的电路排布。该芯片通过INT、SDA、SCL与主控芯片建立连接，其中INT线路负责发送外部中断，由主控芯片PB3引脚接收；SDA、SCL引脚的信息传输遵循I2C1协议，该协议要求线路必须具备“上拉电阻”，可通过串联稳定3.3V供电和至少一个电阻达成该条件，与主控芯片中同样遵循该协议的PB7、PB6引脚相连。

图2.9 陀螺仪芯片及其与主控芯片关联电路

2.3 无线通信2.4G

飞机与遥控器通过2.4G无线通信建立连接，可借助SI24R1射频收发芯片实现该功能。该芯片通过SPI1线路同主控芯片进行信息传递。

图2.10 飞控板原理图架构之2.4G无线通信

该芯片与主控芯片的关联如图2.11所示。射频收发芯片的CE引脚经由短接SI-EN线路与主控芯片PA8引脚连接；而CSN、SCK、MOSI、MISO四个引脚对应SPI1接线，同样通过短接方式分别与主控芯片PA4、PA5、PA7、PA6引脚连接。所有VSS引脚均接地（GND），而所有VCC引脚则提供稳定3.3V供电，必须指出的是，在绘制原理图时，往往出于直观性考虑会在一张图中出现多个3.3V供电标示，而这些标示在实际电路板中都代表同一电源总线，并经过与电源总线并联的一系列电容滤波，故某些引脚看似仅连接一个3.3V供电，实则是省略了滤波电容的简化标示。

图2.11    2.4G无线通信芯片及其与主控芯片关联电路

晶振型号为SX25Y016000B91T，可提供16MHz的时钟频率，通过外接线路与通信芯片的XI、XO引脚连接。

图2.12外接8MHz晶振线路

2.4 激光测高

激光测高即通过激光对飞机到地面的距离进行测量，从而获取飞机飞行的相对高度，激光测距芯片选用VL53L4CDV0DH/1，遵循I2C2通讯协议。

图2.13 飞控板原理图架构之激光测高

原理图左侧所有引脚主要构建激光测距芯片与主控芯片间的信息传输通道。为搭建遵循I2C2通讯协议，对应引脚连出的线路中必须具备一个稳定3.3V供电以及与之串联的保护电阻（又称“上拉电阻”），如图2.14所示，XSHUT、GPIO1、SDA、SCL通过该连线方式，与主控芯片对应引脚PB12、PB13、PB11、PB10相连。DNC引脚默认不连接。原理图右侧所有引脚主要为芯片进行供电。其中AVDDVCSEL、AVDD引脚直连3.3V供电；AVSSVCSEL、GND、GND2、GND3、GND4引脚直接接地，并在供电线路与接地线路之间并联3个电容进行滤波。

图2.14    激光测距芯片及其与主控芯片关联电路

2.5 电源管理模块

电源管理芯片型号为TP4336，该芯片亦常见于日常使用的充电宝中。通过电源管理模块，可实现飞机电池的充电放电管理，以及飞机电量的直观显示。

图2.15 飞控板原理图架构之电源管理模块

VDD引脚连接的线路为充电线路，可由外界USB接口对芯片进行供电，故该电路供电以稳压VCC表示；LED1、LED2、LED3三个引脚共连接4个型号为XL-1005UYC的发光二极管，可对电池电量信息进行直观展示；BAT引脚通过图2.17(a)所示插座连接锂电池；OUT引脚为主控芯片和电机供电，并通过图2.17(b)中线性稳压器将5V供电转化为3.3V稳定供电。需要指出的是，SW引脚连接的1.5uH电感为功率电感，且线路中所有电感的饱和电流和额定电流要远超设备正常运行时的电流大小，这里采用FTC252012S1R5MBCA型1.5uH电感。

图2.16    电源管理芯片及其与主控芯片关联电路

锂电池插座型号为ZX-XH2.54-2PWT。连线时，仅1通道连接“正极”，即与电源管理芯片BAT引脚接出的线路连接；其余所有通道均连接“负极”，即接地（GND）。

降压稳压芯片采用AMS1117-3.3V型线性稳压器，VIN为供电输入引脚，连接电源管理芯片传来的5V供电；VOUT为供电输出引脚，输出稳定3.3V供电。

锂电池插座	线性稳压器

图2.17 锂电池插座及线性稳压器线路

基于上述介绍，可知电源管理模块的充放电逻辑，见图2.18。

图2.18    电源管理模块充放电逻辑示意图

2.6 电机插槽

电机插槽的设计主要包括电机驱动和连接插槽两个部分，驱动元件为MOS管，连接插槽负责为电机供电以及驱动信号的传输。

图2.19 飞控板原理图架构之电机插槽

MOS管型号为AO3400A，可通过主控芯片定时器输出的PWM方波信号实时控制MOS管的快速通断，调节电机绕组平均电流（电压），从而改变单个电机的转速与推力。由于四轴多旋翼无人机通过实时调节四个电机的转速以执行俯仰、横滚、偏航等动作，这就要求主控芯片可以独立控制每个电机的转速，而主控芯片内的一个定时器只能输出一种形式的PWM方波信号，故4个电机必须连接4个不同的定时器。基于MOS管的电机控制逻辑如图2.20所示。

图2.20    电机控制逻辑示意图

1.25-2PWB电机插槽有四个针脚，其中1号针脚连接MOS管，负责控制电机的转速与推力，2号连接电源“正极”，与经过线性稳压器的3.3V供电相连，3、4号连接电源“负极”，通过接地（GND）实现。

(a) 左一电机插槽	(b) 左二电机插槽
(c) 右一电机插槽	(d) 右二电机插槽

图2.21 四轴电机插槽线路

3 遥控器电路原理图

3.1 主控芯片、电源管理模块及无线通信2.4G

为了与飞控板匹配，遥控器板采用与飞控板同样的主控芯片、电源管理模块及2.4G通讯芯片。不同功能的电路板能够使用相同的处理器芯片，其原理是芯片引脚具备重映射的能力，即一个引脚具备多种功能，同时一种功能也可对应多个引脚。主控芯片引脚变动及其影响的烧录接口引脚改变情况详见图3.1，电源管理芯片、2.4G通讯芯片引脚连接及元器件布置与飞控板相同，这里不再赘述。

(a) 主控芯片引脚变动

(b) 烧录接口引脚变动

图3.1 芯片引脚重映射

3.2 OLED屏幕

遥控器选用内置SSD1315芯片的OLED屏幕以实时显示飞机飞行过程中锂电池供电的电压，量化展示电池剩余电量。该OLED屏幕尺寸为0.96inch，128×64像素，采用4线接法（4-wire Serial Interface）与主控芯片建立连接，连接方案如图3.3所示。

图3.2 遥控器原理图架构之OLED屏幕

必须指出的是，为了减少电子元器件的布置以及简化线路，通过连接使得OLED屏幕仅满足所需功能即可。故设计中使用的4线接法不是标准的SPI，对屏幕芯片SSD1315采取只写不读的策略，其中CS用于片选，CLK为时钟总线，DIN、MOSI、RES接收复位信息，D/C来设置命令和数据。

图3.3 OLED显示屏及其与主控芯片关联线路

3.3 摇杆和按键

遥控器的摇杆用于人为输入指令控制无人机执行升降、俯仰、滚转、偏航等动作，左右各一个，采用美国手控制方案，左侧控制无人机的升降、偏航，右侧操控无人机前进后退、左右滚转，参考穿越机遥控器，左侧摇杆上下不回中，右侧摇杆360°回中。

图3.4 遥控器原理图架构之摇杆按键

摇杆选用尺寸16×16的双路摇杆，其原理如图3.5所示，双路摇杆由两个相互垂直的滑动变阻器组成，当人为拨动摇杆时，滑动变阻器随着摇杆被拨动到的位置控制对应电路的电压在0V~3.3V间动态改变，将下达的改变飞行状态的指令转变为电压大小，再通过ADC转换为连续二进制数字信号的形式传递给天线，由无人机飞控板上相同的天线接收指令并执行相应动作。由于摇杆控制的电压改变关乎无人机飞行的稳定，改变量精确度要求极高，故在3.3V供电达到摇杆之前，在图3.6中通过并联5个容量分别为10uF、100nF、1nF、100nF、10uF的电容以及一个10uH串联电感对供电芯片提供的“3V3”电压进行滤波，输出极稳定的“3V3A”电压供给摇杆电路。

图3.5    双路摇杆控制原理示意图

(a) 输入摇杆电压滤波电路
(b) 左摇杆线路	(c) 右摇杆线路

图3.6 摇杆线路

按钮共计6个，其中2个位于遥控器左下方，4个位于遥控器左右上方，在按钮的供电与主控芯片之间均串联一个10KΩ的保护电阻，如图3.7所示。

(a) 顶部两按键线路
(b) 底部四按键线路	(c) 保护电阻线路

图3.7 按键线路

4 小结

至此，飞控和遥控器的电路原理图绘制完成。通过绘制电路原理图，相信你对之前抽象的PWM、ADC等听起来很高深的专有名词都有了具象化的理解，同时对无人机飞控工作原理以及功能实现的认识又上升了一个新的台阶。所有的恐惧都来自于未知，而学习则是探索未知的过程，当未知变成已知，那些让你恐惧的，终将成为你的力量。

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