1 引言

PCB（Printed Circuit Board）是印刷电路板的简称，这篇文章的主要工作是将第一部分绘制原理图上的电路（可进入我的主页查看（一）电路原理图绘制）一一布置到电路板上，同时完成这些元器件的连线，也让我在动手实操的过程中，回味了一把小时候玩连连看时的快乐~

本文聚焦于PCB板的制作过程，基于电路原理图和使用需求进行PCB板的元器件布局和线路设计，并介绍了如何将设计方案通过嘉立创平台进行PCB打板以及元器件的订购，希望为你的单片机开发学习之路提供参考。

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. 玩过连连看，具备一定空间思维，拥有线不连上不罢休的信念。

2 PCB设计

2.1 PCB设计基本流程

根据第一部分的原理图，基于嘉立创EDA专业版V3.2.121进行印刷电路板（Printed Circuit Board, PCB）的设计。

在原理图绘制页面选择“设计”-“导入原理图到PCB”，即可将所有电子元器件导入到PCB图绘制界面。

第一步是绘制板框。一般常用的矩形板框可直接在嘉立创EDA中进行绘制，如对板框尺寸或形状有严格要求者，可先在CAD等专用软件中进行外形轮廓的设计，再导入嘉立创。

第二步是确定所有电子元器件各自在电路板上摆放的位置。元器件摆放的最主要原则是在确保使用功能满足的前提下，尽可能简化布线，故往往将同一功能的元器件或存在辅助关系的元器件尽可能摆放在相近的区域，同时电路板的顶层和底层均可以布置线路和电子元器件。以方便元器件的功能实现需要以及解决元器件位置冲突的问题。

第三步是连线。连线是确保电路板上所有电子元器件能够正常协同工作的最关键一步，连线过程中，如果顶面布局的线路出现冲突，可以通过打孔的方式“桥接”，将导线连通到下层以绕开冲突区域。在连线过程中，建议同一走向的线路布局在同一面。如连接两个元器件时，当需要横向走线时，只在顶面布置横向线，当线路需要纵向排布时，无论其前方是否有冲突的导线或元器件，一律进行打孔，在底面走纵向线。该种排线方式能够显著提高排线的效率，很大程度上避免布线时出现顶面、底面均“无路可走”的局面。

第四步是铺铜。铺铜是连接GND接地引脚最高效的方式，当除GND之外的所有引脚均连接完毕，在“放置”一栏点击“铺铜区域”，即可命令系统对框选出来的PCB板进行自动铺铜，铺铜时建议在“网络间距规则”设置的“铺铜（copperRegion）”选项内，将连接方式由发散全部修改为直连，如图3.1所示，直连可提高接地线连接的稳定性。若自动铺铜后有部分引脚未接地，可通过放置缝合孔的方式（建议行距列距均设为100mil）连通顶层和底层的铺铜区，同时提高PCB板的载流能力，对于打缝合孔后仍未接地的GND引脚，则需要通过手动引出导线或单独打孔的方式加以连接。需要注意的是，电路板中晶振、天线等布设的位置须设为禁止铺铜区，以减小电磁波对其通讯信号传输的干扰。

(a) GND发散连接	(b) GND直连

图3.1 铺铜连接方式区别示意

2.2 飞控板元器件布局及线路设计

2.2.1 元器件布局

首先进行飞控板元器件的布置，其中MPU6050内置陀螺仪和加速度计是测量无人机飞行姿态的唯一单元，出于测量准确性考虑，该芯片必须位于飞控板正中心位置。2.4G通讯芯片是天空端与地面端通信的重要手段，为了使通讯信号传输不受干扰，将Si24R1芯片及其对应晶振和其他元器件布置于机头板顶的位置，与之引脚相连的天线布置于机头前端，位于板顶且四周禁止铺铜以规避其他电子元器件工作带来的电磁波扰动。激光测高单元对飞机飞行高度的测量，实质上是利用光的反射原理，通过发射940nm的不可见激光并测量反射光返回的时间，实现不受目标颜色和反射率影响的毫米级绝对距离测量，故该单元必须布置于板底。烧录接口、电源及电机插槽用于连接烧录器、锂电池及飞机四周分布的四个空心杯电机，故布置于边缘及四角更方便使用。

(a) 顶层布局	(b) 底层布局

图3.2 无人机飞控板元器件布局

布置元器件旨在确定主要元器件在PCB板上的所在位置，至于电阻电容等辅助元器件，则在接线过程中按照线路简化原则进行精细化调整。

2.2.2 电源管理模块接线设计

在接线阶段，首先进行飞控板电源管理模块的线路连接，如图所示，电源管理芯片及其附属元件位于板底，展示剩余电量的4个LED指示灯以及电源开关按键则置于板顶方便使用。该线路将USB口VCC作为主供电，VBAT与电池插槽相连并输出给四个电机，5V电压输出至降压稳压芯片并由其转换为3.3V供电输出给飞控板上各元件和芯片。

(a) 供电逻辑电路连线	(b) 电源指示灯及开关连线

图3.3 电源管理模块连线

2.2.3 主控芯片接线设计

接下来连接主控芯片最小电路。主控芯片位于板顶偏左侧位置，首先需要为4个接收3.3V供电的引脚分别外接1个电容，接下来将8MHz晶振电路与主控芯片连通，最后将主控芯片的复位引脚NRST与复位按钮相连接。

(a) 电源滤波电路连线	(b) 晶振电路连线	(c) 复位按钮连线

图3.4 主控芯片最小电路接线

2.2.4 陀螺仪-加速度计芯片接线设计

下一步连接MPU6050芯片，该芯片接收3.3V供电，放置于飞控板板顶正中心位置以感知飞行姿态，该芯片SDA、SCL引脚通过I2C通讯协议与主控芯片建立连接，相应的3.3V供电和上拉电阻布置如下。

图3.5 MPU6050与主控芯片连接电路

2.2.5 电池电压测量电路接线设计

接下来连接电池电压测量电路，该电路位于锂电池插座与主控芯片之间，直接由VBAT锂电池供电，随着锂电池电量的消耗与增加电压在3.3V~4.2V范围内变化，而主控芯片仅接收3.3V供电，无法直接测量锂电池电压变化，该电路即通过分压的方式将电池电压转变为芯片能够接收的低电压并进行测量。

图3.6 电池电压测量电路

2.2.6 电机插座接线设计

然后连接位于飞控板板顶四角位置的4个电机插座，共需要连接两个引脚，第一个引脚与MOS管相连，用于接收主控芯片传来的PWM方波信号，另一个引脚与VBAT供电相连，直接由电池给四个电机供电。

(a) PWM信号传输线路	(b) VBAT供电线路

图3.7 电机插座接线连接

2.2.7 激光测高模块接线设计

紧接着连接红外激光测距模块，该模块位于飞控板板底后侧，其接收3.3V供电，并通过三个电容对供电进行滤波，同时在主控芯片与激光测距芯片相连的4个线路之间分别连接一个上拉电阻以满足I2C2通讯协议。

图3.8 红外激光测高线路连接

2.2.8 通信模块接线设计

下一步继续连接2.4G通讯芯片，该芯片接收3.3V供电，外接16MHz晶振，通过RFN引脚连接ANT-1-2.4G天线，并与主控芯片相连。需要强调的是，天线本质上是平铺于PCB板上的铜片，但其各边尺寸均经过专门计算和设计，绘制时必须严格遵照图3.9、表3.1所示尺寸进行铺铜操作；亦可在嘉立创EDA专业版网页端的库中输入“ANT-1-2.4G”搜索相关封装，同时严格检查所选封装中绘制天线的各边尺寸是否与图中一致。

图3.9 ANT-1-2.4G天线尺寸符号

表3.1 ANT-1-2.4G天线尺寸具体值

尺寸符号	具体值
L1	3.94 mm
L2	2.70 mm
L3	5.00 mm
L4	2.64 mm
L5	2.00 mm
L6	4.90 mm
W1	0.90 mm
W2	0.50 mm
D1	0.50 mm
D2	0.30 mm
D3	0.30 mm
D4	0.50 mm
D5	1.40mm
D6	1.70 mm

(a) 外接晶振电路连线
(b) 天线电路连线	(c) 连接主控芯片

图3.10 2.4G通讯模块线路连接

2.2.9 其他元器件接线

最后连接LED灯和烧录接口的线路。LED灯接收3.3V供电，并通过一个保护电阻与主控芯片相连形成回路；烧录接口可通过相连USB口为主板供电，其4个引脚直接与主控芯片引脚连接，可将程序指令烧录入主控芯片。

(a) LED灯电路连线	(b) 烧录接口电路连线

图3.11 其他元器件线路连接

(a) 顶层三维图	(b) 底层三维图

图3.12 飞控板三维示意图

2.3 遥控板元器件布局及线路设计

2.3.1 元器件布局

接下来进行飞控板元器件的布置。根据手动操作习惯，将摇杆、OLED显示屏、LED指示灯、功能按键等元器件均布置于适合操作和查看的遥控器板顶层，为了信号收发的通畅，2.4G通讯芯片Si24R1及与之连接的天线布置于板顶前缘，天线规格型号严格与飞控板上的相同，且天线、晶振所在区域全部禁止铺铜以最大程度减少电磁干扰，电源管理模块、烧录接口以及电源接口则布置于板底层。遥控器PCB板各元器件布局如图3.12所示。

(a) 顶层布局	(b) 底层布局

图3.13 无人机遥控器板元器件布局

2.3.2 电源管理模块接线设计

确定好主要元器件的位置后，即可开始连线。首先对电源管理模块的线路进行连接，与飞控板类似，遥控器板的电源管理模块位于板底，通过烧录接口连接的USB作为主供电，输出VBAT引脚连接电源接口，5V供电引脚则连接降压稳压芯片，将其转化为3.3V稳压并输出全板。

(a) 供电逻辑电路连线	(b) 电源指示灯及开关连线

图3.14 电源管理模块连线

2.3.3 主控芯片接线设计

接下来是主控芯片最小电路的连接。该最小电路见下图，主要包括经过电容滤波的3.3V供电，8MHz外接晶振以及一个连接复位引脚NRST的按钮。

(a) 电源滤波电路连线	(b) 晶振电路连线
(c) 复位按钮连线

图3.15 主控芯片最小电路连线

2.3.4 通信模块接线设计

下一步对2.4G通讯模块相应电路进行连接。通讯芯片由3.3V稳压通过各引脚进行供电；一个引脚连接ANT-1-2.4G型天线，为了在信号传输时与飞控板上的天线匹配，该天线的尺寸与连接方式严格与飞控板相同，可参考图3.8、表3.1自主绘制或采用与飞控板相同的封装；2个引脚外接16MHz晶振； 6个引脚与主控芯片建立连接。

(a) 外接晶振电路连线
(b) 天线电路连线	(c) 连接主控芯片

图3.16 2.4G通信模块电路连接

2.3.5 OLED屏幕接线设计

然后连接OLED屏幕。该屏幕内置SSD1315芯片通过4个引脚接收3.3V供电，并连接2个保护电阻，同时5个引脚通过4线接法连接主控芯片，使得主控芯片能够对屏幕芯片执行写入操作。

图3.17 OLED屏幕芯片引脚线路连接

2.3.6 摇杆按键接线设计

接着对摇杆和按键的线路进行连接。3.3V供电连接到摇杆之前，须先通过5个电容和1个电感进行滤波，并将滤波后的稳定“3V3A”供电连接至摇杆，摇杆再将操作过程中电压量的变化情况通过ADC引脚反馈给主控芯片。按键直接与主控芯片连接，由主控芯片提供3.3V供电，同时串联一个保护电阻并接地。

(a) 摇杆电路连线
(b) 下方按键连线	(c) 上方按键连线

图3.18 摇杆及按键电路连接

2.3.7 其他元器件接线

最后补全烧录接口、电源开关以及电源LED指示灯的接线。烧录接口4个引脚直连主控芯片以执行串口烧录，电源LED灯按照顺序与电源管理芯片直接连接，可展示剩余电量，电源开关线路一边通过一个电阻连接到电源管理芯片，另一边直接连接主控芯片，可人为控制电源的连通或断开，电源开关及指示灯接线见图3.12(b)。

图3.19 烧录接口线路连接

(a) 顶层三维图	(b) 底层三维图

图3.20 遥控器板三维示意图

4 PCB打板

设计的PCB板绘制完成后，在下单打板之前，须进行设计规则检查（Design Rule Check, DRC），可在嘉立创EDA专业版中选择“设计”-“DRC检查”中进行，同时，若想直接在立创商城购买设计电路中出现的所有元器件，还要进行器件标准化的检查，点击画板下方“器件标准化”，系统会自动统计所有用到的元器件，同时与立创商城中的元器件进行匹配，可点击“分配立创编号”结合参数、价格等进行筛选。注意立创商城仅包含大多数通用元件，对于商城中已停售或不包含的元器件，则需要个人另行购买。

下单打板时，必须上传以下3个文件以提供最准确的PCB板设计信息：

1. Gerber制板文件
2. CPL（Component Placement List）坐标文件
3. BOM（Bill of Materials）物料清单

通过在嘉立创EDA专业版中点击“文件”-“导出”，选择“嘉立创PCB下单…”，系统会自动上传上述文件并跳转到嘉立创集团官网，即可在官网上按照个人需求选择电路板工艺、参数以及颜色等信息并下单打板。此外可选SMT（Surface Mount Technology）服务，直接将在立创商城中购买和自行邮寄的所有元器件贴焊在PCB板上，但需额外支付费用。

在选择电路板颜色时，即确定板上油墨的颜色。其中绿色PCB板具有良好的对比度，焊接过程中对眼睛有益，且能很好防止氧化和腐蚀；红色PCB板采用耐高温的红色光敏染料，更适合需要在高温环境中运行的电路；而其他颜色的电路板染料会在阻焊膜中额外添加钴和碳，使用过程中存在短路风险，且钴和碳在高温时易排放有毒气体，在焊接时易被吸入人体。综上所述，推荐以绿色作为飞控和遥控器PCB板的颜色。

3 PCB设计

至此PCB板已经设计并下单完成，在连线的过程中，我终于理解了电路板上那些“九转十八弯”的线路是如何诞生的，当最终画完的那一刻，甚至觉得电路板是设计者以导线和元件为颜料绘制而成的一幅画，而这幅画中所寄托的，是一个飞上天空的梦想。

如果遇到问题或发现错误，欢迎在评论区留言，我们一起摸着石头过河~

附件

1. 飞控制板文件、坐标文件、物料清单

2. 遥控器制板文件、坐标文件、物料清单

(注：其中FJN10K摇杆和SX25Y016000B91T晶振立创商城不包含，需通过淘宝等渠道另行购买)