普冉PY32系列(十) 基於PY32F002A的6+1通道遙控小車I - 綜述篇

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本篇介紹一個基於 PY32F002A 和 XL2400 的低成本無線遙控實現. 7通道是指6個模擬通道加一個開關通道, 模擬通道受PY32F002A的PIN腳限制, 全部用上可以做到8個, 因為我想保留SWD口, 所以只做了6個. 普通應用只需要雙搖桿加兩個雙調節, 基本夠用了. 第七個通道是一組開... ...

基於PY32F002A的6+1通道遙控小車I - 綜述篇

以下介紹基於 PY32F002A 和 XL2400 的低成本無線遙控實現. 因為內容較多, 分三篇說明.

實物圖

先放上最終的實物

遙控器

遙控器包含兩個十字電位器, 兩個旋鈕電位器, 六個輕觸開關和兩個滑動開關, 顯示部分為12864LCD.
兩個十字電位器, 兩個旋鈕電位器組成了六個模擬通道. 模擬通道數量受PY32F002A的PIN腳限制, 全部用上可以做到八個, 因為我想保留SWD口, 所以只做了六個. 普通應用只需要雙搖桿加兩個雙調節, 基本夠用了.
第七個通道是一組開關量, 六個輕觸開關和兩個滑動開關共8個bit, 是通過74HC165擴展實現的, 當前的設計只用了一片74HC165, 採集8個開關信號, 通過串聯更多的74HC165可以擴展到16個或24個開關信號.
無線模塊是可插拔設計, 便於替換XL2400和XN297LBW, 以及測試不同天線的性能

驅動器

中間9個通道為高速IO通道, 直接關聯到PY32F002A的PIN腳, 這些PIN都關聯到TIM1或TIM3(看下麵的PIN分配表), 可以設置為原生PWM輸出
兩側的8PIN排針一共16個通道為擴展IO通道, 使用74HC595擴展產生, 可以輸出開關量或低速PWM
當前的小車的電機控制僅用到擴展IO
無線模塊是可插拔設計
驅動端可以控制的通道並不受6+1限制, 驅動器並不局限於驅動小車, 9路高速IO加16路擴展IO可以驅動很多設備
模塊的螺絲孔位是針對這種小車底盤設計的, 但是只能上一邊, 不能全上

設計目標

看完實物, 回到最初的設計思路. 因為是從零開始, 在這一階段設計中為快速驗證, 先確定結構, 避免複雜設計, 只考慮數顯和單向傳輸, 不考慮回傳數據.

無線控制端

雙十字搖桿加雙調節, 需要至少共6個模擬通道
2+6或4+4開關按鍵, 共8個開關信號
LCD屏顯

電機驅動端

至少8個高速IO通道, 支持原生PWM信號輸出
16個低速IO通道, 支持開關信號輸出, 或模擬PWM信號輸出

硬體部分

主要組件

硬體選型

MCU: PY32F002A TSSOP20
2.4GHz: XL2400 or XN297LBW
IO Ext: 74HC165, 74HC595
LCD: ST7567 12864
Motor Driver: YX-1818

PIN分配

控制板

為保持調試的便利, 保留SWD口PA13, PA14作為SWD, SWC使用, 在開發中使用JLink RTT輸出日誌. JLink RTT日誌輸出可以參考這篇使用JLink RTT代替串口輸出日誌.
將NRST口復用為IO, 屏蔽RST功能, 參考 SOP8,SOP10,SOP16封裝的PY32F002A/PY32F003管腳復用
使用ST7567是因為正好手裡有不少1寸的ST7567LCD屏, 而且能和XL2400復用SPI口(其實也就復用了兩個PIN), 可以換成I2C介面的SD1306.
XL2400使用了硬體方式的SPI通信, 具體可以看前一篇GPIO模擬和硬體SPI方式驅動無線收發晶元XL2400
ST7567和XL2400合用一個硬體SPI口, 通信時使用PB2和PB3進行選擇
模擬信號的輸入使用 PA0, PA1, PA2, PA3, PA4, PA5 這六個ADC通道
開關信號的輸入使用一片74HC165進行轉換, 理論上可以級聯2~3片, 每片能擴充出8個開關信號

具體的PIN分配如下

		ST7567	XL2400	搖桿1	搖桿2	調節1	調節2	74HC165
PA0				X
PA1				x
PA2					X
PA3					X
PA4						X
PA5							X
PA6								CLK
PA7								QH
PA13	SWD
PA14	SWC
PB0		RESET
PB1		DC/AO
PB2			CSN
PB3		CSN/CE
PF0		SCK	SCK
PF1			DATA
PF2	NRST	MOSI	DATA
PF4/PB6	BOOT0							SH/LD

驅動板

保留SWD口PA13, PA14作為SWD, SWC
將NRST口復用為IO, 屏蔽RST功能
ST7567和XL2400合用一個硬體SPI口, 通信時使用PB2和PB3進行選擇
一共9個高速IO輸出通道, 都有對應的時鐘, 可以產生PWM信號. 使用PIN腳: PA0, PA1, PA2, PA3, PA6, PA7, PB0, PB1, PB3
使用兩片74HC595作為IO輸出擴展, 產生16個低速IO輸出通道

具體的PIN分配如下

		XL2400	原生PWM	74HC595
PA0			TIM1_3
PA1			TIM1_4
PA2			TIM3_1
PA3			TIM1_1
PA4				SER/DS
PA5				SRCLK/SHCP
PA6			TIM3_1
PA7			TIM3_2
PA13	SWD
PA14	SWC
PB0			TIM3_3
PB1			TIM3_4
PB2		CSN
PB3			TIM1_2
PF0		SCK
PF1		DATA
PF2	NRST	DATA
PF4/PB6	BOOT0			RCLK/STCP

電路原理圖

遙控器

遙控器使用了一片PY32F002A TSSOP20和一片74HC165D SOP16,
手柄輸入使用的是兩個16x16的搖桿電位器. 搖桿電位器有13x13和16x16兩種尺寸, 如果需要使用13x13可以自行更換.
電源部分使用的是一節18650. 除了XL2400耐壓為3.6V以外, PY32F002A和其它元件都可以工作在5V, 因為滿電電壓會超過4V, 為了防止損壞XL2400, 這裡使用一顆二極體做簡單降壓兼反接保護. 經實測驗證 XL2400 可以工作在 3.8V.
如果需要嚴格意義上的3.3V輸入, 可以替換成低壓降的XC6206P332MR.
微動開關都加了上拉電阻
兩側搖桿電位器的開關和對應最外側的開關相通, 按壓等效
遙控面板不包含無線模塊

驅動控制

驅動端使用的是一片 PY32F002A TSSOP20 和兩片 74HC595D SOP16
PY32F002A 和 74HC595D 供電由一片AMS1117提供, 工作在3.3V. 因此電源輸入不能低於4V, 不能使用單節18650
電機供電部分與電源輸入直通. 為避免複雜度, 電路中未內建DC-DC轉換, 如果電機/舵機需要5V或6V的準確電壓, 需要外接DC-DC模塊供電
電源部分有一個1A的自恢復保險
控制板不包含無線模塊, 不包含電機驅動

電機驅動

電機驅動使用的是 YX-1818, 支持兩組有刷直流電機, 外圍元件簡單, 也可以採用成品的 MX1616 驅動模塊或者L9110, L298等. 驅動玩具DC電機只需要幾百毫安, 選擇哪種都可以.

無線模塊

無線部分使用的是 XL2400, 也可以換成XN297LBW, 這兩個晶元的電路是相容的. 具體可以參考GPIO模擬和硬體SPI方式驅動無線收發晶元XL2400, 這裡的電路一樣但是PCB部分做了改進, 占用尺寸更小. 註意模塊的PIN腳和遙控器, 驅動板的排針孔位是對應的, 如果買成品的XN297LBW模塊, 需要自行修改PIN腳順序.

PCB

在一塊 10cm x 10cm 的 PCB 上集中了上面提到的所有模塊, 可以在嘉立創上一次列印, 但是需要自行分割. PCB上包含的內容

遙控面板 * 1
驅動控制板 * 1
電機驅動 * 2
無線模塊 * 3

正面

反面

參考

PY32F002A+Ci24R1遙控器
在立創開源廣場搜到的一個同類設計, 參考了部分元件選擇(例如YX-1818驅動).

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