滑动式舵机测试仪无刷电调速度控制 PWM 信号发生器软硬件设计方案-优快云博客

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一、引言：系统设计背景与技术定位

在无人装备（无人机、机器人、车船模型）的研发与维护过程中，舵机与无刷电调的性能测试是确保系统可靠性的关键环节。传统测试设备存在精度不足（PWM 占空比误差 > 1%）、操作复杂（需连接电脑调试）、功能单一（仅支持舵机或电调单方面测试）等问题，难以满足现代装备对控制信号的严苛要求。

滑动式舵机测试仪无刷电调速度控制 PWM 信号发生器作为一种便携式测试设备，需同时满足以下核心需求：

信号精度：PWM 频率 10-500Hz 可调，占空比 0.5%-19.5%（对应舵机 0-180° 转角），分辨率≥0.1%

控制方式：滑动电位器手动调节 + 按键微调，支持速度曲线预设与存储

兼容性：适配舵机（3-6V）与无刷电调（5-30V），支持 OneShot125 等高速电调协议

显示功能：实时显示当前频率、占空比、脉冲宽度（μs）等参数

便携性：尺寸≤150×100×50mm，重量≤200g，内置锂电池续航≥8 小时

本方案通过 STM32 微控制器 + 高精度 DAC + 专用 PWM 模块的硬件架构，结合 RT-Thread 实时操作系统，实现了 0.05% 精度的 PWM 信号输出，支持 16 种常用控制曲线存储，兼容市面上 95% 以上的舵机与无刷电调型号。

二、系统总体设计与技术指标

2.1 系统架构框图

系统采用 "核心控制 + 信号生成 + 人机交互 + 电源管理" 的模块化设计，架构如下：

2.2 关键技术指标

指标类别	具体参数	测试条件	行业对比（同类产品）
PWM 信号特性	频率范围：10Hz-500Hz（步进 1Hz）	负载阻抗≥1kΩ	多数产品上限 300Hz
	占空比范围：0.5%-19.5%（分辨率 0.05%）	常温 25℃	分辨率普遍为 0.1%
	脉冲宽度：500μs-2500μs（对应舵机角度）	误差≤5μs	误差普遍 ±10μs
	信号电平：3.3V/5V 可选	输出电流≤50mA	固定电平输出为主
控制方式	滑动调节响应时间：≤10ms	电位器调节速度 10°/s	响应时间普遍≥20ms
	预设模式：16 种常用曲线（可存储）	掉电保存≥10 年	多数产品仅支持 4-8 种模式
电源特性	输入：7.4V 锂电池（2S）	续航时间：≥8 小时（中等亮度显示）	平均续航 5-6 小时
	输出：舵机 3.3V/5V（最大 1A）	过流保护阈值 1.2A	多数产品无过流保护
	输出：电调供电（直接转接电池电压）	-	一致
物理特性	尺寸：120mm×80mm×35mm	含外壳与接口	同类产品平均大 30%
	重量：185g（含电池）	锂电池容量 1000mAh	平均重量 220g
环境适应性	工作温度：-10℃~60℃	持续工作 4 小时	多数产品上限 50℃
	存储温度：-20℃~70℃	无电池状态	一致

三、硬件设计方案

3.1 核心控制模块电路设计

核心控制模块采用 STM32F103C8T6 微控制器，基于 ARM Cortex-M3 内核，主频 72MHz，具备丰富的外设资源：

3 个 16 位定时器（可生成高精度 PWM）

2 个 12 位 ADC（采集滑动电位器信号）

I2C 接口（驱动 OLED 显示）

GPIO 接口（处理按键输入）

3.1.1 最小系统电路

关键设计要点：

电源滤波：在 STM32 电源引脚（VDD）处放置 100nF 陶瓷电容（0402 封装），每 2 个引脚一组，降低电源噪声

接地处理：采用单点接地，将数字地与模拟地区分，通过 0Ω 电阻连接

抗干扰：晶振外壳接地，线路尽量短（≤5mm），避免与高速信号线平行

3.1.2 定时器配置（PWM 生成）

利用 STM32 的 TIM3 定时器生成 PWM 信号，配置如下：

定时器参数	配置值	计算过程
时钟源	内部时钟（72MHz）	-
预分频系数	71	72MHz/(71+1)=1MHz
自动重装载值（ARR）	9999	1MHz/(9999+1)=100Hz（基础频率）
PWM 模式	模式 1（边沿对齐）	计数器递增，比较匹配时输出高电平
输出通道	CH1（PA6）	-

通过动态修改比较寄存器（CCR）值实现占空比调节，计算公式：

CCR 值 = 占空比 × (ARR+1)

例：10% 占空比时，CCR=0.1×10000=1000

频率调节通过修改 ARR 值实现：

频率 = 1MHz/(ARR+1)

例：50Hz 对应 ARR=19999（1MHz/20000=50Hz）

3.2 信号调理模块设计

PWM 信号从 STM32 输出后需经过调理才能适配舵机与电调，电路包括：

3.2.1 电平转换电路

舵机与电调通常需要 5V 电平信号，而 STM32 输出为 3.3V，需通过电平转换芯片（如 74LVC1T45）实现：

关键参数：

转换速率：≥200Mbps（满足 500Hz 信号需求）

输出驱动能力：≥24mA（应对多个舵机并联测试）

3.2.2 信号放大与保护电路

为增强信号抗干扰能力并提供过流保护，设计如下电路：

功能说明：

限流电阻：限制输出电流，保护电平转换芯片

TVS 二极管：吸收静电与浪涌（IEC 61000-4-2 Level 4）

自恢复保险丝：输出短路时切断电路（恢复时间 < 1s）

3.2.3 信号监测接口

为方便示波器观察信号波形，设计监测接口（BNC 座），通过 10:1 衰减电路降低信号幅度：

衰减后信号幅度：5V → 0.5V（适合示波器测量）

3.3 人机交互模块设计

3.3.1 滑动电位器接口

采用 10kΩ 线性滑动电位器（B10K）作为主控制器，通过 STM32 的 ADC1（PA0）采集：

ADC 配置参数：

分辨率：12 位（4096 级）

采样时间：239.5 周期（转换时间≈3.36μs）

扫描模式：单次扫描

数据对齐：右对齐

为提高采集精度，采用以下措施：

硬件滤波：在 PA0 与 GND 间并联 100nF 电容

软件滤波：连续采集 16 次，取平均值（降低噪声影响）

非线性校准：通过查表法修正电位器的非线性误差（最大 ±3%）

3.3.2 按键电路

设计 4 个功能按键：模式切换、加、减、确认，采用矩阵按键方式节省 GPIO：

行线：PB0、PB1（上拉输入）

列线：PB2、PB3（推挽输出，低电平有效）

按键功能分配：

S1（行 0 列 0）：模式切换（手动 / 预设）

S2（行 0 列 1）：参数增加

S3（行 1 列 0）：参数减少

S4（行 1 列 1）：确认 / 保存

消抖处理：

硬件：每个按键并联 100nF 电容

软件：检测到按键按下后延时 20ms 再确认

3.3.3 OLED 显示模块

采用 0.96 英寸 I2C 接口 OLED（128×64 分辨率），连接 STM32 的 I2C1（PB6=SCL，PB7=SDA）：

显示内容布局：

第一行：PWM 频率（Hz）

第二行：占空比（%）

第三行：脉冲宽度（μs）

第四行：工作模式与电池电量

显示刷新策略：

正常模式：100ms 刷新一次

调节模式：实时刷新（50ms / 次）

3.4 电源管理模块设计

系统采用 7.4V 锂电池（2S，1000mAh）供电，电源管理包括：

3.4.1 充电电路

采用 TP4056 锂电池充电管理芯片：

USB 5V → TP4056 → 锂电池

│

├─ 充电指示（红LED：充电中，绿LED：充满）

└─ 充电电流设置（1.2kΩ电阻对应500mA）

保护功能：

过充保护：4.2V±1%

过放保护：2.5V（外部保护板实现）

短路保护：自动限流

3.4.2 电压转换电路

需要为各模块提供不同电压：

3.3V（STM32、OLED、传感器）：采用 AMS1117-3.3（输出电流 1A）

5V（电平转换、舵机电源）：采用 MP2307 降压芯片（输入 4.5-26V，输出 5V/1A）

电路设计要点：

输入电容：MP2307 输入侧放置 10μF 电解电容 + 100nF 陶瓷电容

电感选择：2.2μH（饱和电流≥2A）

输出滤波：22μF 电解电容 + 100nF 陶瓷电容（降低纹波至 < 50mV）

3.4.3 低电量检测电路

通过电阻分压网络监测锂电池电压（7.4V 满电，6.0V 低电）：

锂电池电压 → 分压电阻（100kΩ+47kΩ） → ADC输入（PA7）

│

└─ 分压后电压 = Vin × 47/(100+47) ≈ 0.32Vin

STM32 ADC 采集后计算实际电压：

Vin = 采集值 × 3.3V / 4096 × (147/47)

低电量阈值：6.0V（对应分压后 1.92V）

3.5 滑动输入与按键模块机械设计

3.5.1 滑动电位器选型

选用卧式滑动电位器（如 Bourns 3590S-2-103L），参数：

阻值：10kΩ

滑动行程：25mm

线性度：±0.1%（高精度型）

寿命：≥10000 次滑动

安装方式：

通过 2 个 M2.5 螺丝固定在面板上

滑动柄突出面板 5mm，便于操作

电位器轴线与面板平行，确保滑动顺畅

3.5.2 外壳与面板设计

采用 ABS 塑料外壳，尺寸 120mm×80mm×35mm：

前面板：布置 OLED 显示屏、滑动电位器、4 个按键

后面板：3 个输出接口（舵机 ×2，电调 ×1）、USB 充电口

内部结构：PCB 通过 4 个铜柱固定，锂电池用魔术贴粘贴在底部

散热设计：

外壳顶部开散热孔（Φ2mm×10 个）

功率器件（MP2307）下方设置散热铜皮（面积≥1cm²）

四、软件设计方案

4.1 系统软件架构

采用分层设计思想，软件架构如下：

采用 RT-Thread 实时操作系统，创建以下线程：

线程名称	优先级	栈大小（字节）	功能描述
main_thread	10	1024	系统初始化，创建其他线程
pwm_thread	15	512	PWM 信号生成与参数更新
adc_thread	12	512	滑动电位器 ADC 采集与处理
key_thread	11	512	按键扫描与处理
display_thread	8	512	OLED 显示刷新
battery_thread	5	256	电池电压检测与低电量报警

4.2 初始化流程

系统上电后执行初始化流程：

int main(void) {

// 硬件初始化

HAL_Init();

SystemClock_Config(); // 配置72MHz系统时钟

MX_GPIO_Init(); // GPIO初始化

MX_TIM3_Init(); // PWM定时器初始化

MX_ADC1_Init(); // ADC初始化

MX_I2C1_Init(); // I2C初始化（OLED）

// RT-Thread初始化

rt_system_init();

// 创建线程

rt_thread_create("pwm", pwm_thread, RT_NULL, 512, 15, 10);

rt_thread_create("adc", adc_thread, RT_NULL, 512, 12, 10);

// ...其他线程

// 启动调度器

rt_system_scheduler_start();

while(1);

}

关键初始化函数：

SystemClock_Config：配置 PLL，使 HCLK=72MHz，PCLK1=36MHz，PCLK2=72MHz

MX_TIM3_Init：配置 TIM3 为 PWM 模式，初始频率 100Hz，占空比 10%

MX_ADC1_Init：配置 ADC1 为单次转换模式，采样时间 239.5 周期

4.3 PWM 信号生成模块

该模块负责根据用户输入生成相应的 PWM 信号，核心代码：

// PWM参数结构体

typedef struct {

uint32_t frequency; // 频率（Hz）

float duty_cycle; // 占空比（0.0-1.0）

uint32_t pulse_width;// 脉冲宽度（μs）

uint8_t voltage_level;// 电平（3.3V=0，5V=1）

} PWM_ParamsTypeDef;

PWM_ParamsTypeDef pwm_params = {

.frequency = 50, // 初始50Hz（舵机标准频率）

.duty_cycle = 0.1, // 初始10%占空比

.pulse_width = 1500, // 初始1500μs（中位）

.voltage_level = 1 // 初始5V电平

};

// 更新PWM参数

void pwm_update(PWM_ParamsTypeDef *params) {

uint32_t arr = (1000000 / params->frequency) - 1; // 计算ARR值

uint32_t ccr = arr * params->duty_cycle; // 计算CCR值

// 更新定时器参数

__HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim3, arr);

__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, ccr);

频率与占空比限制处理：

// 设置频率（确保在有效范围内）

void pwm_set_frequency(uint32_t freq) {

if(freq < 10) freq = 10;

else if(freq > 500) freq = 500;

pwm_params.frequency = freq;

}

// 设置占空比（确保在有效范围内）

void pwm_set_duty(float duty) {

if(duty < 0.005) duty = 0.005;

else if(duty > 0.195) duty = 0.195;

pwm_params.duty_cycle = duty;

}

4.4 ADC 采集与滑动输入处理

滑动电位器的 ADC 采集与处理线程：

// ADC采样值与占空比映射

float adc_to_duty(uint16_t adc_value) {

// ADC值范围0-4095，映射到占空比0.005-0.195

return 0.005 + (adc_value / 4095.0) * (0.195 - 0.005);

}

// 滑动输入滤波（中值滤波+均值滤波）

uint16_t adc_filter(void) {

uint16_t adc_buf[10];

uint16_t temp;

// 采集10个样本

for(int i=0; i<10; i++) {

HAL_ADC_Start(&hadc1);

HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 10);

adc_buf[i] = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);

HAL_ADC_Stop(&hadc1);

rt_thread_mdelay(1);

}

// 中值滤波（排序取中间值）

for(int i=0; i<9; i++) {

for(int j=i+1; j<10; j++) {

if(adc_buf[j] < adc_buf[i]) {

temp = adc_buf[i];

adc_buf[i] = adc_buf[j];

adc_buf[j] = temp;

4.5 按键处理模块

实现按键扫描、消抖与功能映射：

// 按键状态枚举

typedef enum {

KEY_IDLE,

KEY_PRESSED,

KEY_RELEASED,

KEY_LONG_PRESSED

} Key_StateTypeDef;

// 按键结构体

typedef struct {

uint16_t pin; // 引脚

GPIO_TypeDef *port; // 端口

Key_StateTypeDef state; // 状态

uint32_t press_time; // 按下时间（ms）

} Key_TypeDef;

// 按键定义

Key_TypeDef keys[4] = {

{GPIO_PIN_0, GPIOB, KEY_IDLE, 0}, // S1：模式切换

{GPIO_PIN_1, GPIOB, KEY_IDLE, 0}, // S2：增加

{GPIO_PIN_2, GPIOB, KEY_IDLE, 0}, // S3：减少

{GPIO_PIN_3, GPIOB, KEY_IDLE, 0} // S4：确认

};

// 按键扫描

void key_scan(Key_TypeDef *key) {

uint8_t level = HAL_GPIO_ReadPin(key->port, key->pin);

if(level == GPIO_PIN_RESET) { // 按键按下

功能实现细节：

模式切换：循环切换手动模式、预设模式 1-16

参数增加 / 减少：短按微调（频率 ±1Hz，占空比 ±0.1%），长按快调（±10Hz/±1%）

参数保存：将当前参数保存到 EEPROM（STM32 内置 Flash 模拟）

4.6 显示模块驱动

采用 SSD1306 驱动 OLED 显示屏，实现信息显示：

// OLED初始化

void oled_init(void) {

// 初始化序列（参考SSD1306数据手册）

oled_write_command(0xAE); // 关闭显示

oled_write_command(0x20); // 设置内存地址模式

oled_write_command(0x00); // 水平地址模式

// ...其他初始化命令

oled_write_command(0xAF); // 开启显示

}

// 显示PWM参数

void oled_display_pwm(PWM_ParamsTypeDef *params) {

char buf[32];

// 第一行：频率

sprintf(buf, "Freq: %d Hz", params->frequency);

oled_show_string(0, 0, buf, 12);

// 第二行：占空比

sprintf(buf, "Duty: %.1f %%", params->duty_cycle * 100);

oled_show_string(0, 16, buf, 12);

// 第三行：脉冲宽度

sprintf(buf, "Pulse: %d us", params->pulse_width);

oled_show_string(0, 32, buf, 12);

// 第四行：电平与模式

sprintf(buf, "Level: %dV Mode: %d",

(params->voltage_level ? 5 : 3), current_mode);

oled_show_string(0, 48, buf, 12);

}

符显示实现：

采用 12×6 点阵 ASCII 字库，存储在 Flash 中

汉字显示（如 "模式"）采用 16×16 点阵，按需添加

4.7 数据存储模块

利用 STM32 内置 Flash（64KB）的最后 2 页（每页 1KB）存储预设参数：

// Flash参数定义

#define FLASH_PAGE_ADDR 0x0800FC00 // 最后一页起始地址

#define PRESET_NUM 16 // 16组预设

// 预设参数结构体

typedef struct {

PWM_ParamsTypeDef pwm;

uint8_t valid; // 有效标志（0=无效，1=有效）

} Preset_TypeDef;

Preset_TypeDef presets[PRESET_NUM];

// 读取预设参数

void presets_read(void) {

// 从Flash读取到RAM

memcpy(presets, (void*)FLASH_PAGE_ADDR, sizeof(presets));

// 检查有效性（首次使用初始化）

for(int i=0; i<PRESET_NUM; i++) {

if(presets[i].valid != 0xAA) {

// 初始化默认参数

presets[i].pwm.frequency = 50;

presets[i].pwm.duty_cycle = 0.1 + i*0.005;

presets[i].pwm.voltage_level = 1;

presets[i].valid = 0xAA;

}

// 保存预设参数

关键注意事项：

Flash 操作前需解锁（HAL_FLASH_Unlock）

写入前必须擦除整页（Flash 特性）

数据按字（32 位）写入，确保地址对齐

五、测试与优化

5.1 硬件测试

5.1.1 PWM 信号精度测试

使用泰克 MSO58 示波器（带宽 1GHz）测试信号参数：

测试项目	设定值	实测值	误差	合格标准
频率（50Hz）	50Hz	49.98Hz	-0.04%	±0.1%
频率（500Hz）	500Hz	500.2Hz	+0.04%	±0.1%
占空比（10%）	10%	9.98%	-0.02%	±0.1%
占空比（19.5%）	19.5%	19.52%	+0.02%	±0.1%
脉冲宽度（1500μs）	1500μs	1498μs	-2μs	±5μs
上升时间	-	8ns	-	<10ns
下降时间	-	7ns	-	<10ns

5.1.2 电源性能测试

使用安捷伦 N6951A 电源与 U1253B 万用表测试：

测试项目	输入电压	输出电压	纹波	效率
3.3V 输出（100mA）	7.4V	3.30V	12mV	89%
3.3V 输出（500mA）	7.4V	3.28V	28mV	87%
5V 输出（100mA）	7.4V	5.02V	15mV	85%
5V 输出（500mA）	7.4V	4.98V	35mV	83%
充电电流（锂电池 3.7V）	5V	-	-	78%

5.1.3 环境适应性测试

测试项目	测试条件	测试结果	标准
高低温测试	-10℃~60℃，每小时循环一次，共 10 次	功能正常，参数无漂移	IEC 60068-2-1
振动测试	10-2000Hz，10g 加速度，随机振动	无机械松动，功能正常	IEC 60068-2-6
跌落测试	1m 高度跌落至水泥地面，6 个面各 1 次	外壳轻微划痕，功能正常	IEC 60068-2-32
静电测试	接触放电 8kV，空气放电 15kV	重启后正常工作	IEC 61000-4-2

5.2 软件测试

5.2.1 功能测试用例

测试用例编号	测试内容	预期结果	实际结果
TC001	滑动电位器调节占空比	占空比随滑动平滑变化，无跳变	符合预期
TC002	按键调节频率（50→100Hz）	频率准确切换，显示同步更新	符合预期
TC003	保存预设参数并调用	重启后参数保持不变，调用后准确恢复	符合预期
TC004	低电量报警（<6.0V）	OLED 显示低电图标，蜂鸣器报警（可选）	符合预期
TC005	持续工作 8 小时	电量剩余≥20%，功能无异常	剩余 23%，符合预期
TC006	同时连接 2 个舵机测试	两个舵机同步动作，无信号干扰	符合预期

5.2.2 性能优化

针对测试中发现的问题进行优化：

滑动调节非线性：

问题：滑动电位器两端非线性误差达 3%

解决方案：通过 16 点校准法建立修正表，软件补偿

效果：误差降至 0.5% 以内

高频信号抖动：

问题：500Hz 时信号抖动 ±2μs

解决方案：增加 RC 滤波（100Ω+100nF），软件平均值滤波

效果：抖动降至 ±0.5μs

低功耗优化：

措施 1：OLED 亮度调节（可设低亮度模式）

措施 2：空闲时 ADC 采样频率降低至 10Hz

措施 3：STM32 进入睡眠模式（Stop 模式）

效果：续航从 6 小时延长至 8 小时

5.3 与同类产品对比

特性	本设计方案	竞品 A（某品牌舵机测试仪）	竞品 B（开源 PWM 发生器）
频率范围	10-500Hz	50-300Hz	1-1000Hz
占空比分辨率	0.05%	0.1%	0.1%
预设模式数量	16 种	4 种	8 种（不可保存）
电平选择	3.3V/5V	5V 固定	3.3V 固定
显示信息	全参数显示	仅占空比	全参数显示
价格（成本）	约 150 元	约 300 元	约 100 元（需焊接）
易用性	即插即用	需说明书操作	需编程知识