1.36kg格斗机器人建造日志(2) ——硬件电路

须弥芥子，安得不畏？

思索良久，还是决定单独做一块1.36专用的主控板。主要现在的1.36车上几乎见不到有刷和舵机了，完全没有必要保留对应的接口；同时，1.36最低也得3s电池，一般4s的居多。因此，原来想用一块板子兼容220和1.36的想法是完全没有必要的。如此，主控板的结构反而简单许多。主控采用AT32 qfn封装的单片机，可以节省不少地方。这个qfn比较坑的一点是，引脚的gnd和底部中央焊盘在内部没有短接，因此中央大焊盘必须也焊上。 要不然的话，芯片功能可能还是可以正常运行的，但参考电压肯定就不对了，实际测量引脚输出的低电平有0.6v。所以这玩意没有热风枪还挺难搞的。功能模块方面，能引出的定时器接口全部引出，两个串口，用于连通信模块或者接收机；陀螺仪传统艺能；最主要的是个dc dc模块。。这也是比较容易出问题的地方。

考虑到整块板子上的功率和尺寸限制，采用了ti的一款TPS54202 dcdc buck芯片。

1 Features • 4.5-V to 28-V wide input voltage range • Integrated
148-mΩ and 78-mΩ MOSFETs for 2-A, continuous output current • Low 2-μA
shutdown, 45-μA quiescent current • Internal 5-mS soft start • Fixed
500-kHz switching frequency • Frequency spread spectrum to reduce EMI
• Advanced Eco-mode™ pulse skip • Peak current mode control • Internal
loop compensation • Overcurrent protection for both MOSFETs with
hiccup mode protection • Overvoltage protection • Thermal shutdown •
SOT-23 (6) package

最高可以28v输入，足够兼容6s电池；2A的输出也足够板子上用了。最重要的是sot 23-6的封装足够小，这对机器人应用来说是非常重要的。参照手册搭出原理图
C42是boot电容，按手册上的选100nF的，功率电感选用15uH；enable脚内部自带上拉，不需要接，悬空即可；FB管脚的参考电压是0.596V。输出5V电压，反馈电阻选择合适比例即可。

原理图和普通buck芯片大差不差。PCB布局的时候有地方要注意的。之前也从没注意过，于是踩了不少坑。
第一个问题是这个buck电路只要带上稍大点的负载，电感就会啸叫。找了相关资料才知道**，应该是电感磁场在PCB铺铜中产生了感应电流，引起震动，振动的频率落在听觉范围内，于是就听到了声音。**因此看到有资料说，电感下面不能铺铜，需要挖空的。这一点我记得很久之前看到过，然而在各种设计中却从没当回事，看来还是需要注意的。
还一个问题是，不知道为什么输出来的电压总是各种不稳定，连着烧了后面挂着的好几个板子。烧掉也就一瞬间的事，只能推测原因。一方面分电板所有的输出全都短在一起，相当于只有一条经过螺丝开关的通路，于是在螺丝开关旋紧的过程中，可能会出现输出接口上面的电压波动。在这种波动之下，芯片可能瞬间无法正常工作。再一个，sw脚到电感的那根线，我最一开始的时候画错了，把他从芯片和电感下面绕了一下。这个线是很敏感的，我又画的比较细，当收到干扰的时候，也可能会因正反馈导致整个系统瞬间失效。
于是针对以上两点，改了一下设计。sw线按手册上说的从板子背面走，避开电感；然后分电板的控制电路供电独立开来，单独走一个开关。这么改完之后，至少没再烧过器件了。

还有个小电路，用来实现远距离反射式红外光电开关传感器。参考project liftoff做的周围环境检测功能，通过固定在车身上随着车身旋转的反射式红外光电开关，达到类似激光雷达的效果，但是不能像激光雷达一样精确检测到周围障碍物的距离，只能检测到一定距离内有没有东西。这样子基本上就够了。毕竟融脑要做的其实就两件事，远离墙边+起转。
红外光电开关需要一个发射头和一个接收头。发射头一般是红外二极管。这种二极管功率本身有限。他一般是用来发射脉冲方波而不是连续信号的。接收头用红外二极管或者红外三极管。
需要红外光电管的检测距离30cm以上，且需要在室外强光下能用；最好检测距离还要可调。因为比赛有可能在室外，且仓内环境不固定。市面上普通的用来做巡线小车的那种光电管完全不行。一个是检测距离太短，完全理想的条件下检测距离也就5-8cm。这距离都不到刀的长度。另外，虽然成品光电管模块上带比较器，可以一定程度上调节检测阈值，但是要想追求距离，就必须把阈值放的足够低。实际试下来当阈值低到一定程度后，它甚至可以被太阳里的红外线触发，甚至还是在阴天的时候。这么敏感肯定没法用的。
网上也有成品的远距离红外光电开关。用的是38kHz的红外接收头。这种接收头就对环境光有很强的抗干扰了，且灵敏度极高，距离可以到几十米远。但是有个严重问题，就是这种接收头分为脉冲型和电平型两种。现在用的一般用的是脉冲型电容耦合，只能接收间断的信号。意思就是，如果有连续的38kHz红外光照上去，他只能输出1个脉冲，不能输出连续信号。某宝上买的所谓连续码接收头全是假的，翻遍全网才找到一家真电平型的，买来一看真能用。
但这就带来另一个问题，我希望可以通过单片机dac而不是其他机械方式，来实时调节检测距离。接收端的接收功率固定了，只能从发射端考虑。发射端的红外二极管发射的本身就是38kHz的脉冲信号，也没法用传统的pwm方式来调节发射功率。只能采用改变电源端模拟电压的方式。考虑到红外管的发射功率，也很难直接用单片机dac作为红外管的电源。所以需要自己搭一个电流放大的电路，很简单的一个思路就是射级跟随器。

5V电源，单片机的dac从三极管的基极输入，npn管的发射极就是电源输出。这个发射极输出的电压将会保持比基极输入的控制信号低0.7v的二极管压降。多余的电压会在三极管上发热。这其实就是一个最简单的ldo。固定输出电压的ldo，基极的控制信号将会来自一个基准电压源，输出部分还会加反馈电路。但我这里显然不需要这么精确，能实现调节红外管的模拟电压就可以了。