mBot硬件电路

2016-2-9 14:45:14
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mBot,这款带科技感的、工业级的遥控玩具,它支持积木式电脑编程和Arduino编程,换句话说,它是从Arduino演变而来,由于mBot使用的控制芯片是ATMega328P-AU,与Arduino系统中的UNO相同,故它们在某种程序上,具有相似的功能和接口,下面分别是UNO和mBot的控制电路,可以感受下他们的接口。

       正式进入主题,接下来,分析下mBot的主控板mCore上元器件的电路原理,以方便更加地了解mBot的工作原理,以方便为后续的功能实现,打下一个良好的基础。

1、 ATMega328的最小系统
        常用的最小系统,由时钟电路(晶振电路),复位电路和电源电路组成,如下图所示,其中晶振使用16M的晶振,复位电路低电平有效,5V电压供电,同时将各控制引脚通过网络标号的形式引出,然后再连接到各功能电路模块中,其中的D13/SCK连接了一个Led灯,因为MISO、MOSI和SCK组成了SPI接口,而SCK提供时钟,所以这个Led应该是显示SPI的工作状态。关于芯片ATMega328,可见其数据手册。
2、电源电路
        mBot上的电压可由3种方式提供,如下图所示,一种是USB供电方式(图中的VBUS),这个主要用来调试程序,因为它既可以提供电压,又可以进行通信,如下载程序等;一种是通过电池的形式供电,电池由P1引入,另一种是由DC适配器电源提供,而且当后两种供电时,通过CMOS三极管的作用,只能有一种起作用。

       不管是那种供电方式,最后都由开关S1来控制电压的开断,当S1闭合后,电压输出两路,一路连接到电机的驱动部分进行供电,一路经TP3603芯片转换成5V的电压,为整个系统进行供电。值得一提地是,转换后的5V电压,又经过肖特基二极管和TVS二极管以及电容,进行了进一步的保护,大大增加了系统电压的稳定性,最后通过一个Led灯指示电压的工作状态。
        TP3605是TPMICRO(TapowerSemiconductor Inc.)推出的一款1MHz固定频率CC(恒流)模式的PWM升压型DC-DC变换器。芯片集成了2.1A/200mΩ主开关,单节锂电池供电能够输出5V高达1A的负载电流,最高输出电压可达12V。它内部已经集成了上、下桥 MOS,在外部只需要加输出电感及整流二极管就可以得到输出电压,效率更是高达94%以上。电流模控制提供了快速的瞬态响应和周期性的峰值电流限制能力。TP3605具有过温保护,关断保护,欠压保护,过流保护等保护机制,增添了系统的稳定性,以确保芯片工作的安全性。TP3605转换效率高,可达到94%以上,特别是在关断模式下只需要不到1uA的工作电流,在同等条件下更省电,使得在手持式产品的应用领域获得更长的待机时间。具体其的工作原理,可查看数据手册。
3 、USB&串口电路
        USB的接口电路,如下图所示,首先由USB接口提供5V的电压,由VBUS引入到电源电路中,其次,由USB接口引入的D_N和D_P经CH340芯片,将主控芯片上的TTL串口D0/RXD、D1/TXD转换成USB接口,同时D0/RXD、D1/TXD通过P5与蓝牙模块连接,进行主控芯片与蓝牙、USB与蓝牙的数据通信。另外,蓝牙模块和主控芯片通信P4接口与其电路,共用复位功能。

        CH340 是一个USB 总线的转接芯片,实现USB 转串口、USB 转IrDA 红外或者USB 转打印口。在串口方式下,CH340 提供常用的MODEM联络信号,用于为计算机扩展异步串口,或者将普通的串口设备直接升级到USB 总线;在红外方式下,CH340 外加红外收发器即可构成USB 红外线适配器,实现SIR 红外线通讯。它具有: 全速USB 设备接口,兼容USB V2.0,外围元器件只需要晶体和电容;仿真标准串口,用于升级原串口外围设备,或者通过USB 增加额外串口;计算机端Windows 操作系统下的串口应用程序完全兼容,无需修改;硬件全双工串口,内置收发缓冲区,支持通讯波特率50bps~2Mbps;支持常用的MODEM 联络信号RTS、DTR、DCD、RI、DSR、CTS;通过外加电平转换器件,提供RS232、RS485、RS422 等接口; 支持IrDA 规范SIR 红外线通讯,支持波特率2400bps 到115200bps。具体工作原理,可查看其数据手册。
4 、电机驱动电路
        控制mBot上的两个驱动电路,如下图所示,由控制芯片ATMega328引出的DIR2_D4+、DIR1_D7控制转动的方向,PWM1_D6、PWM2_D5控制转动的速度,这四个引脚分别连接到驱动芯片TB6612上,最后经过TB6612的处理,转换成真正的控制信号M1+、M1-和M2+、M2-经过P2、P3连接到电机上,来控制电路的转动。

        TB6612是东芝半导体公司生产的一款直流电机驱动器件,它具有大电流MOSFET-H桥结构,双通道电路输出,每通道输出最高1.2 A的连续驱动电流,启动峰值电流达2A/3.2 A(连续脉冲/单脉冲),4种电机控制模式:正转/反转/制动/停止,PWM支持频率高达100 kHz,片内低压检测电路与热停机保护电路。由于其基于MOSFET的H桥集成电路,其效率高于晶体管H桥驱动器。相比常用的L298N的热耗性和外围二极管续流电路,它无需外加散热片,外围电路简单,只需外接电源滤波电容 ,就可以直接驱动电机,利于减小系统尺寸。具体工作原理,可查看其数据手册。
5 、板载传感器电路

1)蜂鸣器电路
        该电路是经典的蜂鸣器控制电路,即由开关三极管、续流二极管,限流电阻组成。其中:
蜂鸣器是发声元件,在其两端施加直流电压(有源蜂鸣器)或者方波(无源蜂鸣器)就可以发声,mBot上应该是无源蜂鸣器;又因为蜂鸣器本质上是一个感性元件,其电流不能瞬变,因此必须有一个续流二极管提供续流,否则,在蜂鸣器两端会产生几十伏的尖峰电压,可能损坏三极管,并干扰整个电路系统的其他部分; 三极管起开关作用,其基极的高电平使三极管饱和导通,使蜂鸣器发声,而基极低电平则使三极管关闭,蜂鸣器停止发声。其实再在二极管两端加上一个滤波电容滤除蜂鸣器电流对其他部分的影响,也可以改善电源的交流阻抗,如果可能,最好是再并联一个220uF的电解电容。
2)红外电路
        红外电路由两部分组成,一个是红外发射电路,一个是红外接收电路,如上图所示,由于芯片ATMega328引脚的驱动能力有限,故在发射电路中,使用三极管放大电路来驱动红外发射管的工作。在接收电路中,使用一个上拉电阻,来保证能够接收到高低电平。
3)按键电路
       按键电路非常简单,按下低电平,弹上高电平。
4)RGB三色灯电路
        mBot的RGB三色灯与以往的三色灯不同,它使用了一个集控制电路与发光电路于一体的智能外控LED光源,即WS1812B。主要弄懂在级联时,每经过1个像素点传输,信号减少24bit。
        WS2812B是一个集控制电路与发光电路于一体的智能外控LED光源。其外型与一个5050LED灯珠相同,每个元件即为一个像素点。像素点内部包含了智能数字接口数据锁存信号整形放大驱动电路,还包含有高精度的内部振荡器和可编程定电流控制部分,有效保证了像素点光的颜色高度一致。数据协议采用单线归零码的通讯方式,像素点在上电复位以后,DIN端接受从控制器传输过来的数据,首先送过来的24bit数据被第一个像素点提取后,送到像素点内部的数据锁存器,剩余的数据经过内部整形处理电路整形放大后通过DO端口开始转发输出给下一个级联的像素点,每经过一个像素点的传输,信号减少24bit。像素点采用自动整形转发技术,使得该像素点的级联个数不受信号传送的限制,仅仅受限信号传输速度要求。具体工作原理,可查看其数据手册。
5)光敏传感器电路
        光敏传感器的电路也非常简单,主要理解光敏电阻,随着光照强度的增加,其电阻值会逐渐减小这一特性,反应到电路上,就是光照越强,A6端的电压越大。
6、扩展接口电路
扩展接口电路,如下图所示,
主要有如下几部分:
1)J1、J2、J3、J4主要用来连接扩展电子模块,如J3、J4分别连接mBot试用中的超声波模块和寻迹模块,另外他们还可能连接:陀螺仪模块、数码管模块、电位器模块、操纵杆模块、声音传感器模块、温湿度模块、被动红外模块等;
2)ICSPI应该是用来调试、下载程序用;
3)P6和P7分别引出,留给用户扩展,它们分别为I2C接口,SPI接口,模块接口和数字接口。
7 、蓝牙模块电路
蓝牙模块的电路也非常简单,如下图所示,主要由两部分组成

1)电压部分,由于蓝牙芯片的工作电压是3.3V,故需要将从mCore上引入的5V电压经过XC6206进行电压转换为3.3V
2)串口电平转换部分,需要将从mCore上引入的串口电平转换
XC6206是一款高精度,低功耗,高电压,正电压调整器的芯片,在输出电流的情况下,输入输出压也差很小。它包括一个电流限制电路,一个驱动器三极管,一个高精度参考电压源和一个误差校正电路。该电流限制器的返回电路可为电流限制器和输出引脚提供短路保护。通过激光微调技术,可设定芯片的输出电压的范围是1.2V至5.0V,间隔为0.1V。具体工作原理,可查看其数据手册。
8 结论
         最后得出的结果如下图所示,其中第一列表示芯片上的引脚,第二列表示Uno上的引脚,第三列为Mbot上对应的引脚,第四列是mBot上引用的功能简述。

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1 条回帖
蓝色小星星注册会员2016-12-11 13:42:05
感谢转载,正好测试一下
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