i.MX RT飞行学习板--小飞机有“硬”实力

NXP管管

i.MX RT飞行学习板，1核控制4电机的单芯片无人机，内嵌飞控算法，搭载125轴距的碳纤维机架和1104无刷电机。


飞行学习板体态轻盈，动力十足，这小身板，有硬实力！


1概述


前段时间我们推出的一篇文章《i.MX RT飞行学习板--没错，真的可以飞！》引起了大家的广泛关注，同时NXP官方公众号也同步推出的《一颗MCU搞定无人机的电机驱动+飞控算法》一文中，着重介绍了ZLG的i.MX RT飞行学习板，更是对我们飞行学习板的肯定。



工作稳定的产品需要以硬件为基础，完善的硬件设计为i.MX RT飞行学习板保驾护航，今天小编就向大家揭秘i.MX RT飞行学习板的硬件设计。


2硬实力之硬件结构


ZLG的i.MX RT飞行学习板采用的单芯片解决方案，取代了传统的需要4颗MCU的控制方案。



图2所示为i.MX RT飞行学习板的整体硬件架构，作为核心的i.MX RT1052跨界处理器，采用Cortex-M7内核，高达600MHz的主频，内置4组PWM模块，搭载125轴距的全碳纤维机架和1104的无刷电机，使得整体看起来非常“娇小”却又内容丰富。

图2 i.MX RT飞行学习板硬件架构

3硬实力之原理图设计


3.1  i.MX RT1052最小系统设计


MIMXRT1052CVL5B支持单3.3V供电，电源设计因此能得到很大的优化，但仍然要重视RT1052的上下电时序、时钟电路、BOOT启动配置、复位电路等构成的最小系统。


3.1.1  上下电时序


根据官方的手册i.MX RT跨界处理器的上下电时序要求，电路设计如下：


VDD_SNVS_IN与VDD_HIGH_IN等电源连在一起，满足一同上电和一同下电的要求；



开启内部DCDC电源时，DCDC_IN管脚需提前1ms于DCDC_PSWITCH管脚上电。电路设计如下图3所示，通过RC延时给DCDC_PSWITCH上电。

图3 DCDC_PSWITCH管脚上电延时处理

3.1.2  时钟电路


24MHz时钟电路



外接合适的石英晶体和负载电容与芯片内部集成的反相器模块组成振荡器即可产生24MHz的时钟频率，电路设计如下图4所示。

图4 外部24MHz振荡器电路

32.768KHz时钟电路


由于当前场合不需要高精度的实时时钟，因此没有外接32.768KHz的时钟晶体，将引脚RTC_XTAL1连接到GND，引脚RTC_XTALO悬空，MIMXRT1052CVL5B内部也带有精度为±50%的40KHz振荡器，需要时可以使用。


3.1.3  启动BOOT配置



如下图5所示，配置RT1052的BOOT模式为”Internal Boot”，即外部配置BOOT_MODE[1:0]为10。

图5 BOOT MODE配置

配置完启动模式后，需要指定启动设备，配置为从外部Flash启动，配置电路如图6所示。


将BT_CFG1[7:0]通过外部接地的方式设置为00000000，其中BT_CFG1[1]为加密选项，建议预留一个上拉电阻的工位；


BT_CFG2[3:0]外部配置为默认的0000；



系统只有在启动时会读取BOOT引脚状态，系统启动完毕后，这些引脚仍然可以复用为其他功能。

图6 BT_CFG外部配置电路

3.1.4  其它引脚配置


在飞行学习板中，RT1052的PMIC_ON_REQ、PMIC_STBY_REQ、ON/OFF、WAKEUP和USB的相关引脚都没有用到，做悬空处理。


3.2  电机驱动电路设计



单通道的电机驱动电路框图如下图7所示，每一路电机电路包含：三相桥MOS管驱动电路+栅极驱动单元+电流采样电路+运放电路。

图7 单通道电机驱动电路框图

三相桥MOS管驱动电路：共有6个MOS管，由高边MOS管和低边MOS管共同组成三相桥电路；


栅极驱动单元(GDU:Gate Driver Unit)：分为高边栅极驱动和低边栅极驱动（HS/LS Gate Driver），分别为高低边的MOS管提供栅极驱动电压，高边驱动内部还包含泵电容升压电路；


采样电阻：每一相驱动回路串联一个采样电阻，将流经电机的电流变化转换为电压的变化；



运放电路：对采样电阻上的电压变化进行放大，给到MCU的ADC模块进行采集，软件还原出电流的变化，从而实现了对电机相电流的实时监测。


4硬实力之PCB设计

图8 i.MX RT飞行学习板

4.1  PCB布局设计


电机转动时需要较大的电流，所以电路中同时存在大电流电路和小信号电路。电机转动时的大电流可能导致GND平面的电势变化，GND的电势变化可能会导致MCU复位，因此PCB布局要做好大电流电路和小信号电路的分割。



如图9所示为四通道电调的PCB布局示意图，采用对称的结构设计，四角放置电调驱动电路，中间则为RT1052的最小系统和四路的运放芯片。

图9 四通道电调PCB布局示意图

4.2  GND的区域分割



确定好PCB布局后，就能很好的进行区域分割，图10所示为大电流回流路径和小信号的回流路径示意图，二者在PCB上互不干扰，并以此为依据进行区域分割。电源分割为8.4V和3.3V的电源区域，GND分为大电流地和小信号地，两个地网络在电源输入端进行单点连接。

图10 大、小信号回流路径示意图

4.3  信号走线


采样电阻到运放电路的走线需要尽量短，从采样电阻的GND端单独拉一条走线连到运放输入端；


Flash的数据线则需要做等长处理。


5结语


好了，这期对飞行学习板硬件设计的介绍就到这里啦，主要和大家简单的介绍了飞行学习板的硬件设计相关内容，包含了基本的原理图电路设计和PCB布局的注意事项。



通过我们的介绍，i.MX RT学习板的硬件设计是否一览无遗了呢？


作者：周立功单片机   文章出处：恩智浦MCU加油站

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邹姆斯特朗

周立功的方案，不错

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