普冉PY32系列(十) 基于PY32F002A的6+1通道遥控小车I

普冉PY32系列(十) 基于PY32F002A的6+1通道遥控小车I - 综述篇

普冉PY32系列(一) PY32F0系列32位Cortex M0+ MCU简介
普冉PY32系列(二) Ubuntu GCC Toolchain和VSCode开发环境
普冉PY32系列(三) PY32F002A资源实测 - 这个型号不简单
普冉PY32系列(四) PY32F002A/003/030的时钟设置
普冉PY32系列(五) 使用JLink RTT代替串口输出日志
普冉PY32系列(六) 通过I2C接口驱动PCF8574扩展的1602LCD
普冉PY32系列(七) SOP8,SOP10,SOP16封装的PY32F002A/PY32F003管脚复用
普冉PY32系列(八) GPIO模拟和硬件SPI方式驱动无线收发芯片XN297LBW
普冉PY32系列(九) GPIO模拟和硬件SPI方式驱动无线收发芯片XL2400
普冉PY32系列(十) 基于PY32F002A的6+1通道遥控小车I - 综述篇
普冉PY32系列(十一) 基于PY32F002A的6+1通道遥控小车II - 控制篇
普冉PY32系列(十二) 基于PY32F002A的6+1通道遥控小车III - 驱动篇

基于PY32F002A的6+1通道遥控小车I - 综述篇

以下介绍基于 PY32F002A 和 XL2400 的低成本无线遥控实现. 因为内容较多, 分三篇说明.

实物图

先放上最终的实物

遥控器

遥控器包含两个十字电位器, 两个旋钮电位器, 六个轻触开关和两个滑动开关, 显示部分为12864LCD.
两个十字电位器, 两个旋钮电位器组成了六个模拟通道. 模拟通道数量受PY32F002A的PIN脚限制, 全部用上可以做到八个, 因为我想保留SWD口, 所以只做了六个. 普通应用只需要双摇杆加两个双调节, 基本够用了.
第七个通道是一组开关量, 六个轻触开关和两个滑动开关共8个bit, 是通过74HC165扩展实现的, 当前的设计只用了一片74HC165, 采集8个开关信号, 通过串联更多的74HC165可以扩展到16个或24个开关信号.
无线模块是可插拔设计, 便于替换XL2400和XN297LBW, 以及测试不同天线的性能

驱动器

中间9个通道为高速IO通道, 直接关联到PY32F002A的PIN脚, 这些PIN都关联到TIM1或TIM3(看下面的PIN分配表), 可以设置为原生PWM输出
两侧的8PIN排针一共16个通道为扩展IO通道, 使用74HC595扩展产生, 可以输出开关量或低速PWM
当前的小车的电机控制仅用到扩展IO
无线模块是可插拔设计
驱动端可以控制的通道并不受6+1限制, 驱动器并不局限于驱动小车, 9路高速IO加16路扩展IO可以驱动很多设备
模块的螺丝孔位是针对这种小车底盘设计的, 但是只能上一边, 不能全上

设计目标

看完实物, 回到最初的设计思路. 因为是从零开始, 在这一阶段设计中为快速验证, 先确定结构, 避免复杂设计, 只考虑数显和单向传输, 不考虑回传数据.

无线控制端

双十字摇杆加双调节, 需要至少共6个模拟通道
2+6或4+4开关按键, 共8个开关信号
LCD屏显

电机驱动端

至少8个高速IO通道, 支持原生PWM信号输出
16个低速IO通道, 支持开关信号输出, 或模拟PWM信号输出

硬件部分

主要组件

硬件选型

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

为保持调试的便利, 保留SWD口PA13, PA14作为SWD, SWC使用, 在开发中使用JLink RTT输出日志. JLink RTT日志输出可以参考这篇使用JLink RTT代替串口输出日志.
将NRST口复用为IO, 屏蔽RST功能, 参考 SOP8,SOP10,SOP16封装的PY32F002A/PY32F003管脚复用
使用ST7567是因为正好手里有不少1寸的ST7567LCD屏, 而且能和XL2400复用SPI口(其实也就复用了两个PIN), 可以换成I2C接口的SD1306.
XL2400使用了硬件方式的SPI通信, 具体可以看前一篇GPIO模拟和硬件SPI方式驱动无线收发芯片XL2400
ST7567和XL2400合用一个硬件SPI口, 通信时使用PB2和PB3进行选择
模拟信号的输入使用 PA0, PA1, PA2, PA3, PA4, PA5 这六个ADC通道
开关信号的输入使用一片74HC165进行转换, 理论上可以级联2~3片, 每片能扩充出8个开关信号

具体的PIN分配如下

		ST7567	XL2400	摇杆1	摇杆2	调节1	调节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

驱动板

保留SWD口PA13, PA14作为SWD, SWC
将NRST口复用为IO, 屏蔽RST功能
ST7567和XL2400合用一个硬件SPI口, 通信时使用PB2和PB3进行选择
一共9个高速IO输出通道, 都有对应的时钟, 可以产生PWM信号. 使用PIN脚: PA0, PA1, PA2, PA3, PA6, PA7, PB0, PB1, PB3
使用两片74HC595作为IO输出扩展, 产生16个低速IO输出通道

具体的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

电路原理图

遥控器

遥控器使用了一片PY32F002A TSSOP20和一片74HC165D SOP16,
手柄输入使用的是两个16x16的摇杆电位器. 摇杆电位器有13x13和16x16两种尺寸, 如果需要使用13x13可以自行更换.
电源部分使用的是一节18650. 除了XL2400耐压为3.6V以外, PY32F002A和其它元件都可以工作在5V, 因为满电电压会超过4V, 为了防止损坏XL2400, 这里使用一颗二极管做简单降压兼反接保护. 经实测验证 XL2400 可以工作在 3.8V.
如果需要严格意义上的3.3V输入, 可以替换成低压降的XC6206P332MR.
微动开关都加了上拉电阻
两侧摇杆电位器的开关和对应最外侧的开关相通, 按压等效
遥控面板不包含无线模块

驱动控制

驱动端使用的是一片 PY32F002A TSSOP20 和两片 74HC595D SOP16
PY32F002A 和 74HC595D 供电由一片AMS1117提供, 工作在3.3V. 因此电源输入不能低于4V, 不能使用单节18650
电机供电部分与电源输入直通. 为避免复杂度, 电路中未内建DC-DC转换, 如果电机/舵机需要5V或6V的准确电压, 需要外接DC-DC模块供电
电源部分有一个1A的自恢复保险
控制板不包含无线模块, 不包含电机驱动

电机驱动

电机驱动使用的是 YX-1818, 支持两组有刷直流电机, 外围元件简单, 也可以采用成品的 MX1616 驱动模块或者L9110, L298等. 驱动玩具DC电机只需要几百毫安, 选择哪种都可以.

无线模块

无线部分使用的是 XL2400, 也可以换成XN297LBW, 这两个芯片的电路是兼容的. 具体可以参考GPIO模拟和硬件SPI方式驱动无线收发芯片XL2400, 这里的电路一样但是PCB部分做了改进, 占用尺寸更小. 注意模块的PIN脚和遥控器, 驱动板的排针孔位是对应的, 如果买成品的XN297LBW模块, 需要自行修改PIN脚顺序.