第第頁電源模塊的功能簡(jiǎn)述電源模塊電路原理圖設(shè)計(jì)

首先，我們需要設(shè)計(jì)和制作的是一個(gè)（電源模塊），這個(gè)模塊通過電池的12V輸入為電動(dòng)機(jī)提（供電）源，也同時(shí)為其它模塊提供（電源）。此外還需要提供兩路的（電機(jī)）（驅(qū)動(dòng)芯片）和電源輸入輸出（接口），也就是我們常常所說的插頭。我們希望這個(gè)電源的模塊功能如下圖：

輸入：電源模塊的輸入接口為12V直流電源，實(shí)際上是由3節(jié)18650（鋰電池）（3S）進(jìn)行供電，由于鋰電池的電壓范圍為3.7v～4.2v，所以我們所采用的這個(gè)3S鋰電池電源電壓范圍是11.1V～12.6V，也就是說電源空電時(shí)電壓為11.1V，滿電電壓為12.6V。為了描述簡(jiǎn)便，我們假定電源為12V的（穩(wěn)壓電源）。后面我們會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)電源電壓采集功能來獲取當(dāng)前電源的實(shí)際電壓，從而判斷電源電量是否充足。

機(jī)電輸出A/B：電機(jī)輸出有兩個(gè)接口，分別是電機(jī)A和電機(jī)B，輸出電壓范圍是-12V～+12V。也就是說電壓為正數(shù)時(shí)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，而電壓為負(fù)的時(shí)候電機(jī)反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，由此來達(dá)到小車的前進(jìn)、退后、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等功能。這兩個(gè)電機(jī)輸出接口所輸出的具體電壓值是根據(jù)兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)來完成的。

12V轉(zhuǎn)5V電路：這個(gè)降壓電路是采用了LM2576（電源芯片）來完成的，這是一個(gè)系列的開關(guān)式電源（芯片），我們選用它們家族中的LM2576-R5.0型號(hào)作為我們的電源芯片，這款芯片的電壓輸入范圍為7V～40V，輸出電壓為5V，最大輸出（電流）3A。所謂（開關(guān)電源）就是通過對(duì)輸入電源的對(duì)輸出進(jìn)行控制周期性的一開一關(guān)，從而達(dá)到降壓的目的。例如：我們?nèi)绻枰獙?2V的電源降壓為6V，芯片通過高速的周期性開關(guān)處理，接通時(shí)間比例為整個(gè)周期的50%，假如一個(gè)周期是100us，那么為了得到6V電壓，芯片將接通50us，之后斷開50us。同樣的原理，如果我們需要將12V的電源降壓為5V則需要將接通時(shí)間比例調(diào)整為41.67%，也就是說在一個(gè)100us的周期中，有41.67us的時(shí)間里是接通的，有58.33us的時(shí)間是斷開的，于是就得到了5V的電壓。這就是開關(guān)電源的（工作原理）。實(shí)際上只依靠LM2576-R5.0這一個(gè)芯片是不能將12V電源轉(zhuǎn)成5V的，我們還需要根據(jù)芯片手冊(cè)中所給出的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用原理圖來完成其外圍的電路，這方面我們?cè)谥谱鳎≒CB）原理圖時(shí)會(huì)進(jìn)行相關(guān)介紹。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)A/B：電機(jī)驅(qū)動(dòng)我們采用的是全橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片PT5126A，其可輸入的電源電壓是2V～24V，最大輸出電流2.8A。從原理上講芯片內(nèi)部是H橋電路通過三極管的H型電路組連接在一起，進(jìn)而產(chǎn)生電壓輸出，完成對(duì)電機(jī)的控制。其輸出的電壓可以輸出負(fù)電壓，也就是控制電動(dòng)機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)。我們可以使用PWM（信號(hào)）對(duì)芯片進(jìn)行控制，從而達(dá)到我們需要的電壓輸出結(jié)果。芯片有2個(gè)信號(hào)輸入引腳INA和INB，當(dāng)INA為高電平，INB為低電平時(shí)，芯片的兩個(gè)輸出引腳從OUTA到OUTB之間的電壓為正；當(dāng)INA為低電平，INB為高電平時(shí)芯片輸出OUTA到OUTB的電壓為負(fù)。而我們?cè)谑褂盟臅r(shí)候可以向INA或INB輸出PWM信號(hào)，用于調(diào)解OUTA和OUTB之間的電壓差，PWM高電平的時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)則輸出電壓越高，反之則越低。

控制模塊接口：此接口需要為控制主板提供一個(gè)5V電源和一個(gè)對(duì)總電源電壓的采集電源，由于我們的Cortex-M4芯片的電壓采集范圍為0～3.3V所以我們?cè)陔娫茨K中需要將電源轉(zhuǎn)為3.3V以內(nèi)的電壓再為控制主板提供采集電源電壓。此接口中除了輸出之外，還需要有Cortex-M4所提供的4路PWM信號(hào)和一路3.3V，用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的信號(hào)控制和電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片PT5126A的邏輯供電。值得注意的是：電源模塊為控制主板提供的是5V電源，而在控制主板5V電源將分為兩部分，第一部分為我們的Nano（Pi）供電，第二部分通過另一個(gè)降壓電路將5V降壓到3.3V為我們的（嵌入式）（處理器）Cortex-M4和其它器件供電。而這個(gè)3.3V再回傳到電源模塊中為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行邏輯供電。

接下來，我們開始針對(duì)電源模塊設(shè)計(jì)電路原理圖：

首先，我們需要加入一個(gè)間距為2.54mm的雙孔，用于電源輸入：

我們可以看到，電源插孔的引腳1為VIN電源輸入也就是3S鋰電池的正極，引腳2為GND也就是3S鋰電池的負(fù)極。此外我們加入了一個(gè)（二極管），防止在后續(xù)使用過程中電池的正負(fù)極插反燒毀電路。有興趣的讀者還可以自行加入一些對(duì)輸出電源的保護(hù)器件，例如過壓保護(hù)器和（保險(xiǎn)絲）等。這里我們?yōu)榱朔奖阒v解只做防反插處理。

接下來，我們需要將這個(gè)VIN通過LM2576-R5.0轉(zhuǎn)為5V，其應(yīng)用電路如下（參考芯片手冊(cè)）：

我們可以清楚的看到電源輸入VIN，接入到芯片LM2576的VIN引腳中，之后之后由OUTPUT引腳輸出到L1當(dāng)中，L1為100uH的（功率電感），D1為二極管，C1和C2為（電解電容）。最終我們就得到了電源降壓電路的輸出5V。

第三步，我們將電源VIN通過一個(gè)簡(jiǎn)單的（電阻）分壓，得到Cortex-M4所能采集的電壓范圍：

我們將VIN經(jīng)過兩個(gè)串聯(lián)的電阻R6和R5，得到PWR_（ADC）電壓的范圍為2.868V~3.256V，其計(jì)算方式很簡(jiǎn)單，就是將3S鋰電池的最小電壓和最大電壓分別通過這兩個(gè)串聯(lián)電阻進(jìn)行以下計(jì)算：

得到了降壓后的壓信號(hào)，我們就可以通過Cortex-M4的（AD）C引腳對(duì)這個(gè)PWR_ADC進(jìn)行采集，如果其電壓值小于2.868V則表示鋰電池已經(jīng)空電了，需要進(jìn)行電池保護(hù)提示。如果大于2.868V則表示鋰電池還可繼續(xù)使用。采集到的電源電壓可以通過整個(gè)系統(tǒng)上傳至云端，以便進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)分析等操作。

之后，我們?cè)賮硗瓿蓛蓚€(gè)電機(jī)的（驅(qū)動(dòng)電路），PT5126A芯片的電路如下（參考芯片手冊(cè)）：

其中，U1和U2它們的（電路原理）完全一樣，只不過是通過不同的信號(hào)來控制不同的電機(jī)，U1輸入信號(hào)為PWM0和PWM1，輸出為電機(jī)A（MOTOR_A）；而U4輸入信號(hào)為PWM2和PWM3，輸出為電機(jī)B（MOTOR_B）。PWM0、PWM1、PWM2和PWM3是通過控制模塊接口由控制主板輸入進(jìn)來的，在這里都加入了10K的下拉電阻R1、R2、R3、R4，以防止在系統(tǒng)未啟動(dòng)或非可控情況下信號(hào)浮空的問題。電機(jī)A和電機(jī)B則是分布于電源輸入插孔左右的電機(jī)輸出插孔。其中，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片的邏輯供電為3.3V，來源于控制模塊接口。

最后，我們來完成控制模塊接口部分，這部分比較簡(jiǎn)單是8個(gè)間距2.54mm的過孔：

這個(gè)控制模塊接口中的引腳1為5V電壓輸出；引腳2為GND；引腳3為3.3V的電壓輸入，給電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片PT5126A邏輯供電；引腳4為電源電壓采集；引腳5～8為