至少节省你30%的项目开发周期——英飞凌四轴飞行器套件评测
发布时间:2016-08-09
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至少节省你30%的项目开发周期——英飞凌四轴飞行器套件评测
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背景

去年,Intel巨资投向中国无人机制造商Yuneec,造成轰动,是否无人机又会是下一只站在风口起飞的猪?如果追溯本源的话,你会发现无人机发展至今其实已经有近100年的历史,一直以来,受制于技术、政策等因素,无人机发展速度缓慢而且主要集中在军事领域。但最近几年,得益于微机电控制技术的发展,一种新颖的无人机产品诞生了,也就是目前大家普遍认知的多旋翼飞行器,在这其中,四轴可算典型的代表,无论规模还是市场成熟度都有比较大的“话语权”,相信很多工程师、DIY爱好者、学生朋友都接触过。 但你是否想过,衡量四轴飞行器的标准主要是哪些因素?如果工程师自己开发,在开发中又到底要注意哪些点,如何尽可能去完善这些要素点呢?今天,爱板网就以英飞凌的四轴飞行器解决方案为例,为大家介绍一款可靠的、低功耗的四轴飞行器方案KIT_XMCI45_LARIX_PINU_1,不但可以让你的飞行续航更持久,更可以节省你30%的项目开发周期(本文仅讨论四轴飞行器中主要的飞控、电调,不涉及四轴飞行器额外拓展功能,如拍摄、图传等),先来看下实物。

四轴飞行器解决方案KIT_XMCI45_LARIX_PINU_1

从英飞凌的包装盒上可以看到,此款四轴飞行器方案主打的就是完整的系统解决方案,主控基于英飞凌自家高端的XMC4500系列微控制器。

包装盒内的配件非常简洁,包含了一块四轴飞行器硬件解决方案(飞控+电调)以及一张纸质的说明文档。

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说来也巧,爱板网拿到的四轴飞行器方案正是时下非常火热的英飞凌大学生无人机大赛的硬件方案,整套系统包含了四轴飞行器中主要的飞控以及电调功能,所以组成一个简单的、完整的四轴飞行器只需加上机架、电机、锂电池即可,非常方便。何况,英飞凌本身在说明文档中推荐了相应的电机、锂电池规格,更加方便工程师、玩家自己动手组装了。不过,很多朋友会想到另一方面,相应的,因为飞控、电调板都限定了,所以四轴飞行器的大体结构、性能也基本定了下,想要尝试不同大小尺寸、性能的四轴飞行器玩家可能要考虑下其它的方案了。

核心主控XMC4500

英飞凌的这套四轴飞行器的核心主控采用的是自家高性能的混合信号微控制器XMC4500系列,具体型号为XMC4500F100K1024,这属于XMC4500家族中规格配置极高的一款产品。

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XMC4500F100K1024微控制器特性:

  • 基于ARM Cortex-M4处理器,带DSP、FPU单元,120MHz主频,集成1MB Flash,160KB SRAM,
  • 集成IEEE1588标准以太网 MAC,10/100Mbit/s 传输速率
  • 集成USB PHY,支持USB2.0 HOST,全速率USB OTG;集成CAN控制器,最高支持1Mbit/s速率
  • 六个通用串行接口,用于UART,Dual-SPI、Quad-SPI、IIS、IIC、LIN
  • LED和触摸控制器(LEDTS);SD以及多媒体存储接口(SDMMC)
  • 外部总线接口单元:支持与外部存储以及片外外设如:SRAM、SDRAM、NOR、NAND等通讯
  • 4个12位ADC、2个12位DAC;CCU4*4、CCU8*1、POSIF*2、WDT、DTS、RTC、SCU等

众所周知,英飞凌半导体擅长于工控、汽车电子、电机控制等领域的微控制器产品,XMC4500F100K1024恰好就是这一类型,其集成的强大的外设功能足以让它跨领域使用,比如针对工控领域的以太网接口、触摸控制器、 USB HOST/OTG接口;针对汽车电子的CAN、LIN总线、多媒体接口等;当然,这里我们重点要突出XMC4500针对电机控制领域集成了独有的CCU4、CCU8、POSIF等几个重要的功能。

POSIF单元包含了光电编码器和霍尔传感器的位置接口,主要作用是将传感器提供的位置信号进行解调,并将解调出的信号传送给CCU单元。

XMC4500F100K1024微控制器带有4个CCU4单元以及2个CCU8单元,每个CCU4单元中包含了4个定时器,每个定时器可支持最大16位的计数范围,并且可以将定时器串联,最高可支持64位计数范围。CCU4单元与POSIF单元连接可以实现电机中的位置和速度测量,而CCU8单元主要用于PWM波产生,可实现电机控制、电源转换等功能,用于这套四轴飞行器的飞控绰绰有余。

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飞控板

了解了四轴飞行器的主控制器,我们再来看下飞控板的其它硬件组成,为了方便查看,先将板卡上的4个电调板取下。

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飞控板的做工非常结实,毕竟实际调试的时候免不了要多次“坠机”摔落,而且英飞凌的飞控板尺寸不算小,这对PCB的强度以及板载的器件都是一个不小的挑战,除了XMC4500主控制器,飞控板板载器件以及功能接口还包含了:

  • 基于英飞凌XMC4200系类微控制器的调试电路,带MicroUSB接口
  • 一个MicroUSB接口(XMC4500),GPS信号接口、锂电池电压监测接口、无线控制信号接口
  • LED指示灯、LED驱动 BCR321U、复位按键、Origa 2L认证
  • RN42蓝牙模块,用于与手机APP实现连接控制
  • 气压计 DPS310,用于计算四轴飞行器的定高
  • 9轴传感器  MPU9250,包含了加速度(给四轴飞行器提供一个水平基准)、磁力计(给四轴飞行器提供一个方向基准)、陀螺仪(测量角速度的,其反映的是自身角度的变化)功能

其中飞控板的电源支持7.4~12.6V供电,电源方面通过英飞凌自家高效率的IFX91041V50 5V DCDC转换芯片,将输入电压转化为5V直流输出,再通过IFX1117MEV33 LDO输出3.3V电压提供给微控制器、传感器供电。

电调板

电调板也就是我们所说的电机驱动板,包括了电机控制器,半桥驱动电路、MOS管组成的半桥电路,如下图所示。

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电机控制IC采用的是英飞凌自家的XMC1302微控制器,对于英飞凌家族的XMC1000系列微控制器,大家都应该不是太陌生,它主要基于ARM Cortex-M0内核,包括3个产品系列:其中XMC1100系列属于入门型产品,XMC1200系列主要用于LED显示和交互控制,而XMC1300系列主要用于实时控制如电机驱动等,其硬件系统框图如下图所示。

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XMC1302微控制器特性:

  • 基于32位ARM Cortex-M0处理器,8KB on-chip ROM、16KB SRAM、200KB Flash
  • 两个通用串行接口通道(USIC):可用作UART、SPI、I2C、I2S、LIN接口
  • AD转换、3个模拟比较器、温度传感器
  • 工业控制外设:CCU4、CCU8、POSIF、BCCU
  • 系统控制单元:WDT、RTC、SCU(用于系统配置和控制)

同XMC4500一样,作为面向电机控制领域系列产品,XMC1302内部也包含许多特殊的单元,CCU4、CCU8、POSIF,为工程师提供了便利的开发环境。 英飞凌XMC1302微控制器+英飞凌半桥驱动IC IR2301s+英飞凌 BSC0925ND MOS管组成的半桥电路输出驱动三相电机的U、V、W信号,是整个四轴飞行器电调的核心。

看完飞控板+电调板,如果仔细回味一下蓦然有些惊悚,其所采用的方案除了个别传感器外,其他核心器件无一不是英飞凌自家的器件,不知不觉中,英飞凌的产品已经渗透到各个领域中,由此可见其产品线的范围有多广。

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开发环境

当真正拿到英飞凌四轴飞行器套件的时候,我们又当该如何开始呢? 开发套件唯一一页纸质文档说明中提供了四轴飞行器的IDE工具下载以及飞控板、电调板的源码下载。

对于XMC系列微控制器,英飞凌提供专门的IDE开发工具DAVE,目前官网最新版本更新到DAVE v4,最低配置的运存要求是4GB,而且就以这套英飞凌四轴飞行器套件提供的源代码来说,也只是提供支持DAVE3版本的,所以想要方便开发的用户,还是推荐安装DAVE 3版本。在安装DAVA的时候同时会提示安装调试器的驱动文件,也就是J-LINK的驱动,默认选择就行了。

  • 飞控代码下载

安装完成,打开DAVE软件,点击File-->Import

选择Dave Project进行下一步操作

选择下载下来的飞控板以及电调板源码载入

软件默认选择的是飞控板的代码文件,也就是下图中的CORE_Larix_V1.0

点击Debug图标进行编译、下载调试。 这里有一点需要注意,下载调试的时候需要将飞控板上的跳帽拿掉。

infineon-XMC4500-Multicopter-47

下图为编译时候笔者电脑的CPU进程,12年的电脑,i5处理器,但是CPU的占用率都达到100%,由此可见DVAE工具编译的时候对电脑的配置要求还是蛮高的。

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  • 电调代码下载

飞控板代码下载完成后,还需要下载电调板的代码,不同于飞控板可以直接使用板载的XMC4200调试器,电调板只预留了SWD协议信号的调试接口,还需要用到额外的仿真器,笔者这里使用的是J-LINK。 连线如下图所示。

使用DAVE软件下载

另外也可以直接使用J-LINK的J-Flash下载软件。

择微控制器型号XMC1302-0128

选择调试接口协议SWD

选择编译完成的 .hex文件下载

选择烧录

电调板的四个小板都需要下载,重复以上步骤即可,就是费点时间,上手还是比较简单的。

飞控和电调的代码下载完成,安装机架、电机、锂电池,再通过官方免费提供的安卓系统APP,就可以通过蓝牙连接飞控板控制电机,当然,这只是最简单的方式,如果想要起飞,飞稳定,还需要根据自己DIY的机架大小重量,调节飞控板的代码参数。由于笔者手头没有合适的机架、电机等配件,后续的操作无奈作罢。

小结

介绍了英飞凌推出的四轴飞行器评估套件KIT_XMCI45_LARIX_PINU_1,考究的用料、结实的PCB做工,整个评估板套件分为飞控板以及电调板,飞控板基于高性能、功能强大的ARM Cortex-M4处理器XMC4500、板载基于XMC4200的调试器模块;电调板基于英飞凌自家的XMC1302系列微控制器,搭配板载的半桥驱动IC以及MOS管,组成一个高效率的三相电机驱动电路。评估套件配合英飞凌强大免费的DAVE IDE工具,免费的资料文档、代码,工程师可以快速的上手四轴飞行器的开发、调试,更可以通过飞控板预留的外设接口,拓展丰富的功能。如果采用英飞凌这套现成的评估套件直接进行四轴飞行器的原型开发,何止节省了30%的研发周期。当然,虽然这可以算是一套完全傻瓜式的四轴飞行器DIY套件,但从上手到想要真正实现稳定飞行难度还是不小的,笔者还是推荐本身对四轴飞行器有一定了解的用户使用。爱板网近期也会推出相关套件的赠送活动,有兴趣的朋友一定不能错过了。

原创申明:本文为爱板网原创,谢绝转载!

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讨论 (12)

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mido ·  2016-10-12
dlyt03 ·  2016-09-08
dlyt03 ·  2016-09-08
SensorYoung ·  2016-09-06
shawn4com ·  2016-08-31
无边落木的 ·  2016-08-31
你获得了特等奖 ·  2016-08-22
jhcj2014 ·  2016-08-21
llllvvvv ·  2016-08-20
sjh2100 ·  2016-08-18
mido ·  2016-08-18

@sjh2100:好想法,但是如何实现的,且不说目前电调板与飞空板就这么几个信号连着,而且四个电调板都要下载程序,如何处理呢?

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秋沫夜微凉 ·  2016-08-16
幸得安然 ·  2016-08-17

@秋沫夜微凉:目前好像还没法购买,不过爱板网马上有活动会送这板子

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mido ·  2016-08-12