结题报告第四版

大学生方程式电车控制系统硬件设计项目结题报告
（****大学机械工程学院机械设计制造及其自动化专业）
1应用领域
1.1中国大学生方程式汽车大赛
中国大学生方程式汽车大赛是一项由高等院校在校学生组队参加的比赛，各车队按照赛事规则和赛车制造标准，在一年时间内自行设计出一辆在加速、制动、操作等方面具有优异表现的小型单人座休闲赛车，能够成功完成全部或部分赛事环节的比赛。

大学生方程式赛车大赛起源于1979年美国休斯敦大学举办的SAE Mini-Indy(Society of Automatic Engineers Mini-Indy)赛车的比赛，后来这种由大学生自主设计制造的方程式赛车比赛逐渐在全世界范围内流行起来，如今全球有十多个人国家举办大学生方程式比赛。

2010年11月，中国汽车工程协会举办了首届中国大学生方程式汽车大赛。

1.2中国大学生电动方程式赛车
中国大学生电动方程式汽车大赛是在大学生方程式汽车大赛的基础上发展而来的，旨在为日益成熟的纯电动汽车注入新的血液，带领更多大学生关注新能源板块。

参赛车队假定为一家公司设计、制造、测试并展示一辆以市场为目标的业余周末休闲赛车的原型车，要求赛车在加速、制动、控制性能及续驶里程方面具有优异表现，能够顺利完成所有比赛项目。

1.3开发板功能介绍
驱动系统是指所有电气连接到电机和驱动系统电池上的部件，而所有不是驱动系统部件的电气部件就是控制系统。

中国大学生方程式大赛规则中规定，无论何时，只要电路中的名义工作电压可能高于60V DC或25V AC RMS，这个电路就被定义为驱动系统的一部分。

而我们的开发板就是控制系统的硬件主体，是实现赛车各个控制动作的基础。

2. 硬件需求分析报告
本次科研训练是为大学生电动方程式赛车设计一套稳定高效的电子控制系统，综合考虑设计的安全性和可靠性，既要满足中国大学生方程式汽车大赛电车规则，同时又使得赛车具有良好的控制性能。

该开发板应搭载32位MCU，16M字节缓存，1M字节SRAM，两路CAN总线，要求能达到1Mb/s的传输速度，并且采用RS232串口以及JLINK调试下载口，电源模块要求8~24V范围内主供电，能提供多个5V和3.3V的稳定电压。

输入模块要求有4路0~10V可调的AD输入，输出模块需要做4路DA输出和3路PMM输出。

I/O要求设置8路可设定的I/O口，默认全部设置上拉电阻。

要求具有加速度传感器和温度传感器，LED 灯和OLED 显示屏，有电源按钮、复位按钮，采用SD卡存储信息，要求无线能对应上位机PC。

另外，考虑到开发板是使用在电动方程式赛车上，所以应该充分考虑电源的散热问题。

该开发板用在大学生电动方程式赛车上，开发经费为两千元。

3.硬件总体设计报告
此处略过系统总体结构和功能划分，主要介绍ECU原理图设计，因为该开发板的主要功能均在一块板子上完成，不需要做不同板子之间的功能分配。

4 硬件总体设计
4.1各电路的选型及设计
4.1.1 MCU电路的选型及设计
MCU是Microcontroller Unit的简称，是整个开发板的核心部件。

鉴于STM32芯片采用ARM先进架构的Cortex-M3内核优异的实时性能、杰出的功能控制、出众及创新的外设并且易于开发的特性，其中STM32F4性能相对于STM32F1更为强劲，而其功耗也较之更低，其中STM32F407芯片性价比最高，在此基础上，注意到STM32F407ZE芯片拥有512Kb的闪存flash，其内置RAM192Kb，拥有144个引脚，114个I/O接口，其最大运行的温度范围为-40℃至105℃，能够比较好的满足本项目的使用要求，故而选择了STM32F407ZET6芯片。

以下是MCU部分的截图，其中左侧部分为MCU电路。

右侧部分从上至下一次为参考电压指示、RESET电路、按钮电路、LED灯以及OLED显示屏的接口的相关电路
4.1.2 电源模块的选型与设计
电源模块的作用是从驱动电路取电供给开发板使用。

本次科研训练对于电源模块的要求是对于在8V到24V范围内的供电电压均能正常工作，要求能将供电电压转换成5V和3.3V 以供电路板各个模块取电，要求对输入信号ADC做防反接设计，并且要具有过流保护的特点。

MP2359的工作电压范围是4.5V到24V，基本满足电压使用范围的要求。

该芯片能提供最大为1.2A的电流。

AMS1117芯片推荐工作电压为0到15V范围以内，其工作结温范围为-40℃到125℃，完全符合电路性能的要求。

电路部分的原理图如下，一般情况下由POW处输入，经过一个二极管防反接后输入MP2359芯片的IN端口，经过一个电阻降压以后给使能端EN供电，EN端口高电平有效。

-根据MP2359芯片手册推荐的电阻阻值，选择R44电阻阻值为9.53Ω，选择R47电阻阻值为49.9Ω，此时输出电压为5V。

在这里，考虑到有时用USB供电更为方便，所以在按钮
K1处连接了一个USB供电模块，USB的VCC引脚通过网络标识一个最大允许电流为1000mA的自恢复保险丝与按钮K1相连，由此便实现了USB的候补供电。

MP2359的保护功能有限制每个周期的尖峰电流功能、输出短路时开关频率限制在原来的1/4的折回功能、
热关断功能以及欠压锁定功能。

AMS1117是一个正向低压稳压器，能够将输入电压降低并且稳定地输出，此处选择其输出电压为3.3V。

注意到，在得到3.3V供电电压以后还采用了电容滤波滤除噪声，并且采用的是大一小两个电容并联的形式，此处大电容即220μF的钽电容，其容量大，吸收电流的能力强，能有效地滤除低频波，稳定输出，使输出电压不会突变，而104的贴片多层陶瓷电容谐振频率较高，可滤除的干扰频率较高，能滤除高频干扰，使输出电压纯净。

由此，电路板便得到了5V和3.3V两个稳定的供电电压。

以下为电源部分的截图：
USB供电模块的截图：
4.1.3 时钟电路的选型及设计
时钟周期是CPU处理动作的最小的时间单位，CPU的每一个动作通过时钟脉冲的控制实现精确定时。

在STM32中有五个时钟源，分别为HIS、HSE、LSI、PLL，其中HIS为高速内部时钟，RC振荡器，频率默认为16MHz；HSE是高速外部时钟，可接石英和陶瓷谐振器，或者接外部时钟源，频率范围为3MHz-25MHz；LSI是低速内部时钟，同样这也是RC 振荡器，频率为32kHz，用于驱动独立看门狗和通过程序选择RTC；LSE为低速外部时钟，
接频率为32.768kHz的石英晶体，也可以用来驱动RTC；PLL为锁相环输出，其时钟输入源可选择HIS/2、HSE或者HSE/2等，但其输出频率最大不得超过120MHz。

以下是时钟部分的电路的截图：
4.1.4 I/O模块的选型及设计
I/O模块是实现开发板与产品外设部分通信的桥梁，I/O接口的作用是使主机与外围设备能够协调地完成输入输出工作。

本开发板引出了STM32F407ZET6芯片的除PA2、PA3、PA9、PA10、PA11、PA12、PB10、PB11以外的102个I/O口，STM32F407ZET6共有112个I/O口，除去RTC晶振占用的两个I/O口以及以上八个未使用到的I/O口以外已全部引出。

以下是I/O部分的截图：
4.1.5JLINK模块的选型及设计
JLINK电路在电路中的作用是用于软硬联合调试，是往开发板上烧录程序进行调试。

考虑到JTAG调试占用的接口太多，并且体积庞大，并且速度较慢，本小组选择了JLINK调试。

JLINK指占用了两个接口，并且这两个接口与开发板上其他接口没有干扰，故而能够更方便地对板子进行全面的调试。

同样的，在VCC3.3和GND之间连接滤波电容，以用于保证调试电路平稳运行。

以下是JLINK模块的电路原理图：
4.1.6 复位电路的选型及设计
在电路上电或者电压波动不稳定的时候，几个微秒内电压不是直接跳变到工作电压，而是一个逐渐上升的过程，此时单片机是不能正常工作的，需要复位电路给予延时以等到电压稳定，这就是复位。

以下是复位电路的电路图截图：
4.1.7 ADC电路的选型及设计
ADC电路主要是指对于ADC过流保护电路。

LMV324_14Pin是一块集成了四个运算放大器的芯片，在电路中起电压追随器的作用。

从电路图中我们可以看到，VCC5经过一个5V的双向稳压管以后与ADC相连接，这时输入的模拟信号只有在0~10V范围内才不会失真，在0~10V范围以外的信号理论上均被限制，为了提高限压的可靠性，在接地端再使用一个10V的双向稳压管，使模拟量的信号不能超过10V，确保过流保护的高可靠性。

经过两个稳压管的限制以后，ADC处的电压为10V，通过2KΩ和1KΩ的分压作用以后，接入到LMV324_14Pin芯片的电压就为3.3V了。

信号通过运算放大器处理以后，经过一个滤波电容滤去噪声以后作为接入开发板的ADC信号。

保护电路截图如下：
4.1.8DAC模数转换电路选型及设计
本小组的模数转换电路的选型主要参考的微型计算机原理及接口技术这本教材上的电路，对电路比较熟悉，用起来比较方便，而且其性能方面也足够使用所需。

DAC0832芯片中7、6、5、4、16、15、14、13八个引脚对应着八位数据通道，其中7号为最低有效位，13号为最高有效位，11和12引脚为模拟电流输出端，1号脚为片选端，低电平有效，2号引脚和18号引脚为写信号的1和2，也是低电平有效，3号引脚为模拟地端，8号脚为V R端，9号引脚为反馈电阻接出端，10号引脚为数字地，17号引脚为传送控制信号的引脚，低电平有效，19号引脚为允许输入信号锁存的引脚，20号引脚为供电段。

这款芯片特别适合需要多个模拟输出通道同时刷新输出的应用场合。

以下是模式转换电路的电路原理图：
4.1.9 CAN模块的选型及设计
CAN模块属于通信接口模块的一个重要组成部分，CAN总线全称为Controller Area Network，即控制器局域网，其作用是将整车中各种不同的控制器连接起来，实现信息的共享和传输，并减少整车线束的数量。

SN65HVD230D作为3.3V-5V高速CAN总线收发器，具有优异的性能，主要表现在其较高的通讯效率、良好的抗干扰能力和高可靠性上。

SN65HVD230D芯片能完全兼容
ISO11898标准，高输入阻抗，允许120个节点，具有热保护、开路失效的功能，具有抗瞬间干扰、保护总线的功能，斜率控制，降低射频干扰，差分接收器，具有抗宽范围的共模干扰和电磁干扰的能力。

由于CAN总线的控制器采用了LVTTL控制逻辑电平，所以本小组才选择了SN65HVD230D芯片。

本开发板设置了两路CAN总线，最大传输速度可达1Mb/s，并且设置了终端120Ω的电阻。

终端电阻主要用于增强EMC性能，这一点在汽车上尤为重要。

CAN总线两端接有一个电阻，能够匹配总线阻抗，提高数据通信的抗干扰能力。

以下是CAN总线模块的电路图：
4.1.10 USB选型及设计
USB电路主要是指USB转串口电路，在电路板中实现USB转串口的功能。

CH340G这块芯片具有全速USB设备的特点，兼容USB V2.0，外围元器件只需要晶体和电容，原理图右侧部分的电路是一键下载部分的电路。

在晶振两端的电容容值大小的选择需要特别注意，其容值必须大得能够吸收传输波的能量，同时又必须小得不至于损害信号的上升时间，通常此电容容值小于50PF，此处选择为22PF，此容值的选择是为终端匹配技术，能防止电压反射，减少上冲和下冲，防止错误和损害单片机。

以下是USB部分的电路原理图截图：
4.1.11 无线模块的选型及设计
NRF24L01芯片是无线芯片中性能相对较为普通的一块，其具有自动应答和自动重发功能，其数据传输速率为0-1Mps，理论上这款无线的数据传输距离为1100米，已经足够使用所需了。

以下就是无线模块的电路原理图：
4.1.12光耦电路的选型及设计
光电耦合器简称光耦，在本开发板中的作用是光电隔离保护，由于要进行信号传输，当然不能选择非线性光耦，故而选择了线性光耦PCB17.
光耦芯片的内部原理是当1引脚处于高电平状态时，其内部的发光二极管导通，接收端两个引脚导通，输出一个低电平输出；而1引脚处于低电平时发光二极管不发光，接收端也就不会产生低电平输出信号。

由此，输出端的输出信号仅仅与输入端是否为高电平有关，而不在乎输入端是否有突变的高电压，即达到了光电隔离的效果，避免了外部产生的高电压破坏芯片使系统瘫痪。

以下是光耦元件的功能示意图：
光耦电路电路原理图如下：
4.1.13传感器模块的选型及设计
MPU6050和DHT11都是比较常用的六轴加速度传感器和温湿度传感器，本次科研训练的软件组对这两款传感器的运用比较熟悉，所有本小组选择了这两款传感器。

本小组的开发板搭载六轴加速度传感器和温度湿度传感器，其中MPU6050是六轴加速度传感器，其芯片内部集成一个三轴加速度传感器和一个三轴陀螺仪，含有第二个IIC接口，可以链接外部的磁力传感器，并且自带DMP（Digital Motion Processor），通过IIC主接口可以向应用端输出完整的9轴姿态融合演算数据。

DHT11是温度湿度传感器，其是一块单总线数字温湿度传感器。

以下是传感器模块的电路原理图：
4.1.14 SRAM模块的选型及设计
STM32F407ZET6芯片内置192Kb的系统SRAM，但是考虑到实际使用过程中对于更高性能的需要，采用额外添加IS62WV51216芯片的方式扩展SRAM容量，而IS62WV51216芯片的存储容量为512K×16（8M），其容量已经相当大了，完全能满足使用要求。

SRAM芯片提供一个电压以后基本就可以工作，设置C13和C14电容的目的是电容滤波，保证SRAM芯片工作稳定；而IS62WV51216芯片是高电平有效，所以采取了VCC3.3通过一个电阻来供电。

SRAM模块的电路原理图如下;
4.1.15 EEPROM的选型及设计
考虑到STM32F407ZET6芯片并没有搭载EEPROM，而在使用过程中存在使用EEPROM的必要，本小组选择外加EEPROM的方式，根据256Kb的容量要求，最终选择了AT24C256芯片。

AT24C256芯片的容量为256Kb（32K×8b），容量上已经完全足够了。

在VCC3.3和GND之间接了一个电容滤波，能提高其稳定性。

EEPORM模块的电路原理图如下所示：
4.1.16 FLASH模块的选型及设计
本小组选择的FLASH芯片型号为W25X16，其容量为128Mb，充分满足了开发板需求分析中16Mb的要求。

FLASH芯片和NRF24L01芯片（无线部分共有了一个SPI（SPI1），这样虽然在编程过程中需要注意在使用其中一个器件的时候应该将禁止另一个器件的片选信号，但是接口的复用能节约接口数量。

同样的，在VCC3.3和GND之间设置了一个104电容来滤波，以提高其稳定性。

以下是FLASH模块的电路原理图：
4.1.17 SD卡的选型及设计
SD卡在开发板中用来存储数据，由于目前SD小卡的运用越来越普遍，而且大卡的插头部分实在是太耗费开发板的位置，本小组决定采用小卡，方便简洁。

另外，考虑到电动赛车上震动强烈，各个元器件都应该有尽量高的抗震性，本小组选择了自弹卡套，这种卡套SD卡的电路并不复杂，保护电阻接在电源VCC3.3和地GND之间，另外电源VCC3.3和地GND之间采用一个电容滤波，保证其平稳运行。

以下是SD卡部分的电路原理图;
4.2 开发板电路原理图总图
开发板电路原理图并没有将各个部分分模块地绘制在几张原理图上，而是坚持放置在一张大的图纸上，这么做可以方便在设计过程中查找和修改，并且对各个部分有一个更好的把控。

以下是该开发板总的电路原理图：
5 PCB布线设计
5.1 PCB板的设计
以下是本小组设计的PCB板的截图。

5.2 PCB板大小的选择
为了尽量节省空间，本小组布的PCB板的尺寸为135mm×95mm，在这么多的元件数量的条件下已经相当小了，本小组对尽量缩小开发板的尺寸上下了很大的决心，例如在不发生干涉的前提下把元器件排布到板子两侧，虽然底层只放置了少数的体积不太大的元器件，但确实较大程度低缩小了板子尺寸。

但是，由于以此为目标，在布线过程中承受了甚至有可能板子都无法完成布线的风险，本次科研训练无法按进度结题的风险。

非常感谢布线人员所付出的努力！
5.3 EMC设计
EMC即电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility），是指设备或系统在所处电磁环境中能正常工作，同时不会对其他系统和设备造成干扰的能力。

电磁干扰的三要素是干扰源、干扰传输途径、干扰接收器。

最基本的干扰抑制技术是屏蔽、滤波和接地。

他们主要用来切断干扰的传输途径。

在高速逻辑电路中电磁兼容的问题特别需要注意，主要有以下四个原因：
1.电源与底线的阻抗随频率的增加而增加，公共阻抗耦合的发生比较频繁；
2.电源频率较高，通过寄生电容耦合到步线较有效，串扰发货所能更容易；
3.信号回路尺寸与时钟频率及其谐波的波长相比拟，辐射更加显著；
4.引起信号线路反射的阻抗不匹配问题。

本小组把电源线做了加粗处理；在晶振周围围了一圈地线；对地做了敷铜；为了使串扰减至最小，采用双面#字型布线；所有线均不走直角。

6 调试报告
6.1 LED调试
LED模块主要用来只是端口的状态。

本小组的开发板使用了三个LED灯，分别用于电源指示和数据读写指示。

在进行跑马灯实验调试时，电源指示的LED等正常亮起，数据读写指示的LED灯交替闪烁，在更改参数设置后数据读写指示的LED灯交替闪烁的速率有变化。

这一现象标志着本小组的LED模块通过了调试，不存在故障。

6.2 PWM调试
PWM即脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），PWM波形即占空比可变的波形，可以通过调节占空比达到改变输出有效电压的目的。

在调试时，通过更改参数的设置，LED 灯随着参数设置的变化发生明暗变化，即PWM部分通过调试，没有发现故障。

6.3 RS232接口的调试
本小组考虑到RS232接口中其实只连了极少数的几根线，于是果断摒弃RS232接口，转而用排座进行代替，为开发板节省了很大的空间。

调试过程中发现串口模块运行正常，LED灯正确地指示了接口的读写状态，认为此模块没有问题。

6.4 DAC模块的调试
本小组的DAC模块采用的是教材上的电路，虽然电路存在一点小错误，但基本功能还是可以实现的，仅仅是运放部分无法运行，得到的是单极性电流信号，没有放大成电压信号。

调试时在给予一个二进制代码后，能够用电压表测量出对应的电压值，表明DAC电路不存在故障。

6.5 USB模块的调试
USB模块是指USB供电模块、USB总线以及一键下载部分。

通过USB单独连接电脑后，电脑正确地识别出了USB-SERIAL CH340（COM3)端口，即USB部分通过调试，不存在故障。

6.6 CAN总线调试
通过CAN调试仪连接单片机，PC上位机能读取到板子的数据，示波器上能看到波形，说明CAN模块调试成功，并不存在故障。

7科研训练过程中遇到困难与解决办法总结
本次科研训练本小组主要遇到以下几个问题：
7.1Altium Designer软件的使用
Altium Designer软件在本次科研训练中占据了一个相当重要的角色，是本小组完成原理图设计和PCB布线的重要工具。

而本小组的成员之前完全没有接触过类似的软件，没有基础，在学习这款软件的使用上花费了不少的功夫。

结合教程视频，不断摸索，本小组终于完成了一个LED台灯的电路设计并且最终完成了成品的制作。

7.2开发板原理图的设计
虽然有学习过微机原理和微机接口等相关课程，但课本上的东西毕竟是理论知识，运用到实际中又是另外一回事了，因为实际运用过程中要考虑的因素更多，而且更重要的是：实际设计电路时往往没有一个标准的答案，产品性能的好坏取决于设计者的设计。

本小组在大量查阅前人的电路原理图的基础上，总结其优劣，综合分析其可取之处以及其局限性，结合课程所学知识，经过多次修改终于设计出了能够完成既定性能指标的产品。

7.3PCB板的布线问题
虽然完成了电路原理图的设计，但是如果PCB板的布线布得不合理，存在较大纰漏的话，开发板的性能也发挥不出来。

在充分考虑到PCB布线时各个因素的前提下，结合之前LED台灯的布线经验，参考网络上找到的布线要点，终于完成了布线。

7.4元器件焊接问题
如何可靠地将尺寸那么小的元器件稳定可靠地焊接到电路线路板上也是一个比较大的问题，必须保证不存在虚焊、短路等焊接质量问题。

在此过程中本小组总结出了一套方法：
对于大芯片来说，一般先用洗板水将电路板清洗一遍，在焊接位置涂抹焊锡膏，接下来上焊锡，此时要保证焊锡饱满并且不粘连，接下来将芯片与电路板上的焊盘对其，固定住四个角落，可以用夹子夹住以更可靠地固定芯片，此时再上焊锡，涂抹焊锡膏，尽量使得焊锡能从芯片引脚底下爬到引脚上，接下来可以用热风枪吹一吹引脚处，用电烙铁稍微修整一下焊锡，再用电烙铁检查一下是否存在短路和虚焊的现象。

对于中等大小的芯片则可以用拖焊的方法，更方便快捷。

拖焊注意换上刀口电烙铁，对正小芯片后用电烙铁拖动熔化的焊锡使焊锡比较好地附着在芯片的各个引脚上，之后再用电烙铁稍作修整，使得焊锡附着得更加完美，更加可靠，当然接下来也应该用电表检查一下是否存在短路和虚焊情况。

对于小的电阻电容等元器件则使用钝头电烙铁化好焊锡，比较轻松地就能焊接好。

对于直插件，虽然其焊接相对较为简单，但是在焊接住以后注意用电烙铁顺着引脚的方向提一下，如此处理焊锡能更可靠地附着在引脚上。

经过多次尝试，本小组终于克服了这个难关，成功焊接制作出了合格的产品。

8科研训练过程记录
这是在准备洗板子这是洗板水
这是洗完的板子这也是洗完的板子
这是焊板子的工作台这是工作台的另一角
这是一块半成品板子这也是一块半成品板子
这是组长在焊板子这使组长在焊板子
这是一块焊坏的板子这是另一块焊坏的板子
成品板子展示成品板子展示
成品板子细节展示1 成品板子细节展示2
成品板子细节展示3 成品板子细节展示4
跑马灯调试1 跑马灯调试2
PWM调试CAN总线调试1
CAN总线调试3 CAN总线调试4
9经验总结与心得体会
经过本次科研训练，本小组的组员都得到了较大的提升，有太多的心得体会，以下简要列举：
9.1最重要的一点是要好好把握进度
一个产品的开发一般都要遵循一套流程，这就意味着时间上有一个跨度，各个步骤所占据的时间很难以很大的程度削减，如果不好好把握进度，就有可能让之前所付出的所有努力全部白费，有可能科研训练无法按时完成。

所以，最好的是项目立项以后就制定一个时间表，并且严格执行，不可懈怠。

在项目进行的过程中可能会遇到各种各样的问题，例如由于考试、课程设计以及考研等等一些其他原因耽搁了科研训练所需知识的学习、由于开发过程中遇到困难而受挫等，此时一定要坚持，可以通过与同学和学长的交流寻求解决问题的办法，总之不能放弃，要积极主动地去解决问题。

9.2小组内部的分工问题
小组内部要好好分工，要注意调动所有组员的积极性，注意在各个阶段完成时组织组内会议，交流心得体会，总结各个阶段经验。

当组内成员水平差距较大的时候更应该多多交流，帮助后进生学习相关知识，注意解答其学习过程中的疑惑，培养一个良好的科研训练的氛围。