怎样去设计一种基于STM32F103C8T6的无线遥控器呢

1.遥控器简介



火星科技基于ARM Cotex-M3内核72M主频的STM32F103C8T6自主设计的一款10通道遥控器，其外形参考XBOX游戏手柄外观结构设计，小巧精致。外围硬件主要有白色OLED、高频头接口（可以适应对应接口的多种无线模块）、五项按键（抛去传统的轻触按键）、蜂鸣器、MPU6050陀螺仪重力传感器、RGB全彩LED指示灯、档位开关、拨轮、USB、W25QXX外部Flash芯片、RTC实时时钟、摇杆、两路串口预留、电源管理等等。

图1-2背面实物图





图1-3系统框图






图1-4原理图





图1-5 PCB尺寸及元件位置图正面





图1-6 PCB尺寸及元件位置图背面

MARS-STM32遥控器元件清单
Comment	Description	_Value	_Degree	Designator	Footprint	Pins	Quantity	LibRef	Message
CAPN	瓷片电容	0.1uF	>10V	C2, C4, C6, C7, C8, C10, C12, C13, C14, C15, C16, C17, C19, C20, C21	FY-0603_C	2	15	CAPN
CAPN	瓷片电容	12pF	>10V	C9, C11	FY-0603_C	2	2	CAPN
CAPN	瓷片电容	2.2nF	>10V	C5	FY-0603_C	2	1	CAPN
Inductor	电感	10uH		L1	FY-0603_L	2	1	Inductor	电感可以用0-10R电阻替代
LED_R	LED_R			D2	FY-0603_LED_R	2	1	LED_R
RES	电阻	1.5K	5%	R8, R9	FY-0603_R	2	2	RES
RES	电阻	100K	1%	R24, R25	FY-0603_R	2	2	RES
RES	电阻	100R	5%	R3	FY-0603_R	2	1	RES
RES	电阻	10K	1%	R4, R5, R10, R11, R12, R13	FY-0603_R	2	6	RES
RES	电阻	10K	5%	R6, R15, R18, R19, R21	FY-0603_R	2	5	RES
RES	电阻	10R	1%	R32, R33	FY-0603_R	2	2	RES
RES	电阻	1K	5%	R7	FY-0603_R	2	1	RES
RES	电阻	1M	5%	R20	FY-0603_R	2	1	RES
RES	电阻	22K	1%	R22, R23	FY-0603_R	2	2	RES
RES	电阻	22R	5%	R14, R16	FY-0603_R	2	2	RES
RES	电阻	24K	1%	R28, R29	FY-0603_R	2	2	RES
RES	电阻	4.7K	5%	R1, R2, R17	FY-0603_R	2	3	RES
RES	电阻	51K	1%	R26, R27	FY-0603_R	2	2	RES
RES	电阻	9.1K	1%	R30, R31	FY-0603_R	2	2	RES
CAPN	瓷片电容	10uF	>10V	C18	FY-0805_C	2	1	CAPN
CAPN	瓷片电容	47uF	>10V	C1, C3	FY-1206_C	2	2	CAPN	使用10UF 0805电容可以替代
BELL	蜂鸣器	3V	9mm	LS1	FY-BELL_9MM	2	1	BELL
CR1220	电子座	3V	CR1220	BT1	FY-CR1220	2	1	CR1220
1N4148	二极管			D4, D5	FY-D_MELF_1206	2	2	DIODE
H4X1	H4X1			P4	FY-H1.25-1X4A	4	1	H4X1
H4X1	H4X1			P3, P5	FY-H1.25-1X4W	4	2	H4X1
JOYSTICK	摇杆			R34, R35	FY-JOYSTICK	6	2	JOYSTICK
KEY6-5-10*10	KEY6-5-10*10			KEY1, KEY2	FY-KEY5-SMD-10*10*9	6	2	KEY6-5-10*10
LED_RGB[5050]-4	LED			D3	FY-LED_RGB[5050]-4	4	1	LED_RGB[5050]-4
STM32F103C8T6	单片机			U5	FY-LQFP-48	48	1	STM32F103C8T6
NRF24L01_MODULE	射频模块			U7	FY-NRF24L01_MODULE1	8	1	NRF24L01_MODULE
OLED_MODULE	OLED_IIC模块			P2	FY-OLED_IIC	4	1	OLED_IIC
PH2X1	PH2X1			PH1	FY-PH2.0_2AW	2	1	PH2X1
POT	电位器	10K	20%	RP1, RP2	FY-POT-BKP2	3	2	POT
MPU6050	陀螺仪芯片			U3	FY-QFN24 4*4	24	1	MPU6050
SS14	二极管			D1	FY-SMA	2	1	DIODE	使用0-10R电阻可以替代
W25X16	存储芯片			U6	FY-SO-8W_5*5	8	1	W25Q16BV
HT7133	电源芯片			U1	FY-SOT89M	3	1	HT7133	电源芯片二选一，优先选择662K
ME6206A33M3G	电源芯片			U2	FY-SOT-23-3	3	1	ME6206A33M3G
SS8050	三极管	1.5A		Q1	FY-SOT-23-3	3	1	SS8050
LTC4054	充电芯片			U4	FY-SOT-23-5	5	1	LTC4054
SW_2	SW_2			S1, S3	FY-SW-SMD6	6	2	SW_2
SW3-8	SW3-8			S2	FY-SW-SMD8	8	1	SW3-8
USB_MICRO	USB_MICRO			P1	FY-USB_MIC_V2	5	1	USB_MICRO
XTAL	晶振体	8M	20ppm	Y1	FY-XTAL_CT3P	2	1	XTAL
XTAL	晶振体	32.768K		Y2	FY-XTAL_YZ2*6	2	1	XTAL

图1-7 主界面





图1-8 主菜单





图1-9 舵量显示





图1-10设置界面1





图1-11 设置界面2





图1-12 版本信息和无线参数





图1-13 恢复出厂和无线配对

2.硬件详解










图2-1 STM32F103C8T6最小系统
主控使用的是性价比非常高的32位的STM32F103C8T6，具有 20KB SRAM、64KB FLASH、7 个定时器、7 通道 DMA 控制器、2 个 SPI、2 个 IIC、3 个串口、1 个 USB 全速接口、1 个 CAN 接口、2 个 12 位 ADC、以及 35 个通用 IO 口等。该芯片外设丰富、功能强大，也是最常见的芯片之一。在这么多外设里面遥控器主要用到了有Flash编程、DMA、SPI、IIC、串口、USB、ADC、通用IO、定时器等。其中ADC主要用来采集摇杆、段位、拨轮的通道数据和电池电压；串口用到了串口3和串口1，分别预留出来了端子可以扩展应用；IIC是用软件模拟IIC，主要用来驱动OLED和MPU6050，SPI是用来驱动无线模块和外部Flash芯片。
主晶振采用的是小体积的8MHz的村田3脚贴片晶振，内部自带有20pF电容，通过单片机倍频到72MHz作为主时钟。RTC晶振使用的是圆柱2脚32.768KHz的直插晶振。
2.2电源部分

2.1MCU主控部分










图2-1 STM32F103C8T6最小系统
主控使用的是性价比非常高的32位的STM32F103C8T6，具有 20KB SRAM、64KB FLASH、7 个定时器、7 通道 DMA 控制器、2 个 SPI、2 个 IIC、3 个串口、1 个 USB 全速接口、1 个 CAN 接口、2 个 12 位 ADC、以及 35 个通用 IO 口等。该芯片外设丰富、功能强大，也是最常见的芯片之一。在这么多外设里面遥控器主要用到了有Flash编程、DMA、SPI、IIC、串口、USB、ADC、通用IO、定时器等。其中ADC主要用来采集摇杆、段位、拨轮的通道数据和电池电压；串口用到了串口3和串口1，分别预留出来了端子可以扩展应用；IIC是用软件模拟IIC，主要用来驱动OLED和MPU6050，SPI是用来驱动无线模块和外部Flash芯片。
主晶振采用的是小体积的8MHz的村田3脚贴片晶振，内部自带有20pF电容，通过单片机倍频到72MHz作为主时钟。RTC晶振使用的是圆柱2脚32.768KHz的直插晶振。
2.2电源部分






图2-2 充电和稳压
电源部分主要就是充电和稳压，充电采用了一颗锂电池充电管理芯片通过Micro USB接口进行充电，这样充电可以更好的保护电池，D2可以显示电池充电状态，充电中D2亮，充满D2熄灭。稳压部分可以选用两种IC进行稳压，第一种是ME6206A33M3G，这个可以提供200mA的电流，但是承受电压范围比较小在6.5V以下；HT7133可以提供100mA以上的电流，但是支持更高的电压承受范围；在使用时因为电池使用的是1S的锂电池，所以建议用前者。USB和单片机连接，可以支持USB的VCP、HID、U盘等各种功能，目前程序v1.0是作为虚拟串口（VCP）使用。
2.3摇杆、段位、拨轮通道部分






图2-3-1 摇杆





图2-3-2 段位开关和拨轮
摇杆采用的是左手油门，也就是常说的美国手。左边摇杆上下不自动回中，适合做油门使用，右边摇杆前后左右自动回中。段位开关是两段+三段的形式，其中两段采用的是读取IO电平实现的，三段采用的是读取ADC值后量化整定实现的。拨轮有左右两个，分别接在了MCU的ADC口。
2.4五项按键






图2-4 AD按键
按键使用的是五项按键，可以左右前后拨动和下按，首先这个按键相当于5个独立的轻触按键，一个五向按键代替传统的5个轻触按键，优点当然有很多啦，体积小，操作更方便等，最主要的还是PCB的布局。两个五项按键都是用的ADC的方式，每个按键对应一路ADC，所以10个按键只需要两个IO就可以了，大大节省了MCU的IO资源。
2.5蜂鸣器和LED

  








图2-5-1LED                           图2-5-2 蜂鸣器
蜂鸣器使用的是9mm的小封装有源蜂鸣器，主要作用是来报警提示和操作提示。LED使用的是内置IC的RGB全彩单总线灯珠，一方面可以操作的信息更多，一方面接口简单。
2.6板载重力传感器MPU6050






图2-7 MPU6050传感器
为了增加更多的扩展功能，遥控器上贴有一颗MPU6050六轴传感器，这也是一颗非常常见的传感器，在遥控器v1.0版本还没有用到，此功能还有待后期加入，当然也可以进行二次开发。
2.7无线接口






图2-8无线接口
无线接口采用4*2的母座，对应NRF24L01无线模块。程序v1.0版本的无线驱动也是对应的这个模块，后期可以加入更多的无线模块以适应不同的应用和场合。
2.8外部FLASH






图2-9 外部FLASH
遥控器板载了一颗W25Q64的8M Byte FLASH存储器，其SPI通信与无线接口共用，主要功能也是为后期扩展用，可以用来做USB IAP和存储字库等。程序v1.0暂时还没有用到。
2.10屏幕






图2-10 OLED接口
屏幕采用的是OLED白色128*64的IIC接口点阵屏幕，其大小、分辨率对于遥控器来说也相对合适。主要用来显示遥控器的信息和提供人机界面辅助按键进行操控。
3.电气特性

• 工作电压：3.7 - 4.2V
  
• 供电方式：1S 3.7V锂电池供电
  
• 无线通信：NRF24L01（后期会更新不同的RF）
  
• 通信距离：根据不同RF功率和特性决定
  
• 充    电：Micro USB 5V 600mA
  
  

4.功能描述

4.1按键描述

五项按键有顾名思义有五个键值，分别是上、下、左、右和按下。我们将其简洁命名为U、D、L、R、P。左、右按键分别简洁命名为K1和K2。那么左、右边的上、下、左、右、按下分别对应K1-U、K1-D、K1-L、K1-R、K1-P和K2-U、K2-D、K2-L、K2-R、K2-P。下文将所有的按键操作以此为准。
4.2主界面

主界面主要是主要信息的显示，分别有信号强度、所使用的无线模组、遥控器电量、接收机电压、设备电压、进入菜单图标、定时器1（左）、定时器2（右）、调整摇杆零偏锁定图标、10通道数据。界面目前支持简体中文、英文两种显示模式。10通道数据支持模拟+数字、数字和模拟量三种显示模式。主界面默认没有指向哪一个选项，通过K1-U、K1-D、K1-L、K1-R或K2-U、K2-D、K2-L、K2-R可以切换到菜单图标、定时器1图标、定时器2图标和摇杆零偏调整锁定/上锁图标。
4.3定时器

主界面有两路定时器，作用是用来计时，其中第一组定时器默认是停止状态，即开机不会自动运行，可以通过手动来启动、暂停、清零；第二组定时器操作上和第一组一样，唯一的区别是上电会自动运行。启动、暂停的操作是界面图标切换到对应的定时器，短按K1-P或K2-P；清理操作界面图标切换到对应的定时器，长按K1-P或K2-P。
4.4调整摇杆

主界面可以直观的看到摇杆的四通道数据，因其摇杆的出厂精度等各种因素，需要手动矫正，此时可以解锁调整摇杆偏移后通过左右的按键将摇杆数据矫正。其中解锁是在屏幕移动到“锁定”图标上按K1-P或K2-P，解锁后图标“锁定”变为图标“开锁”；上锁是在调节零偏状态（此时锁图标为开锁状态）按K1-P或K2-P，上锁后图标“开锁”变为图标“锁定”；在调节过程，K1-L、K1-R调节的是YAW，K1-U、K1-D调节的是THR,K2-L、K2-R调节的是ROL、K2-U、K2-D调节的是PIT。
4.5菜单

进入菜单的方式有两种，在默认没有指向菜单选项或者指向菜单图标选项情况下，按下K1-P或者K2-P即可进入到菜单内部。主菜单共有8项选择可以根据选择进入，切换子菜单选项的方式为按下K1-U、K1-D、K1-L、K1-R或K2-U、K2-D、K2-L、K2-R，进入到子菜单的的方式为按下K1-P或K2-P。子菜单有分别对应舵量显示、系统设置、无线参数、无线对频、版本信息、恢复出厂、固件升级、返回主页。在默认情况下2.5s没有按键操作会自动返回到主界面。
4.5.1舵量显示子菜单

舵量显示主要用来测试10通道遥控数据，分别是摇杆4通道、段位2通道和拨轮2通道。在此界面有两个选项分别对应显示模式（左）和返回（右），在显示模式图标下可以按K1-P或K2-P来切换不同的三种显示模式，注意这里的显示模式更改后并不会保存，也就是主界面的显示模式并不会更改，如需更改主界面的显示模式，需要在设置子菜单里面进行修改（详细操作请看系统设置子菜单）。在返回图标下按下K1-P或K2-P可以返回到主菜单。
4.5.2系统设置子菜单

进入到系统子菜单后，会有多项设置项，目前支持的有语言、显示、日期、时间、报警、信号强度、遥控电压、接收机电压、设备电压、返回。此界面因为设置项多和屏幕小的问题共分成了三页进行显示，可以按下K1-U、K1-D、K1-L、K1-R或K2-U、K2-D、K2-L、K2-R来切换不同的设置项。需要对某一项设置更改只需要切换到对应的图片按下K1-P或K2-P键即可进入，在进入设置之后同样可以按下K1-U、K1-D、K1-L、K1-R或K2-U、K2-D、K2-L、K2-R来对应设置，设置完毕后按下K1-P或K2-P即可保存设置。其中报警设置项为报警的总开关，即报警开关打开的情况下才会根据报警内容进行报警，报警是通过蜂鸣器和RGB-LED进行提示。如果在2.5s内没有按键操作并且没有进入任何一设置项，系统设置子菜单会自动返回到主菜单界面。
4.5.3无线参数子菜单

进入到无线参数子菜单后，用户可以直观的看到当前使用的模组类型、通信地址、通信频率、信号强度。其中信号强度有tx_rssi和rx_rssi，tx_rssi是发送到下属接收机的信号强度，rx_rssi是接收到接收机数据的信号强度。在此菜单如需返回上一层只需按下K1-P或K2-P键即可。
4.5.4无线对频子菜单

进入到无线对频子菜单后，可以根据用户的选择执行对频和取消操作。
4.5.5版本信息子菜单

进入到该界面后，用户可以观察到系统的程序版本、CPU使用率和作者信息。在此菜单如需返回上一层只需按下K1-P或K2-P键即可。
4.5.6恢复出厂子菜单

进入到该界面后，可以根据用户的选择执行恢复出厂和取消操作。恢复出厂会清除所有的零偏矫正数据、设置项数据、无线模组数据等。
4.5.7固件升级子菜单

进入到该界面后，可以根据用户的选择执行固件升级和取消操作。目前固件升级的功能还没有开发完善，只是预留做后期扩展。
5.关于二次开发






图5-1工程目录
遥控器程序使用的是ST官方3.5的标准库，工程建立使用的是Keil5。源码主要包含有STM32的标准库函数、自行编写的底层硬件二次封装函数、UCOSII、USB等等，并没有用到UI，只是简单做了一个界面。USB目前作为虚拟串口使用，可以根据需求修改描述符作为不同的设备。遥控器所有动作和工作都是基于操作系统的任务形式执行，UCOSII用到了一些系统的资源，如信号量、消息队列、软件定时器等等。移植、修改、二次开发都相对简单。
至于无线模组、目前调试好的有市面上最常见的NRF24L01模块，可以选择PCB天线、PA大功率版本的，根据具体需求自行选择。无线部分有做上层处理，也就是支持不同类型的无线模组、具体的实现方式是通过函数指针自动选择、开发者只需要把无线模组底层调试好，移植到工程目录，通过上层的硬件选择代码添加上就可以了。






图5-2 部分源码1





图5-3 部分源码2