ROS移动机器人的通信接口电路设计

本文来聊聊ROS移动机器人中控制器与树莓派进行传输信号的通信接口电路设计。在此之前回顾下在本项目第一篇文章中提到的硬件框图，如下图所示：

从图中可以清楚地看出，树莓派通过wifi和PC机通信，同时树莓派通过串口与控制器通信。 目前市面上的树莓派3B，4B在电路设计时已经加入了WIFI模块，可以通过编程与PC机通信，这里的电路设计我们不用考虑。 树莓派与主控进行通信时需要使用USART通信协议。 此时常用的方法是使用TTL模块将USB协议转成USART协议，这时就不可避免的在树莓派上插入USB转TTL模块，然后通过杜邦线与主控连接。

使用这种方法，看似方便，但是系统的整体布线看起来会显得非常凌乱，还会存在接触不良的问题，引起控制系统的不稳定。 对于电路设计集成度和完美主义追求者，这点是不能容忍的。 所以在控制器设计中，直接将通信协议转换电路集成到了PCB板中，提高了系统集成度和系统的稳定性。

USB转TTL电路设计

在控制器原理图设计中，集成了如下USB转TTL电路。 这个电路比较常见，它支持串口通信，与STM32程序一键下载功能(可省去购买仿真器)。

在电路中VD10用于防止电流倒灌，防止在STM32不需要供电时，CH340G芯片的TX引脚依然给主控芯片供电引起的程序的错误执行情况。

芯片中V3引脚除了在不同电压供电模式下接法不同，对于电容数值选用也是需要注意的。 V3引脚的电容用于内部电源节点退耦，来改善USB传输过程中的EMI，通常容量在4700pF到0.1uF范围，建议容量为0.01uF。

在CH340G芯片设计中需要外接12M石英晶振和与之匹配的22pf高频起振电容。 为芯片在通信过程中提供时钟基准。 在PCB布局和布线时需要保证晶振走线尽可能短，在晶振走线下方不要布其他信号线，当条件允许时，可以对晶振走线进行包地处理，以防止时钟信号受到干扰。

STM32一键下载电路实现原理

下面我们来看看CH340G是如何实现STM32一键下载功能的。

STM32有以下三种启动模式：

从表中可以知道，使用串口烧写程序，需要配置BOOT0为1，BOOT1为0，如果想STM32一复位就运行代码，需要配置BOOT0为0，BOOT1配置为什么都可以，为了实现这个功能，可以设计一个电路，通过CH340G芯片的DTR#和RTS#引脚的信号来控制电路状态，从而间接控制STM32的RESET和BOOT0引脚的信号， 实现一键下载功能。 控制电路如下图所示：

当使用FlyMcu软件时需要选择DTR的低电平复位，RTS高电平进BootLoader模式,如下图所示，这样在进行程序烧写时，DTR和RTS引脚就能够进行控制一键下载电路在适当的时刻，使STM32复位引脚和BOOT0处于正确的电平，实现STM32复位与程序烧写。

首先FlyMcu控制DTR置低，则DTR#输出高电平，同时RTS置高，则RTS#输出低电平。 这时三极管Q1和Q2同时导通，NRST引脚被拉低单片机复位，BOOT0引脚拉高为1。 延时一段时间后FlyMcu控制DTR为高电平，则DTR#为低电平，RTS#持续保持为低电平，三极管Q1截止单片机停止复位，此时BOOT0依然维持高电平1，单片机进入ISP模式，这时就可以实现STM32一键烧写程序了。 其中DTR#和RTS#的波形如下图所示。