我认为，学习嵌入式成长最快的方式就是做项目。单独学习 GPIO、定时器、ADC 和串口时，每个知识点都有对应的例程，但真正把它们放进同一个系统里，才会开始考虑引脚怎么分配、电源怎么供、模块之间怎么通信，以及一个动作应该在什么条件下执行。

因此，我决定制作自己的第一个综合项目：基于 STM32 与 K230 的麦轮视觉拾取机器人。希望通过这次项目，把之前学过的单片机外设、PCB 设计、电源设计和舵机控制串起来，再逐步加入无线遥控与视觉识别。

这个项目的应用背景来自物流搬运。物品从一个位置送到另一个位置，中间既有移动，也有寻找、对准和拾取。对重复的小件搬运任务来说，人工操作需要不断调整位置、判断目标、完成抓取；如果只用固定位置的机械臂，工作范围又会受到安装位置限制。

于是，我想把能够灵活移动的麦克纳姆轮底盘与机械臂结合起来：由人遥控小车接近目标，再让视觉系统提供目标位置，由机械臂完成拾取。先围绕一个明确的小场景，把“移动到附近—识别目标—执行抓取”这条流程建立起来。

项目状态：未完成版，更新于 2026 年 9 月 25 日。 目前已完成遥控器和机械臂控制板的原理图、PCB 设计，并进行了单舵机按键控制的基础实测；小车控制板尚未绘制。本文记录当前的系统方案、硬件设计与控制基础。

从应用场景确定设计目标

移动、定位和拾取分别解决什么问题

物流场景给这个项目的启发，主要落在三个方面。

首先是工作位置会变化。物品未必总在同一个位置，移动底盘可以把机械臂带到不同的工作区域。

其次是靠近目标后还需要对准。普通前进、后退和转向会让近距离调整变得反复。麦克纳姆轮底盘能够通过四个车轮的配合实现前后移动、横向平移和旋转，适合用来调整机械臂与目标之间的位置关系。

最后是拾取动作需要知道物体在哪里。仅靠手动逐个调节关节，操作步骤比较多。加入视觉后，可以把目标定位交给相机，把动作执行交给机械臂控制器，让操作者主要负责移动和发起任务。

本项目的操作流程

项目围绕红、绿、蓝色小方块开展，先在桌面完成机械臂与视觉系统的配合，再把机械臂和相机安装到小车上，拾取地面上的目标。

预期的操作流程为：

1. 使用遥控器驾驶小车，接近目标方块。
2. 视觉系统识别目标，判断其是否进入有效拾取区域。
3. 目标满足拾取条件后，通过蜂鸣器提示。
4. 操作者按下自动拾取按键，小车保持停止。
5. 重新确认目标位置，机械臂执行接近、夹取和抬起动作。
6. 动作结束后返回状态，等待下一次操作。

这里的自动化重点是停车后的视觉定位与机械臂拾取。底盘的移动由操作者遥控，便于先把识别、抓取和运动控制之间的关系理清楚。

第一阶段把自动化做到哪一步

确定方案时，一个重要的决定是把第一阶段的目标放在“手动接近、按键触发、停车抓取”。如果同时加入自主接近目标，视觉就要参与底盘行驶控制，系统还要处理车身姿态变化、移动中的目标定位，以及底盘与机械臂何时交接控制权。

因此，我先由操作者完成大范围移动，把自动化集中到一个静止工作区域内。这个取舍保留了视觉拾取的核心问题，同时让每一次动作的起点更容易确定。蜂鸣提示表示系统认为目标具备拾取条件，按键则表示操作者确认开始，二者在流程中承担不同职责。

系统方案与模块分工

整套系统划分为遥控器、小车、机械臂三个 STM32 控制端，另外使用庐山派 K230 承担视觉处理。

通信关系可以概括为：

1
2
3
4
5
6
7

                    ┌─ 无线 ─ 小车 STM32 ─ 四轮底盘
遥控器 STM32 ─ nRF24L01
                    └─ 无线 ─ 机械臂 STM32 ─ 五路舵机
                                    │
                                   串口
                                    │
                                庐山派 K230

三块主控的划分依据

小车和机械臂分别与遥控器通信，协调指令由遥控器发起。底盘控制围绕四轮运动展开，机械臂控制围绕关节和抓取动作展开，遥控器则围绕人的操作展开。按这些任务划分，机械臂可以脱离底盘先做桌面调试，小车也可以单独验证遥控行驶。

这种划分增加了主控数量，也需要维护两条无线通信链路。相应地，每块板的任务、接线和调试入口比较明确，修改机械臂动作时可以集中在机械臂端。对于这个逐步搭建的项目，我更看重各部分能够独立推进。

机械臂和小车之间没有直接通信，因此停车确认、抓取请求和动作状态需要经过遥控器协调。这也决定了后续协议需要传递双向状态：除了“发出指令”，还要知道指令是否被接收、当前是否允许执行下一步。

视觉处理与运动控制分开

图像识别和舵机控制需要的资源不同。相机侧需要采集、处理图像，运动侧则需要持续管理 PWM、关节目标与动作顺序。本版让 K230 处理图像，通过串口发送目标结果；STM32 接收结果并管理执行过程。

这样划分后，板间传递的内容可以集中在目标位置、有效性和任务状态上。联调时也可以先向 STM32 输入一个已知位置，检查机械动作，再接入视觉定位结果，便于判断偏差来自识别、坐标换算还是执行过程。

机械臂端沿用已有的 STM32F103C8T6 最小系统板。它提供定时器、ADC、SPI 和 USART 等外设，能够分别对应舵机 PWM、电池检测、无线通信和视觉串口。STM32F103C8 官方资料列出了这些外设资源，设计扩展板时再根据实际引脚复用关系进行分配。

遥控器原理图设计

遥控器是整套系统的人机交互入口。这一版采用双摇杆、十二个独立按键、OLED 显示和三路指示灯，并将电池供电与无线通信一起集成到手柄形状的 PCB 上。

电池供电与电压检测

遥控器按单节锂电池供电设计，电池经过电源开关，再由 XC6206P332MR-G 稳压至 3.3 V，提供给控制与外围电路。

电池检测使用电阻分压后接入 PA0。上臂电阻为 10 kΩ，下臂电阻为 22 kΩ，采样节点并联 100 nF 电容。

按常规单节锂电池满电 4.2 V 代入，采样电压约为 2.89 V。软件可以根据 ADC 采样值换算电池电压，再用于屏幕显示和低电量提示。

双摇杆与独立按键

两个摇杆分别提供 X、Y 两个模拟量以及按压开关。四个模拟量接入 PA1～PA4，两个摇杆按压信号接入 PB0 和 PB1。

摇杆适合表达连续的方向和速度变化；独立按键适合发出模式切换、动作触发等离散指令。本版保留十二个独立按键，其中 U10 用作模式键，用来切换小车与机械臂的操作模式；顶部的 SW1 则负责电源通断。

按键通过上拉电阻保持默认高电平，按下时拉低。每个按键独立接入 GPIO，程序可以直接读取按键状态，再进行消抖和事件处理。

双摇杆的考虑来自麦轮的操作需求：前后移动、横向移动和旋转需要三个连续控制量，两个双轴摇杆提供四个模拟输入，便于安排驾驶操作，也为机械臂模式保留输入空间。

按键部分最终采用十二路独立 GPIO。与矩阵扫描相比，这种接法占用更多引脚，但各键的电平和布线可以直接对应，单键检查、消抖以及组合操作的处理也更直观。这一版优先采用这种便于逐个调试的连接方式，并在分配时一起核对 JTAG、串口等复用功能。

无线、显示与状态提示

nRF24L01 接入 STM32 的 SPI2：PB13、PB14、PB15 分别承担时钟、接收和发送信号，PB12 为片选，PB10 控制 CE，PB11 接 IRQ。无线模块的供电处设置了 100 nF 与 10 μF 电容。

OLED 使用 PB8、PB9 两根信号线，三路 LED 分别用于低电量、小车通信和机械臂通信状态提示。这样在操作时，既可以通过屏幕读取详细信息，也能通过指示灯快速判断连接状态。

部分独立按键使用了 PA15、PB3、PB4。对应固件需要关闭 JTAG、保留 SWD，释放这几个引脚作为普通 GPIO 使用。

机械臂控制板原理图设计

机械臂控制板将五路舵机、视觉接口、无线模块、OLED、电池检测和本地操作接口集中起来。STM32 最小系统板通过排针接入扩展板，外围接线则统一从板边引出。

逻辑电源与舵机电源分路

这一版以 12 V 电源输入为基础，电源经过开关后分成逻辑和舵机两条支路。

• 逻辑支路： 通过 MP1584EN 降压模块得到 5 V，供最小系统板及 K230 等逻辑侧设备使用；3.3 V 外设由相应的 3.3 V 电源网络供电。
• 舵机支路： 通过接线端子引出电源，连接外置舵机降压模块，再将稳压后的 5 V 接回 +5V_SERVO，分配到五个舵机接口。

两条支路共地，但 +5V 与 +5V_SERVO 分开布置。舵机启动和关节负载变化时，电流也会随之变化；将其供电路径单独安排，可以让大电流走专用配电路径，避免经过最小系统板的供电排针。

这里的关键考虑是五只舵机在真实动作中的供电需求。机械臂伸出、抬升和夹持时，各关节的负载并不相同，同时动作时电源还要承担叠加的电流变化。因此，单只舵机能转动，只能作为单路控制的基础；整臂电源需要结合关节负载与并发动作安排。

本版将逻辑降压留在板上，把舵机降压做成外置模块接口。这样在确定实际供电能力时，可以调整舵机电源模块，同时保留已经安排好的主控和信号接口。代价是增加一组外部模块与接线，收益则是电源选择更加灵活。

分路供电仍然共享信号参考地。布线时需要让舵机电流沿电源入口与舵机接口之间的路径流动，并减少与主控、无线模块共用的回流路径，才能让这项电源划分在 PCB 上发挥作用。

这也是之前制作两级降压电源板之后，在实际项目中进一步考虑的问题：除了输出电压，还要根据负载特性安排电源支路与连接方式。

五路舵机 PWM

机械臂共使用五只舵机，包含夹爪。扩展板为每一路提供 PWM、5 V 舵机电源和 GND 三根连接。

这样可以使用硬件定时器产生五路 PWM。程序更新各通道的比较值，就能分别设置舵机的目标位置。接口编号用于组织接线，实际关节与通道的对应关系再按装配位置统一管理。

K230 视觉接口与调试串口

视觉端选用庐山派 K230，机械臂板上的 H6 引出 5 V、PA9、PA10 和 GND。PA9、PA10 分别作为 USART1 的发送与接收信号，与 K230 的接收、发送信号交叉连接。

本项目把图像采集与识别安排在 K230 上，STM32 侧接收目标信息并执行动作。两块板之间的串口连接与配置，可结合庐山派官方的UART 开发文档进行实现。

板上另外引出了 PA2、PA3 对应的 USART2 调试口。视觉通信与调试输出各用一组串口，便于联调时同时查看识别数据和机械臂状态。

电池采样与本地操作

机械臂板同样使用 PA0 检测输入电压，分压电阻采用上臂 10 kΩ、下臂 3 kΩ，并在采样节点并联 100 nF 电容。

12 V 输入时，采样电压约为 2.77 V；按 12.6 V 计算时，约为 2.91 V。软件读取 ADC 后，可以用对应的分压比例还原输入电压。

此外，板上还设置了 OLED 接口、四个本地按键、指示灯和蜂鸣器接口。本地按键用于单板操作，OLED 用于查看运行信息，蜂鸣器则承担目标进入拾取区域等事件提示。

PCB 布局与接口安排

遥控器：按握持方式安排器件

遥控器采用手柄轮廓，上方布置两个摇杆，左右握持区域及中间位置布置独立按键，电源开关位于顶部。这样的布局围绕双手操作展开，让连续控制和动作按键各有位置。

无线模块接口朝向板外，显示与主控连接区域布置在中部。设计中同时预留了四个安装孔，便于后续安装支撑件或外壳。

机械臂板：按接线方向划分区域

机械臂控制板约为 100 mm × 78 mm。电源输入和开关位于左上方，五路舵机接口沿左侧排列，K230 和 OLED 接口位于左下区域，nRF24L01 接口位于右上方，STM32 最小系统板插座位于右侧。

布局时重点考虑了三件事：

• 舵机电源就近分配。 舵机接线端子与五路接口放在相邻区域，使用较宽的电源走线连接。
• 信号按功能集中。 视觉、显示、无线与调试接口分别安排，降低接线时相互穿插的程度。
• 保留插拔与安装空间。 最小系统板的 USB 一侧朝向板边，安装孔分布在四角。

本版将舵机电源主干按 60 mil、逻辑 5 V 主干按 30 mil、一般信号线按 10 mil 进行布线，并使用顶底层地铜连接地网络。宽线用于降低配电路径的电阻，实际承载能力仍与铜厚、长度、连接器和温升共同相关。

以上图片为本版 PCB 布线与三维预览，便于对照原理图查看各模块在板上的位置。

从单舵机控制建立软件基础

机械臂的动作最终要落实到各路舵机控制，因此我先使用 STM32F103C8T6 做了单舵机按键控制实验。通过按键改变舵机指令，已经完成基础转动测试。

现有测试工程将 PWM、舵机角度换算、按键和 OLED 显示分别封装。主程序读取按键事件，更新目标角度，再调用舵机接口输出，并在 OLED 上显示当前指令值。

定时器怎样产生舵机信号

测试程序使用 PA1 对应的 TIM2_CH2，定时器时钟按 72 MHz 配置，预分频器设置为 71，自动重装值设置为 19999：

这样每次计数对应 1 μs，一个 PWM 周期为 20 ms。改变比较寄存器的值，就能改变每个周期内的高电平时间。

测试工程采用 500～2500 μs 对应 0～180° 的换算设置，角度到脉宽的关系为：

这组数值是当前测试工程的设置。整臂使用多种舵机，软件中会分别管理各关节的脉宽范围、转动方向和机械限位。

从一个通道扩展到动作流程

单舵机程序解决的是“给定角度，输出对应 PWM”。五路机械臂还需要在这个基础上组织多个关节的动作顺序。

因此，后续程序按三层展开：底层产生各路 PWM，中间层管理关节目标与限位，上层管理观察、接近、夹取和抬起等动作。这样调整某个关节的参数时，不必同时改写整套抓取流程。

OLED 上显示的是发送给舵机的目标角度。当前普通 PWM 接口提供位置指令，关节实际运动情况则结合机械结构和调试观察来确认。

视觉定位与自动拾取方案

相机装在车体上，还是跟着夹爪运动

相机安装位置是这个项目中影响较大的一个选择。考虑过的两种方向，一种是固定在车体或机械臂底座附近，另一种是安装在夹爪后方，随腕部一起运动。

对当前方案而言，优先考虑车体固定、斜向下观察。普通 PWM 舵机接口没有向 STM32 返回实际关节角度，如果让相机跟随腕部运动，再根据指令角度推算它的位置，关节间隙和负载引起的偏差也会进入定位过程。固定相机可以减少这部分随动作变化的关系。

从几何上看，腕部相机需要结合相机与夹爪的安装关系，以及当前机械臂姿态，才能把观测转换到底座坐标；固定相机则可以建立相机到底座的固定转换关系。OpenCV 的手眼标定说明介绍了这两类安装关系。本文据此优先采用较适合当前控制基础的固定相机方案。

支架从一开始就考虑装车

桌面调试时，高架俯拍很容易获得较完整的画面，但最终机械臂和相机都要安装到小车上，支架高度、底盘空间以及运动时的晃动都要一起考虑。因此，目前优先评估紧凑的固定支架，让相机斜向下观察车前区域。

相机只需覆盖计划使用的拾取区，安装位置则要避开机械臂伸展和回转时扫过的空间。这里的“固定”是相对车体和机械臂底座固定；车体姿态、相机安装关系或工作面高度变化时，仍要重新核对标定关系。

先建立一个明确的拾取区域

本项目先面向静止的彩色方块。相机方案优先考虑相对底盘和机械臂底座固定，斜向下观察车前区域；小车把目标送入视野与机械臂都能覆盖的范围，再停车拾取。

有效拾取区域需要同时满足：目标能被相机看清、机械臂能够到达、运动路径有足够空间。这样“发现目标”与“可以开始抓取”就有了明确的判断条件。

从图像位置到机械臂目标位置

视觉部分按以下流程组织：

1. K230 获取图像，识别目标颜色和位置。
2. 根据标定关系，将图像中的位置换算到机械臂使用的坐标系。
3. 判断目标是否处于设定的有效拾取区域。
4. 将目标信息发送给机械臂 STM32。
5. 操作者触发任务后，更新目标位置，再执行抓取动作。

相机得到的是图像坐标，机械臂需要的是相对自身底座的位置。两者之间通过标定建立联系；由于相机采用斜视方案，标定时还需要考虑透视关系与目标所在平面。

这里还有一个容易被忽略的考虑：识别参考点所在的高度要与标定一致。 如果检测的是方块顶面中心，它与地面之间有一个方块高度。斜视条件下，将顶面上的点直接套用地面映射，会引入位置偏差。因此，标定方案要先说明定位的是哪个面、哪个点，再把它转换成夹爪需要到达的位置。

用状态组织一次拾取

一次自动拾取可以按“等待指令 → 确认目标 → 接近 → 夹取 → 抬起 → 结束”划分状态。每个状态负责一段动作，并规定进入下一状态的条件。

遥控器在发起抓取时协调底盘停止与机械臂动作，抓取期间保持停车；机械臂端返回执行状态，遥控器据此显示任务进度。这个分工让移动操作和拾取操作能够衔接起来。

动作配合的重点是明确“什么时候允许开始”。软件设计中将停车确认放在伸臂之前，并在停车后使用新的视觉观测复核目标位置，避免直接沿用行驶过程中取得的位置。

无线指令也需要区分持续控制和单次任务：摇杆可以持续更新速度请求，拾取按键则对应一次任务。为此，计划给动作请求分配序号，重复收到同一个请求时返回状态，避免因长按或无线重发重复启动抓取。通信恢复后也要等待新的操作请求，保持任务起点明确。

当前进度与小车控制板规划

截至本次记录，项目已形成以下基础：

小车板将承担四路电机驱动、无线接收和底盘运动控制，并结合超声波测距、灯光等功能安排接口。绘制时需要同时考虑电机供电路径、驱动电流和 STM32 外设资源，使它能够与遥控器、机械臂端配合。

项目推进顺序是先把桌面上的机械臂与视觉流程建立起来，再完成小车板和底盘控制，最后进行装车与整机联调。相机与机械臂的安装关系从桌面阶段就一并考虑，方便后续迁移到移动底盘。

为什么先做桌面验证

抓取位置出现偏差时，原因可能在图像定位、坐标换算、关节参数，也可能来自底盘移动。如果把所有部分一次装到车上，这些影响会叠在一起。桌面阶段固定底座，可以先围绕视觉与机械臂检查问题，把底盘运动的影响放到后续阶段处理。

桌面验证按“单关节动作 → 给定位置的机械动作 → 视觉提供位置 → 整车配合”的顺序推进。前一步建立可用基础后，再接入下一部分，更容易解释每次测试的结果。

同时，相机与机械臂尽量安装在同一套可迁移的底板上，提前考虑车上安装面与地面之间的高度关系。这样桌面阶段得到的机械结构和接线安排可以继续使用，装车时再围绕实际视野、工作面和底盘姿态核对标定。

总结

从之前的降压电源板，到这次遥控器和机械臂控制板，设计中需要同时考虑的事情明显增加了：引脚既要满足连接数量，也要对应合适的外设；供电既要提供正确电压，也要照顾执行器的电流变化；各个模块还要围绕同一次操作配合起来。

这个项目让我开始把“会用某个外设”进一步落实到“用这些外设完成一件事”。目前完成的两块 PCB，将摇杆、无线、视觉接口和五路舵机控制放进了明确的系统分工中。接下来继续沿着这套结构，把小车控制板和视觉拾取流程逐步实现，让设计真正落实到机器人动作上。

参考资料

• STM32F103C8 官方产品资料：主控外设资源与配套文档。
• 庐山派 K230 串口通信文档：串口配置、收发与接线说明。
• LM2596＋AMS1117 两级降压电源设计：此前的电源设计与实测记录。

做单片机实验时，供电往往是接线前就要解决的问题。手边的电源可能是 12 V、24 V，而单片机和外设需要的是 3.3 V、5 V。同一套电路里，不同器件的工作电压也未必相同，不能把输入电源直接接到所有器件上。

因此，我想做一块能同时提供 5 V 和 3.3 V 的电源板，方便之后搭建实验电路。除了得到两路输出，也借这个过程弄清楚：降压芯片为什么还需要电感、二极管和电容，这些元件的参数怎样确定，以及它们在 PCB 上应该怎样连接。

这块板目前已经完成制作与实测。在约 12 V、24 V、32 V 三个输入电压点，两路空载输出均处于预期电压附近；接入电子负载后，5 V 和 3.3 V 两路分别完成了约 0.8 A 的带载测试。下面从电路设计讲起，再把实物与测量结果放在一起看。

确定供电方案

为什么分成两级

获得较低的直流电压，可以使用线性稳压器，也可以使用开关降压电路。两者处理输入、输出压差的方式不同。

线性稳压器通过内部调整管维持输出电压，输入与输出的电压差落在调整管上。流过它的电流越大，产生的热量就越多。忽略芯片自身消耗，功率损耗可以估算为：

例如，12 V 输入、3.3 V 输出，稳压器输出电流为 100 mA，压差损耗约为 0.87 W。如果把它的输入先降到 5 V，同样电流下，这部分损耗就降到约 0.17 W。

所以，本版采用“开关降压＋线性稳压”：LM2596 先得到约 5 V，AMS1117 再从这一路得到约 3.3 V。前一级承担大部分电压转换，后一级处理较小的压差。同时将一级输出引出，供需要 5 V 的外设使用。

直流输入 → 防反接与输入旁路 → LM2596 → 约 5 V，再分为两路：

• 直接接到 5 V 输出接口。
• 经 AMS1117 稳压后，接到约 3.3 V 输出接口。

本版的设计范围

输入主要面向 12 V、24 V 直流电源，最高正常输入按 32 V 设计；初始参数计算以一级总输出 0.5 A 为工作点。后面的实测进一步记录了两路分别带约 0.8 A 负载时的表现。这里的 32 V 是设计输入范围，不是过压保护的动作点。

5 V 与 3.3 V 两路共地。由于 AMS1117 由一级供电，一级电流需要同时包含外部 5 V 负载和二级输入电流：

因此，参数计算中的 0.5 A 指一级合计输出电流。两路同时接入单片机、显示屏或其他模块时，需要按这个分路关系合计电流。

下面是本版原理图。上半部分为 LM2596 降压电路，下半部分为 AMS1117 稳压电路；后面的元件编号都与这张图对应。

一级降压电路

电压是怎样降下来的

先看 U1、D2、L1 和 C3 组成的部分。

LM2596 内部有一个高速开关。它导通时，输入电源经开关和 L1 向输出送电；关断时，输入到电感的通路被切断。但电感中的电流不能瞬间降为零，D2 就为它提供了另一条通路，使电流继续经过 L1 流向输出。

以电感电流连续的情况来看，一个周期内有两种状态：

• 开关导通：输入 → U1 内部开关 → L1 → 输出 → GND。
• 开关关断：GND → D2 → L1 → 输出 → GND。

导通期间，电感电流上升；关断期间，电感电流下降。D2 因此称为“续流二极管”，它的阴极接 U1 的 OUT，阳极接 GND。

U1 的 OUT 脚输出的是开关脉冲，这个位置也叫 SW 节点。脉冲经过 L1 和输出电容后，才在右侧形成较平稳的直流电压。LM2596 再通过反馈，调整每个周期内开关导通的时间，使输出维持在设定值附近。其典型应用和引脚说明见 LM2596 数据手册。

用反馈电阻设定输出

芯片需要知道实际输出是多少，因此从电感后方取样，通过 R2、R1 分压后送到 FB 脚。

输出升高时，FB 电压也升高，控制电路减少向输出传递的能量；输出降低时则相反。稳态时，FB 电压维持在内部参考值附近。按 1.23 V 的标称参考电压计算：

本版使用 R1＝1 kΩ、R2＝3 kΩ：

这组阻值使用 0603、1% 电阻，方便采购和焊接。接口标为 5 V，按标称参考电压计算为 4.92 V；实物的空载测量结果为 4.96～4.98 V。

由电流变化确定电感参数

电感限制的是电流变化速度。在相同电压作用下，电感量越大，电流上升、下降得越慢，一个开关周期内的电流起伏也越小。

导通时，忽略开关压降，电感两端电压约为 Vin − Vout。由电感关系式可得：

再用导通时间 ton＝D/f，以及理想连续导通 Buck 的占空比 D≈Vout/Vin，就得到：

这里 ΔIL 是电流纹波的峰峰值。为了便于估算，取输出 5 V、输入 32 V、开关频率 150 kHz，代入本版使用的 68 μH：

当一级平均输出为 0.5 A 时，电感电流围绕这个平均值上下变化：

因此，检查电感是否会饱和，要看约 0.707 A 的峰值；评估绕组发热，则要结合约 0.514 A 的有效值和直流电阻。这也解释了为什么输出电流为 0.5 A，不能只找一颗标着“0.5 A”的电感。

本版采用 68 μH 电感。在上述计算条件下，电流纹波峰峰值约为平均电流的 83%。增大电感量可以降低这个比例，选型时还要一起比较器件体积、直流电阻、饱和电流和温升电流。

这里计算的是电感电流纹波。它与输出端的电压纹波属于不同的量：电感、电容和电容的 ESR 共同影响最终的输出电压波动，后文通过示波器记录实物的输出纹波。

输入端为什么还要放电容

开关导通时，输入端需要向电路提供电流；关断时，这一路电流随之改变。如果只靠较长的供电线送电，导线的寄生电感和阻抗会使芯片输入端出现电压波动。

C1、C2 放在 U1 附近，就是为了让快速变化的电流能就近取得。C1 使用 100 μF／63 V 贴片电解，C2 使用 1 μF／50 V 陶瓷：前者提供较大的储能容量，后者承担较高频率下的旁路作用。

它们前面的 D1 同样选用 SS56，但这里是串联防反接。D1 阴极朝向电路内部，正常接线时导通，反接时阻断输入。它与续流用的 D2 型号相同，连接位置和工作过程不同。

输出电容怎样配合电感

电感电流在一个周期内起伏，负载却需要相对稳定的供电。电感送来的电流多于负载需求时，多出的部分给输出电容充电；少于负载需求时，电容补上差额。

因此，输出电容承受的是两者之间的电流差：

同样的充放电电流作用下，容量越大，电压变化越慢。但实际电容还存在等效串联电阻 ESR，纹波电流经过它，也会形成电压纹波。

本版 C3 使用 330 μF／35 V 贴片电解，旁边并联 C4＝100 nF 陶瓷。输出电容选型需要同时考虑容量、ESR 和额定纹波电流。对 LM2596，这些参数也关系到反馈环路稳定性，具体选择可对照手册的输出电容要求。

输入端的 100 μF 与输出端的 330 μF，分别应对不同位置的电流变化，所以无需按电路前后顺序逐级减小容量。

二级稳压电路

从约 5 V 得到约 3.3 V

一级输出同时接到 5 V 接口和 U2 的输入。U2 使用 AMS1117-ADJ，输入旁放置 C5＝10 μF、C6＝100 nF。

AMS1117 的反馈关系与前一级有所不同：它维持的是 OUT 与 ADJ 之间约 1.25 V 的电压差。因此，R3 接 OUT 与 ADJ，R4 接 ADJ 与 GND。

本版 R3＝120 Ω、R4＝200 Ω。忽略调节脚电流时：

计入数十微安的典型调节脚电流后，约为 3.34 V。

这里选择 120 Ω，还有一个与稳压有关的作用。它两端约有 1.25 V，因此分压支路的电流约为：

这条支路在外部空载时仍然存在，为可调稳压器提供基本负载。参考的 AMS1117 原厂应用说明采用约 10 mA 的分压支路电流，并给出了输出电压的计算关系。采购时仍需对应所用厂家的具体版本。

压差、散热与输出电容

按前面的标称值，U2 输入约为 4.92 V，输出约为 3.34 V，压差约为 1.58 V。这个压差为稳压器调整输出提供了空间，也会在负载电流通过时转化为热量。

例如，二级总输出电流为 100 mA，忽略芯片自身消耗，压差损耗约为 0.158 W；电流增加到 300 mA，约为 0.474 W。于是，二级能带多大负载不仅取决于芯片电流规格，也取决于这部分热量能否散出去。

输出端采用 C7＝22 μF／10 V 贴片钽和 C8＝100 nF 陶瓷。C7 的选择参考了原厂应用说明中的输出稳定性方案。它既在负载变化时提供缓冲，也参与稳压器的稳定工作。

还有一个直接影响 PCB 的连接：AMS1117 的大焊片属于 OUT，与 2 脚同属输出网络。它应接到 3.3 V 铜区；LM2596 的大焊盘则属于 GND，两颗芯片不能按同一种散热接法处理。

PCB 设计

从电流路径看布局

图中左侧是输入排针、D1 和 C1；中间由 U1、D2、L1、C3 构成一级功率电路；右上方是 U2 及其外围元件。这样分区后，输入、5 V 和 3.3 V 的路径比较容易辨认。

其中需要优先关注的是 U1 下方、C1 右侧的区域。前面已经分析过：开关导通时，电流经过 U1；关断时，电流转由 D2 承接。C1、U1、D2 之间的高频回路如果绕得很大，走线寄生电感带来的电压尖峰和干扰也会更明显。

所以，这一组元件的靠近，不只是为了让正极连线短，也要让 C1 负端、D2 阳极和 U1 的地之间有紧凑的回流连接。图中 D2 放在 U1 的开关引脚附近，L1 接在它的右侧；检查这块区域时，应把正向路径和回流路径一起看。

输出取样与铺铜

R1、R2 位于 U1 的右侧。它们从 L1 后的输出节点取样，将分压送回 FB。反馈线传递的是用于调节输出的电压信息，因此需要与开关节点区分开，尽量避免沿 SW 铜区或电感附近长距离走线。

功率连接和反馈连接承担的任务不同：前者需要较低阻抗，后者更在意取样位置和干扰。本版以 40～60 mil 或局部铜区作为主电源通路的布线起点，反馈线按 10 mil 处理。具体载流能力还与铜厚、线长和温升有关。

同样，铺铜也要按网络用途处理。U1 的 GND 大焊盘可以连接地铜辅助散热，U2 的输出焊片可以扩展到 3.3 V 铜区；U1 的 OUT 到 D2、L1 这一段则是快速变化的 SW 节点，应保持紧凑。

封装与接口

主要元件采用贴片，电阻使用 0603，输入和两路输出均用排针引出，并加上电压与极性丝印。

本版采购的两颗贴片电解分别为 100 μF／63 V 和 330 μF／35 V，商品标注外形均为 10×10.5 mm；22 μF 钽电容选择 A 型。封装选择同时考虑外形、焊盘尺寸和极性，方便元件定位与焊接。

下面是制作前的 3D 预览。PCB 设计完成时，软件 DRC 结果为 0。

实物与实际测试

PCB 制作完成后，按照原理图焊接元件，并引出输入、5 V 和 3.3 V 接口。两路输出分别配有指示灯，方便上电时观察供电状态。

测试使用 SIGLENT SPD3303C 可调直流电源供电，VICTOR VC890D 万用表测量空载输出，ET5408A+ 电子负载进行恒流带载测试，SIGLENT SDS1102X-E 示波器测量输出纹波。

测试分为不同输入电压下的空载输出、两路输出分别带载，以及持续运行和纹波观察。空载电压采用万用表读数；带载电压、电流和功率采用电子负载显示值，测量位置在负载端，包含连接导线与接触点的压降。

空载输出测试

不接外部负载，分别将输入电压调整到约 12 V、24 V 和 32 V，使用万用表依次测量两路输出。输入电压记录为直流电源显示值。

在这三个输入电压测试点，5 V 输出的读数为 4.96～4.98 V，3.3 V 输出的读数为 3.32～3.33 V。输入电压变化时，两路输出均保持在预期电压附近，验证了上述输入条件下的基本稳压功能。

这组结果也能与前面的反馈电阻计算对应起来：一级计算值约为 4.92 V，二级约为 3.33 V，实物读数与设计目标接近。

电子负载测试

带载测试将输入保持在约 12 V，电子负载选择 CC 恒流模式，按设定电流从被测输出取电。5 V 与 3.3 V 两路分别测试。

3.3 V 输出：0.2 A、0.5 A 与 0.8 A

首先连接 3.3 V 输出，依次设定 0.2 A、0.5 A 和 0.8 A 三个负载点。

3.3 V 输出的实际带载现场：输入电源显示 11.99 V、0.45 A，电子负载显示 3.253 V、0.799 A 和 2.59 W。

三个测试点的实际电流均接近设定值。负载从约 0.2 A 增加到约 0.5 A 时，负载端电压下降 29 mV；继续增加到约 0.8 A 时，再下降 35 mV。三个记录点呈现平缓的电压变化。

在本次最高测试电流 0.799 A 下，负载端电压为 3.253 V，相对标称 3.3 V 的偏差约为 −1.42%，电子负载显示输出功率为 2.59 W。

5 V 输出：0.8 A 带载

随后将电子负载接到 5 V 输出端，设定电流为 0.8 A，记录如下。

在约 0.8 A 负载下，5 V 输出的负载端电压为 4.916 V，相对标称 5 V 的偏差约为 −1.68%。两路分别带约 0.8 A 负载时，测得的负载端电压相对各自标称值的偏差均在 2% 以内。

0.5 A 持续运行

在约 12 V 输入、3.3 V 输出负载设定为 0.5 A 的条件下，进行了 5 分钟持续带载测试。该负载点记录的实际电流为 0.498 A，负载端电压为 3.288 V。持续运行 5 分钟后，未感觉到明显发热。

输出纹波测试

使用示波器在 3.3 V 输出电容两端测量，实测输出纹波峰峰值约为 12 mVpp，约占标称输出电压的 0.36%。

峰峰值表示同一段波形中最高值与最低值之间的差。它描述固定工作状态下输出随时间的波动，与前面改变负载后记录的直流电压变化分别对应不同的供电特性。

结语

从输入到两路输出，这块板的工作过程可以连起来看：LM2596 通过开关传递能量，电感和电容平滑电流、电压，反馈电阻确定输出目标；AMS1117 再利用较小的压差得到约 3.3 V。PCB 则需要把这些连接落实成合适的功率路径、回流路径和取样路径。

本次从原理图、参数计算、PCB 制作走到了实物测量，得到以下结果：

• 在约 12 V、24 V、32 V 三个输入电压点，5 V 空载输出为 4.96～4.98 V，3.3 V 空载输出为 3.32～3.33 V。
• 3.3 V 输出完成了约 0.2 A、0.5 A、0.8 A 三个负载点的测试；约 0.8 A 时，负载端电压为 3.253 V。
• 5 V 输出在约 0.8 A 负载下，负载端电压为 4.916 V，显示输出功率为 3.92 W。
• 在 0.5 A 负载下持续运行 5 分钟，未感觉到明显发热。
• 3.3 V 输出实测纹波峰峰值约为 12 mVpp。

对我来说，这块板的价值在于把电源电路的工作原理、元件参数和实际输出联系了起来。后续设计主控扩展板时，这次的电路结构、布局思路和测量记录，都可以作为电源模块设计的参考。

参考资料

• TI：LM2596 数据手册
• TI：LM2596S-ADJ 评估板说明
• AMS1117 原厂数据手册镜像：应用说明