描述

<h3 style="line-height:1.8;">* 1、项目功能介绍</h3> <hr> 请输入内容… 注：可以是解决生活/工作中的某个问题、为某个人群/场景设计的方案、毕业设计/课程设计/DIY项目/纯属炫酷项目等。主要描述在电路设计、算法编写、系统搭建等方面做了什么、实现的核心功能、解决了什么问题。 <h3 style="line-height:1.8;">*2、项目属性</h3> <hr> 请输入内容… 注：请说明项目是否首次公开；项目是否为原创；项目是否曾经在其他比赛中获奖，若有获奖则叙述获奖详情；项目是否在学校参加过答辩。 <h3 style="line-height:1.8;">* 3、开源协议</h3> <hr> 请输入内容… 注：利他即利己，请认真阅读下述内容。 <ol style="line-height:1.8;"> <li style="line-height:1.8;">拥抱开源，赋予项目无限价值。建议项目核心功能开源80%以上；</li> <li style="line-height:1.8;">若某一部分功能不可替代且删掉之后项目无法解决对应的问题，则这一部分实现的功能就是项目的核心功能；比如设计了一台电子负载且设计了一款上位机软件监控功率变化，则电子负载为核心功能，上位机软件为辅助功能；比如电子负载中使用了一款隔离485模块与上位机通信，则此485模块实现的通讯功能为辅助功能； </li> <li style="line-height:1.8;">项目应选择适合自己的<a href="/posts/98fdb2accd754af7b51990790db3b47a" target="_blank">开源协议</a>，若项目引用其他开源项目，应注明来源并遵循原作者的开源协议规定；原创项目推荐使用GPL3.0开源协议；</li> <li style="line-height:1.8;">直接引用开源项目的原电路或原代码实现的功能不可作为自己项目的核心功能、使用市场上通用模块直接实现的功能不可作为自己项目的核心功能。</li> </ol> 请在竞赛阶段填写 ↓ <h2 style="line-height:1.8;">*4、硬件部分</h2> <hr> <h3>（1）硬件总体架构</h3> 本系统采用模块化设计思想，以沁恒微电子CH32V208R RISC-V无线MCU为核心控制单元，围绕其构建电源管理、多协议通信、LED指示及程序调试等外围功能子系统。系统硬件总体架构如图所示，包括：Type-C供电模块、AMS1117-3.3V降压电路、CH32V208R主控及其外围时钟与复位电路、四路RS485通信接口（基于SP3485收发器）、状态指示LED电路、HR911105A以太网网络接口、SWD调试接口。各功能模块以主控MCU为中心有机整合，形成面向工业现场设备控制与数据采集的通用硬件平台。图4-1为系统的硬件总体框图。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/I638lJwcr4CL0A4Om1SnURzTVHPWH8AlPkbdWEIL.png" alt="" width="715" height="505"> <h3>（2）电源管理模块</h3> 系统供电取自Type-C接口的5V VBUS电源，经AMS1117-3.3V低压差线性稳压器转换为3.3V，为MCU及所有外设芯片供电。AMS1117-3.3V具有1A的最大输出电流能力，输入电压范围为4.75V~12V，输出电压精度为±1%，其低压差特性（典型值1.1V@1A）确保在5V输入下可稳定输出3.3V。为优化电源质量，在稳压器的输入端和输出端各配置10μF电解电容与100nF陶瓷电容的组合滤波网络，所有电容均就近布置于芯片引脚附近。需注意的是，该稳压器为线性拓扑，其功耗为输入输出压差与负载电流的乘积，当系统满载（MCU、四路SP3485、以太网PHY及LED指示灯同时工作）时需关注芯片温升，PCB设计中应在芯片底部铺设散热铜箔以增强热传导。经核算，系统满载电流约400~600mA，在AMS1117-3.3V的额定工作范围内。 <h3>（3）主控MCU与时钟复位电路</h3> 主控芯片选用沁恒微电子的CH32V208RBT6，该芯片采用自研青稞V4C RISC-V内核，最高工作频率144MHz，内置128KB Flash程序存储器和64KB SRAM，片内集成2Mbps BLE 5.3无线收发器、10M以太网MAC与PHY、USB 2.0全速控制器以及4个通用同步/异步收发器（USART），其外设资源与本系统的多路RS485通信、以太网联网及无线调试需求高度匹配。 时钟电路为MCU提供工作基准。本设计采用32MHz无源晶振作为系统主时钟源，晶振两引脚分别连接MCU的OSC_IN与OSC_OUT引脚，匹配电容依据晶振手册选取22pF，晶振走线应尽可能缩短并实施包地处理，以降低分布电容对频率精度的影响及减少高频噪声耦合。复位电路采用阻容上拉方式，NRST引脚经10kΩ电阻上拉至3.3V，并并联0.1μF电容至地实现上电复位延时，同时引出按键至机壳供手动复位操作。BOOT0引脚通过10kΩ电阻下拉至地，并引出按键至VCC。 <h3 style="text-indent:0pt;line-height:12pt;background:#ffffff;margin:12pt 0pt 6pt 0pt;">（4）RS485多协议通信接口</h3> 为满足系统与多个远端设备（如RFID读卡器、远程LED控制器、上位机等）的分布式通信需求，本系统设计了四路独立的RS485通信接口。每路接口均选用SP3485EN-L/TR作为收发器，该芯片工作电压为3.3V，与MCU IO电平直接兼容，最高数据传输速率达10Mbps，总线可挂载多达32个节点，符合工业现场总线的一般要求。 单路RS485的电路连接方式如下：SP3485的DI引脚接MCU的USART TX输出，RO引脚接MCU的USART RX输入，DE与RE引脚短接后由MCU的通用GPIO控制，用以切换收发方向——高电平时芯片处于发送模式，低电平时为接收模式。总线侧A与B引脚为差分信号对，对外连接至接线端子。为提高总线通信的可靠性与抗干扰能力，每路接口均配置了完整的外围电路：A线通过10kΩ电阻上拉至3.3V，B线通过10kΩ电阻下拉至地，避免接收器输出不确定状态；A/B线对地并联双向TVS管（型号SMAJ6.5CA），用以泄放静电与浪涌能量，保护后级芯片。PCB布线中，A/B差分对需保持等长且间距恒定，以控制差分阻抗并减少共模噪声耦合。四路RS485分配至CH32V208R的USART1~USART4，各自独立工作，支持同时与四种不同从站设备通信，亦可配置为多主机轮询模式。 <h3 style="text-indent:0pt;line-height:12pt;background:#ffffff;margin:12pt 0pt 6pt 0pt;">（5）状态指示电路</h3> 系统选用XL-2012SYGC型0603封装贴片LED作为状态指示元件。该LED具备功耗低、尺寸小、易于SMT贴装等特点，适用于工业设备状态指示场景。系统中配置了两种指示电路： 四组通信状态指示组：该组LED用于指示RS485通信的收发状态——TX端LED在数据发送时点亮，RX端LED在数据接收时点亮。此设计便于现场运维人员直观判断通信链路的工作状态，无需借助示波器等仪器即可快速定位通信故障。该组LED的驱动信号来自MCU的USART外设发送与接收引脚，在硬件上实现了串口数据活动的物理映射。 一组系统运行指示组（LED_RUN与LED_PWR）：用于指示系统的基本运行状态。LED_PWR为电源指示灯，连接至3.3V电源网络，上电即常亮，用以确认系统供电正常。LED_RUN为运行状态指示灯，由MCU的GPIO控制，可通过软件配置为以固定频率（通常为1Hz）翻转，指示系统程序正常运行且未发生死机。 这两种LED共同构成了系统的可视化状态监控机制：电源指示灯确认供电正常，运行指示灯确认程序执行正常，通信指示灯确认数据链路正常，三者结合可在不连接调试器的情况下快速判断系统健康状况。 <h3 style="text-indent:0pt;line-height:12pt;background:#ffffff;margin:12pt 0pt 6pt 0pt;">（6）以太网网络接口</h3> 系统通过HR911105A集成网络变压器的RJ45插座提供标准10/100M以太网有线连接能力，使控制器能够接入工厂局域网或云端服务器，实现远程监控与数据上传。HR911105A内部集成了网络变压器、共模扼流圈及匹配电阻网络，并内置黄色（链路状态指示）与绿色（数据活动指示）双LED指示灯，对外仅需连接少量外围元件即可完成以太网物理层的全部功能。 CH32V208R片内集成了10M以太网MAC与PHY，其TX+、TX-、RX+、RX-四根差分信号线直接与HR911105A的对应引脚相连。设计中的关键之处在于变压器中心抽头（TCT与RCT）的电气连接方式——该连接取决于PHY的驱动类型，必须严格遵循CH32V208R官方硬件参考设计，接法错误将导致以太网无法正常通信。差分信号线在PCB布线中需严格等长（长度偏差控制在5mil以内），并控制差分阻抗为100Ω±10%，同时PHY芯片至RJ45插座的距离应尽可能缩短（建议不超过50mm）以减小传输损耗。插座屏蔽壳通过1nF电容接至数字地，以抑制高频共模干扰。 <h3 style="text-indent:0pt;line-height:12pt;background:#ffffff;margin:12pt 0pt 6pt 0pt;">（7） USB Type-C接口</h3> USB Type-C接口在系统中承担两项职能：供电输入和上位机通信。接口的VBUS引脚连接至5V电源网络，为AMS1117提供输入电源；D+与D-引脚分别连接CH32V208R的USB_DP与USB_DM引脚，支持USB 2.0全速通信（12Mbps）；CC1与CC2各通过5.1kΩ下拉电阻至地，将本机识别为UFP（下行端口设备），使Type-C电源适配器能够正确输出5V电压。 <h3 style="text-indent:0pt;line-height:12pt;background:#ffffff;margin:12pt 0pt 6pt 0pt;">（8）调试接口</h3> 为便于软件开发阶段的在线调试与程序下载，系统引出SWD两线调试接口（SWDIO、SWCLK），配合WCH-Link专用调试器（支持RISC-V内核调试）使用，可在MounRiver Studio集成开发环境中实现单步执行、断点设置、寄存器与存储器查看等调试功能。该接口采用4Pin排针形式（3.3V、SWDIO、SWCLK、GND）引出至板边，方便调试线缆插接。 <h3 style="text-indent:0pt;background:#ffffff;margin:12pt 0pt 6pt 0pt;">（9）硬件可靠性设计综述</h3> 在整体硬件设计中，从工程实用性出发，在多个层面考虑了系统的可靠性保障。 电源完整性方面，采用多级电容滤波网络，输入输出端均配置大小容值组合以覆盖不同频段的噪声抑制；主控芯片各电源引脚就近放置100nF去耦电容，确保高频瞬态电流的本地回路，减小电源分配网络阻抗。 电磁兼容方面，RS485接口配置双向TVS管与偏置电阻，兼顾了浪涌防护与总线空闲电平确定性；以太网接口内置隔离变压器，提供1500V以上的耐压隔离，保护内部电路免受外部网线上的共模电压冲击；插座屏蔽壳通过电容接地，抑制高频共模辐射。 信号完整性方面，RS485差分对与以太网差分对均控制等长与阻抗，降低反射与模态转换；晶振走线短且包地，减少高频模拟信号对邻近信号的串扰。按键输入均并联去抖电容，配合软件消抖处理，避免机械触点抖动引发的误操作。 PCB布局层面，数字电路与模拟电路分区布置，大电流路径与敏感小信号走线保持足够间距，从物理布局上降低相互干扰耦合。以上措施虽然并非尖端技术，但在实际工程中能够有效提升系统在工业环境下的稳定运行能力。 注：请前往<a href="https://lceda.cn/editor" target="_blank">嘉立创EDA</a> 生成/上传设计文件，文件完成后，相关文稿将自动生成至项目详情；这里可以详细说明您的项目实现原理和机制、注意事项、调试方法、测试方法等。推荐图文并茂的形式向别人介绍您的想法。 <h3 style="line-height:1.8;">*5、软件部分</h3> <hr> 请输入内容… 注：若您的项目涉及软件开发，请在附件上传对应的工程源码。这里可以详细说明您的软件流程图、功能模块框图、相关算法的解释或科普、源码结构、编译环境的搭建和配置、源码编译方法、程序烧录方法等。推荐图文并茂的形式向别人介绍您的想法。 <h3 style="line-height:1.8;">*6、BOM清单</h3> <hr> 请输入内容… 注：项目涉及的BOM清单。在<a href="https://lceda.cn/editor" target="_blank">嘉立创EDA</a> 生成/上传设计文件后，BOM将自动生成至项目详情；建议包括型号、品牌、名称、封装、采购渠道、用途等内容。具体内容和形式应以表达清楚项目构成为准。 <h3 style="line-height:1.8;">*7、大赛LOGO验证</h3> <hr> 请上传包含大赛logo的项目图片，logo以丝印形式印刷在PCB上面。 点击zip下载大赛logo标识！ <a href="https://image.lceda.cn/easyedaResource/images/d1bbfd69f9404f56901a0e7b849b7245.rar" target="_blank">（大赛标识）.zip</a> <h3 style="line-height:1.8;">* 8、演示您的项目并录制成视频上传</h3> <hr> 视频要求：请横屏拍摄，分辨率不低于1280×720，格式Mp4/Mov，单个视频大小限100M内； 视频标题：立创电赛：{项目名称}-{视频模块名称}；如立创电赛：《自动驾驶》-团队介绍。 视频冲榜：项目制作过程中，可随时录制视频上传至B站、小红书、视频号、抖音号，<a style="text-decoration:underline;" href="https://doc.weixin.qq.com/smartsheet/form/1_wpmhMpBwAAfrKELBBSNdSqJrorjTQE8Q_600d71" target="_blank">冲榜人气奖励＞</a>，优秀项目可获得立创官方全域曝光机会； <a style="text-decoration:underline;" href="/posts/b2b65ad17ac34080a318a5ab47a632c2" target="_blank">前往查看更多详情＞</a>