【Quad FPV】BLDC：BLHeli_S从硬件PCB设计到Keil编译、下载

前言

大学接触到多旋翼无人机以来，飞行水平未见提高，倒是一直在关注遥控设计和机体设计方面。本文记录关于BLHeli电调设计开发过程中的一些坑。

参考文档：

• timegate 墨鸢，[email protected]《无感无刷直流电机之电调设计全攻略 》
• 逗倪豌儿，联系方式现已失效，《编译 BLHeli_S 的正确方式》
• BLHeli固件开源地址：https://github.com/bitdump/BLHeli.git
• BLHeli上位机：https://github.com/blheli-configurator/blheli-configurator.git

开发环境和固件版本：

• Keil版本：C51V960，注意V960版本之前可能并无EFM8BB2x器件包
• BLHeli版本：Rev16.7，采用J.inc头文件
• MCU：EFM8BB21F15G，QFN20封装
• 栅极驱动器：FD6288Q
• MOS：NCEP30T12G，封装DFN8_5x6mm，30V 120A NMOS-FET
• 调试器：U-EC6，C2调试器，注意必须要能够升级到v50固件
• 控制信号：2kHz，占空比大于50%PWM信号

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硬件

原理图

注意根据硬件设计来选取后续软件的编译选项，错误搭配会烧MOS

换相检测电路

此处可以谈一下这个反馈电阻网络。不同于FOC，BLDC不加装额外的转子位置传感器，而是通过三相过零事件来判断换相时机。根据基尔霍夫定律，假定目前AB导通（Q1、Q4），即：

• pA=BAT（Q1导通），pB=0（Q4导通）
• pC的电压由C相绕组的反电动势和绕组中点叠加而成，取pC = Ui，作为自变量
• 转子旋转过程中，pC点电压从起始的BAT降低，过零时等于BAT/2，过零后进一步降低
• 按照图中的电阻阻值设置，根据基尔霍夫定律可以列出：
  $$\{\begin{array}{llc}\frac{BAT-U_A}{47K}& +& \frac{U_M-U_A}{10K}=\frac{U_A}{4.7K}\\ \frac{0-U_B}{47K}& +& \frac{U_M-U_B}{10K}=\frac{U_B}{4.7K}\\ \frac{U_i-U_C}{47K}& +& \frac{U_M-U_C}{10K}=\frac{U_C}{4.7K}\\ \frac{U_A-U_M}{10K}& +& \frac{U_C-U_M}{10K}=\frac{U_M-U_B}{10K}\end{array}$$
  联立后可得
  $$\{\begin{array}{llcc}BAT& +& 4.7U_M& =15.7U_A\\ & & 4.7U_M& =15.7U_B\\ U_i& +& 4.7U_M& =15.7U_C\\ & & 3U_M& =U_A+U_B+U_C\end{array}$$
  最终，可以导出
  $$\{\begin{array}{l}{U}_M=0.030U_i+0.030BAT\\ U_C=0.065U_i+0.001BAT\end{array}$$
  可以看出，U_M截距较大，U_C斜率较大，当C绕组平行于磁场方向时，反向电动势为0，将产生过零事件，MCU换相。

自举电路

由于采用双NMOS全桥驱动，所以每一相都设计了自举电路。

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软件环境搭建

• 关于MCU和调试器
  本文的硬件方案使用了EFM8BB2作为控制器。BLHeli项目发展至今，前后用过多款控制器，从最初的德国MK电调迁移来的ATmega8系列的BLHeli，到SiLab魔改的C8051内核的F系列（较旧）和EFM8BB2系列的BLHeli_S（也是某宝绝大多数电调所用的控制器），目前已经发展到基于ST的32位MCU的BLHlei_32。
  虽然另一个基于STM32F103的无刷电调项目ESC32也能在网上找到制作资料，但目前ST的单片机涨价过于离谱，且STM32F103不管哪种封装，占地面积都要远大于EFM8BB2的QFN20 3x3mm，因此我还是更愿意选择本文的EFM8BB2硬件方案。
  51单片机作为一种上世纪的技术，如今在成本（涨价前）和性能上受到ST、TI等32位MCU的全方位碾压。不过C8051显然还没有完全退出历史舞台。
  EFM8BB2是SilLab推出的一种魔改C8051，3.3V供电，主频可达50MHz，可以由内部RC产生时钟，支持C2接口的调试器进行在线Debug。我想，除了这个电调项目以外，任何需要逻辑电路但又不值得上STM32的需求场合，其实都不妨用这款单片机来完成。
  BLHeli_S固件则采用活跃在本科课堂上的C8051汇编语言编写。下面我们使用熟悉的Keil环境来进行编译下载。
  调试器方面，使用C2调试器，某宝搜索关键词“U-EC5”能搜到很多25元左右的C2调试器，但一定要问清楚，调试器是否支持固件升级。调试器连接目标MCU时会要求升级，一些调试器由于版本过于古早，是不能升级使用的。
• 安装Keil、配置下载器
  在官网下载Keil c51v960或更新版本（旧版本Keil的Devices中没有EFM8系列单片机）。按照下列步骤在Keil中配置C2调试器：
  1. 安装Keil的C8051调试器插件SiC8051F_uVision
  2. 安装UtilDLL
• 新建工程
  1. 到BLHeli的官方页面down下来源码
  2. 启动Keil C51，new一个Project
  3. 在Option - Device选项卡中选择器件EFM8BB21F16G-QFN20
  4. 将.\BLHeli-master\BLHeli_S SiLabs路径下的BLHeli_S.asm文件添加到工程中。其中是BLHeli的主要业务代码。
  5. 将上述.asm文件所在路径加入到到C51选项卡中的includePath
• 修改编译选项
  

1. 反注释“ESCNO EQU J_”这一行代码，选择port mapping文件J。具体解释一下，请翻到“; List of enumerated supported ESCs”行注释，注释底下的A_~W_指的是不同硬件方案下的IO分配，以J_ EQU 10这一行为例，行注释中L2=P0.7，L1=P0.6，L0=P0.5，RC即信号输入IO，本方案是P0.4；CC是上面提到的电阻反馈网络公共端，对应P0.3；MB是B相反馈，对应P0.2；MA是A相反馈，对应P0.1；MC是C相反馈，对应P0.0；接下来2个X是未使用；Ac ~ Cc是P1.0 ~ P1.2，分别是三相H桥上管；Cp ~ Ap是P1.3 ~ P1.5，分别是三相H桥下管；
2. 反注释“MCU_48MHZ EQU 1”一行，如果主控MCU是EFM8BB1则不需要注释
3. 反注释“FETON_DELAY EQU 15”一行。

• 编译
• 插入调试器。设备管理器中只显示一个USB Device，而不显示具体的设备名称。调试器本身会自动安装驱动。
• 配置工程的Debug选项。
  打开Option - Debug，选择右侧Use:…，下拉后选择Silicon Lab C8051Fxxx Driver调试器（就是日常选择JLink的那个下拉菜单，若无该调试器则说明第1步失败），然后点击右侧Settings，选择“USB Debug Adapter”（若为灰色请检查调试器是否正常工作，可以尝试用USB Debug Adapter Firmware Reset.exe 软件来重置烧录器固件）。选好以后点击OK。
• 配置工程的Utilities选项。
  
  再到Debug选项卡右侧的Utilities选项卡，选择Use Target Driver For Flash Programming，并在底下的下拉菜单中选择Silicon Labs C8051Fxxx Driver。此时，下载器就绪。
• 下载
  
  
  
  
  此时可能要求更新固件到40，更新即可。但若调试器过于古早，更新后会提示UE-C5断开连接，此时可以通过USB Debug Adapter Firmware Reset.exe重置固件来使重新连接调试器，但无法给目标MCU下载固件，请考虑换一家店购买调试器。另外，C2调试器向外供电能力孱弱，非常不建议用C2调试器给目标电调供电。

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BLHeli上位机BLHeliSuite

• 上位机的若干种连接方式（参考BLHeli文档《BLHeli programming adapters》，或者翻译帖Blheli的编程适配器及编程方式简介（基于BlHeli13.2）.

1. 通过Arduino来制作C2调试器
2. 魔改CP2102等USB转串口芯片来制作单线双工USB串口
3. 直接使用U-EC5调试器连接上位机
4. 较新的固件可以直接用Betaflight Configuator来读写多个电调的固件

• 配置
  参考文章BLHeli无刷电调的固件烧写及调参介绍（解决电机低速抖动及正反转问题）.