《“[collect]硬十宝典”》 有 1 条评论

1. 硬件是怎么做出来的？带你从软件的视角，揭开神秘面纱
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   2023 年，作为软件开发出身的我，做了两款智能硬件产品，注册了两个专利，「硬」气了一把。

   你是否也喜欢鼓捣些硬件，是否对电路板是如何做出来的感到好奇？欢迎跟我一起，揭开硬件开发的神秘面纱，看看硬件工程师如何零基础入门。

   # 硬件开发的基本流程

   首先声明，这里所说的硬件，更偏向于 ARM 单片机及嵌入式开发。我不是硬件工程师出身，属于边学边干；可正是如此，我的视角可能更贴近真实、更容易帮你上手。如果哪个环节有更好的做法，欢迎行业内的朋友指正。

   0 、明确需求
   硬件领域很大，又很繁杂，从何说起呢？这是个问题。
   首先，还是从需求出发。明确产品要实现哪些功能、有哪些约束条件，有了这些硬性标准，问题的边界就被大大缩小了。
   这里，以它适智能跑轮为例，从头到尾，走一遍硬件研发的历程。先说一点，产品的研发不是一条直线，而是不断迭代、甚至重头再来的过程。为了描述方便，这里假设一切是一帆风顺的，只按最终的方案来描述。不过，考虑到商业性，一些地方不会说太细。

   1 、芯片选型
   它适智能跑轮，核心的需求，是记录数据，然后通过蓝牙传递出来；主要的约束，是低功耗、长待机。那么这颗芯片：
   性能不能太差，要能支撑起蓝牙连接和数据传输；
   性能也不用太强，不然会增加功耗；
   最好能以不同的功耗工作；不工作时休眠，并且可以被蓝牙连接唤醒；
   要能存储足够多的数据。当然，也可以用外围存储芯片，但那样既会增加成本，也会增加 PCB 的面积和复杂性，所以最好能集成进来。
   然后，就是其他核心元件，包括蓝牙芯片、霍尔传感器等。
   之后，就是确定产品的交互方式，比如显示、按键、声音等。
   再之后，就是确定电源方案。电源对于整个电路设计，是非常重要的。事实上，对最终的电路来说，有一小半的元件，都是电源相关的。具体到这个产品，要支持锂电池供电、Type C 充电、LDO 降压稳压、测量锂电池电压等等。
   到这里，主要的芯片及方案就基本确定了。接下来，就是搭建具体的电路、设计 PCB 。

   2 、设计电路图
   这时，就要面临 EDA 的选择。所谓 EDA ，类似于软件开发中的 IDE ，就是电路设计所需要用到的软件。这里我选择的是 立创 EDA，它是国产的、免费的，简单易用。这对于个人或小团队开发来说，非常重要。商业 EDA 是非常昂贵的；当然，我知道有所谓特别版。但作为软件开发出身的我，对正版、免费有天然的亲切感。
   确定好工具后，可以开始设计电路图了。
   设计电路图，主要靠两样：电路基础知识、芯片数据手册。基础知识自不必说，比如电阻、电容、三极管、MOS 管等基础元件的使用。对于复杂的芯片，主要是参考其数据手册的典型电路，针对自己具体的场景进行调整。
   这一步还挺好玩的，把一堆元件摆出来，然后用线连啊连，像正极连正极、负极连接地，连着连着就好了。当然，步骤是这么个步骤，实际不会这么容易。
   一般的电路图，大概长这样：

   3 、设计 PCB
   电路图设计好之后，就是设计 PCB ，也就是印刷电路板。这一步同样考验功力，也更加耗时。事实上，不考虑芯片选型的话，PCB 布板所花费的时间，比电路图长很多。
   这一步，说简单也简单。就是确定后电路板的外尺寸后，把所有元件排排好；并参照电路图，把各元件通过走线连接起来。
   最直接的难点是布线。不考虑多层板的话，电路板相当于一个平面，而平面上的线是不能交叉的。这使得必须很恰当地摆放元件，才能避免交叉。有时，还得反向修改电路图。当然，多层板可以改善这一点，但成本高，且设计难度加大。如非必要，常见的还是用双层板，也就是有正反两个面可以走线。
   当然，PCB 板还有很多其他难点和要注意的地方，比如要适配外尺寸及开孔、天线及电磁屏蔽、散热、避免回路、差分信号线等等，这里就不展开了。
   一般的 PCB 板，大概长这样：

   4 、打板
   电路板设计好之后，就可以 制作 PCB，俗称打板。这里依然推荐嘉立创，每月有两次免费打板的机会，付费也只是 20 元起；而且很快，最快隔天就可以收到。
   打板之后，就要焊接元件。这里又面临一个选择，要么是让嘉立创这样的工厂替你完成 SMT 贴片，要么自己焊接。二者的优缺点很明显：自己焊，省钱、灵活、不用等，但花时间，且一些很小、引脚很多的元件，不好焊；第三方 SMT 则刚好相反。
   一般来讲，前期、以及简单的电路板，可以自己焊；后期还是倾向于 SMT 服务。
   焊接好元件后，就类似这样：

   5 、刷固件
   电路板制作好后，就要刷固件。当然，有些简单的电路，是不需要刷固件的。刷固件，就相当于给硬件装个操作系统。这里暂时略去固件的开发。
   具体的，电路板上留刷机接口，配合专用的刷机工具、上位机，就可以将固件写入芯片的 Flash 存储。

   6 、电路测试
   刷好固件后，就要开始测试。简单的，就是先测试下正负极电阻，看有没有短路。没问题可以上电，看电路有没有按预期工作。如果有预留测试点，就测量测试点的电压等。也可以借助示波器等工具进行测量。
   如果遇到问题，不要慌，这太正常了。一般来讲，就是先缩小问题的范围。可以用拆焊等方式，去掉不必要电路的影响，只看出问题的那部分，方便排查。
   对于固件的测试，可以像黑盒一样观察硬件是否按预期工作，也可以像白盒一样进行调试。只是硬件的调试，远没有软件随便加断点那么轻松。
   定位问题，找出解决方案，就可以进行下一次制板。当然，也可以根据实际使用中的不便或问题，对电路进行改进。

   7 、制作原型
   经过几轮迭代，电路板基本稳定，可以组装成原型机，开始使用场景的测试。
   这时，通常要制作产品的外壳。最好自己有一定建模能力，这样可以设计产品的外壳、3D 打印，方便很多。
   如果只是简单的外壳，可以用嘉立创的工具，可以比较简单地生成 3D 模型。如果有团队，可以和同事一起配合进行设计。如果已经有外观设计，就可以进行结构设计。比如，如何固定电路板、如何暴露交互接口等。

   8 、量产电路板
   假设经过一段时间测试，原型通过了，产品也到了规模化生产阶段，就要开始批量生产电路板了。
   通常，不是重新上传设计文件下单，而是返单上一次被验证过的电路板。这样更可靠，避免手抖出错，导致批量生产的电路板报废。
   电路板批量生产完后，还面临一个繁琐的流程：刷固件。之所以说繁琐，主要还是量。
   试想一下，如果刷一个电路板需要 1 分钟，听起来不多吧？可要刷 1000 片呢，那就是 16 小时。不吃不喝，从早上 6 点，刷到晚上 10 点，吓人不。当然，实际没这么慢，但基本是这个数量级，快不了太多。

   9 、生产、包装、发货
   然后，就可以交付给工厂，进行包装生产了。继而转发至仓库，用户在电商平台下单后，就可以快递出去了。
   等用户收到后开始使用，这时能做的，就是 双手合十，祈祷不要出问题。因为一旦出问题，大概率不像软件一样，升级个版本就能解决，很可能要召回。
   说到这里，就要提一个话题：OTA ，就是用户可以远程升级固件，来解决问题、或增加功能。这个其实很重要，尤其是在前期、尚未经过大规模用户实测时。OTA 可以在不召回的情况下，解决一部分问题，减少损失。

   10 、十全十美
   如果一切顺利，用户用起来很开心，满足了实际需求，带来正面评价时，就是 产品人最开心的时刻。
   至此，就是硬件产品的基本流程。
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