十三屆退役菜雞話(huà)癆給純小白的一些話(huà)

禿八哥 · 發(fā)表于 2020-4-27 18:56:00

在論壇水了兩三年了，見(jiàn)到了不少大佬非常厲害的開(kāi)源設計，也算是這個(gè)論壇的忠實(shí)受益者之一。這篇帖子是搬運我在知乎一個(gè)問(wèn)題，“大一新生如何參加智能車(chē)比賽”下面的回答，因為我也是雙非電氣專(zhuān)業(yè)的本科，做車(chē)的時(shí)候幾乎是什么傳承資料都沒(méi)有，和實(shí)驗室的一幫大佬們一起打拼進(jìn)了國賽，非常能夠理解新手在入門(mén)階段沒(méi)指導沒(méi)資料無(wú)從下手的那種苦惱，所以寫(xiě)了這篇粗淺的硬件入門(mén)指南，希望能給初入智能車(chē)比賽的小白們有所幫助，也非常歡迎論壇大佬們一起交流，提出里面的不足。

下面是原回答：

棄賽讀研國二選手接著(zhù)來(lái)填坑了。之前說(shuō)了一些粗淺的入門(mén)知識，我自己做硬件稍微多一點(diǎn)，STM32也略懂一二，所以現在來(lái)粗淺的講一下硬件方面的入門(mén)和學(xué)習（打怪升級）的一些知識和途徑。此貼適合零基礎小白參考，也歡迎各路大神友善的指點(diǎn)和討論。
硬件方面首先要明確你的車(chē)要有哪些硬件模塊。舉個(gè)例子，比如我是做的電磁四輪，那肯定要有單片機做控制，還要能夠識別賽道信號，然后驅動(dòng)電機和舵機工作。寫(xiě)程序肯定還是PID算法，那對PID的參數肯定要能夠進(jìn)行調整，不能老是代碼里修改再燒進(jìn)去，這樣非常耗費時(shí)間。這樣把需求列出來(lái)以后，大致的模塊分類(lèi)就非常的清晰：MCU最小系統、電磁信號采集、電機驅動(dòng)、一些必要的傳感器（比如IMU、編碼器）、人機交互（也就是調參需要的按鍵、顯示屏、蜂鳴器之類(lèi)的外設）這幾個(gè)模塊就非常的清晰了。
然后再考慮一個(gè)問(wèn)題，就是我板子上所有的元件都要供電才能工作，但是鎳鉻電池電壓是7.2-8.4V，不能直接給元件使用，這種情況該怎么辦呢？就需要一些芯片把電壓降下來(lái)，降到5/3.3V來(lái)給板子上的器件使用，這就產(chǎn)生了電源模塊。這樣大體分析一下，該做的模塊就浮出水面了，接下來(lái)就是往這個(gè)框架里的每一個(gè)部分來(lái)填充細節了。
填充細節這個(gè)事就牽扯到具體的電路設計，對于只有電路模電理論沒(méi)有實(shí)踐的新手來(lái)說(shuō)，多看往屆的技術(shù)報告和技術(shù)檢查表是最快的設計途徑。大部分的技術(shù)報告都會(huì )給出一些原理圖設計，znczz論壇里也有很多開(kāi)源的工程和原理圖。拿到這些原理圖之后需要再去查找里面芯片的datasheet，明確技術(shù)細節。以電源管理為例，最常見(jiàn)的設計是用LDO（低壓差線(xiàn)性穩壓器），例如LM2940，TPS73xx，SPX系列的LDO。如果使用的是LM2940，就需要查看它的手冊，明確輸入電壓、輸出電壓、最大輸出電流、外接濾波電容等技術(shù)細節，比如固定輸出5V，最大負載電流1A，輸出電容要用22uF的有極性電容且電容的ESR（等效串聯(lián)電阻）需要滿(mǎn)足一定范圍。直接抄別人的原理圖設計或許可以正常使用，但是會(huì )有一些設計隱患存在，不知道什么時(shí)候就會(huì )爆發(fā)出來(lái)，這對硬件的穩定性非常的不利。如果不打算用LDO，想用DCDC芯片做開(kāi)關(guān)電源提高轉化效率，就更需要查看datasheet和原廠(chǎng)編寫(xiě)的應用指南、評估板手冊、仿真實(shí)例等技術(shù)資料。以TPS63070為例，手冊里明確給出了原理圖設計、元件選型以及PCB layout范例，參考他們設計即可。
其他模塊的設計思想和以上所述的電源模塊類(lèi)似，建議對電路工作原理有了深刻理解后再著(zhù)手畫(huà)PCB，這樣對layout會(huì )有很大幫助，后期如果出現故障，排除也會(huì )比較方便。
設計完原理性的電路就需要畫(huà)圖了。主流的PCB設計軟件就是Altium Designer,PADS,Cadence,Kicad,立創(chuàng )EDA這些軟件，車(chē)賽一般是用Altium Designer(下面簡(jiǎn)稱(chēng)AD)。首先要學(xué)會(huì )AD的使用，這一部分看書(shū)就可以，沒(méi)必要看視頻，市面上的一些教學(xué)視頻講的確實(shí)非常詳細，但是太過(guò)冗長(cháng)，看一會(huì )就會(huì )看不下去，建議找本書(shū)跟著(zhù)做一遍實(shí)際的案例，比如51最小系統，就可以入門(mén)了。答主大二的時(shí)候看的下面這本書(shū)，每天晚上去自習室抱著(zhù)電腦邊看邊畫(huà)，兩個(gè)星期就可以基本入門(mén)PCB繪制了。
不限于這本書(shū)，市面上寫(xiě)的較好的AD書(shū)都可以拿來(lái)學(xué)習畫(huà)PCB的第一步是把原理圖設計好，而原理圖設計的準備工作就是畫(huà)原理圖符號，也就是symbol。我畫(huà)symbol的習慣是按照芯片實(shí)際的封裝進(jìn)行繪制，并且把特定功能的引腳用不同顏色進(jìn)行標注，方便在PCB設計的時(shí)候進(jìn)行引腳分配。
比如像這樣畫(huà)好symbol以后要給它添加合適的封裝，也就是footprint。封裝可以根據datasheet里的尺寸手畫(huà)，也可以通過(guò)一些別人畫(huà)好的封裝庫直接調用。對于新手，可以選擇幾個(gè)元件自己畫(huà)一下封裝，掌握畫(huà)封裝的操作，畢竟不是所有元件別人都會(huì )給你畫(huà)好的，但是實(shí)際畫(huà)參加比賽的板子還是建議用一些成熟的封裝，以免畫(huà)出來(lái)以后芯片焊不上去（這就翻車(chē)了）。封裝庫的獲取有幾種途徑，一是從網(wǎng)上下載，二是從立創(chuàng )EDA導出，三是從各種電子設計愛(ài)好者手里獲得。如果你的焊接水平較好，建議使用貼片封裝的阻容（0805或者0603）；如果覺(jué)得焊接技術(shù)不過(guò)硬，可以用直插封裝的電阻電容。無(wú)論是哪一種途徑，添加好封裝畫(huà)好板子之后盡量1：1的先用紙打印出來(lái)和實(shí)際的安裝位置、芯片尺寸進(jìn)行對比，有問(wèn)題再修改，確定沒(méi)有任何問(wèn)題以后再送板廠(chǎng)打樣。具體的繪制PCB的步驟，無(wú)論是書(shū)里還是各種網(wǎng)絡(luò )資源都講得很詳細，這里不再贅述。
如果你畫(huà)的第一塊板子可以打出來(lái)了，就需要進(jìn)行焊接和測試。焊接之前先測量一下電源的對地阻值，防止在PCB短路的情況下進(jìn)行焊接。焊接的順序因人而異，我習慣于先把電源部分焊好，接上電池先用萬(wàn)用表測試一下輸出電壓，沒(méi)有問(wèn)題再焊接剩下的部分。而對于不同高度的元件，可以先焊接貼片元件和高度較低的元件，諸如電容、開(kāi)關(guān)、電機接口之類(lèi)的較高的直插/貼片元件可以放到最后焊接。焊接后就要上電測試，這里的測試我自己分為兩種：純硬件測試和軟硬聯(lián)調。純硬件測試以電磁信號處理部分為例，上電后用示波器測試關(guān)鍵點(diǎn)信號，比如電感諧振對輸出、運算放大器輸入、運算放大器輸出、后級處理電路輸出。軟硬聯(lián)調就是寫(xiě)程序測試，比如PWM輸出、編碼器輸入捕獲、MPU6050數據獲取、GPIO輸入輸出等等。
如果經(jīng)過(guò)測試，沒(méi)有什么大問(wèn)題（像什么輸出電壓不對、單片機燒了、電機不轉、信號檢測不到、OLED不亮等等），恭喜你已經(jīng)邁出了非常關(guān)鍵的一步，對于硬件大神來(lái)說(shuō)就可以喝茶歇著(zhù)了，但是對于Ctrl C V的小白來(lái)說(shuō)還遠遠不夠。畫(huà)完之后問(wèn)一問(wèn)自己，你有沒(méi)有真正的理解了畫(huà)出來(lái)的所有電路？電機驅動(dòng)里的H橋驅動(dòng)原理是什么？為什么要用柵極驅動(dòng)芯片？為什么柵極輸入要串個(gè)小電阻？怎么自舉的？柵極驅動(dòng)芯片為什么要用12V供電？為什么有人給mos管反并聯(lián)一個(gè)二極管？這個(gè)二極管是不是真的需要？又比如電磁信號處理部分，如果用的普通運放，為什么要加一個(gè)直流偏置電壓？后級信號處理為什么要這樣設計電路？電容和二極管怎么工作的？有沒(méi)有更好的改進(jìn)方案？再比如PCB設計里面，地平面處理好了嗎？為什么要數字地模擬地分離？磁珠和0歐電阻有什么區別？都可以在板子上這么用嗎？這些問(wèn)題還只是冰山一角，實(shí)際設計的時(shí)候需要考慮方方面面的問(wèn)題，徹底吃透電路背后的工作原理，這樣對后續可能出現的故障排除會(huì )大有裨益。設計的時(shí)候多給自己一些靈魂拷問(wèn)，會(huì )進(jìn)步的更快。
那么有人會(huì )問(wèn)了，我啥都不知道啊，這課本上也沒(méi)怎么講啊，這該怎么分析？主要有幾個(gè)渠道，第一就是問(wèn)指導老師，但是指導老師有可能也不明白；第二個(gè)是從網(wǎng)上查找各種各樣的資料，包括但不限于芯片手冊、應用筆記、評估板手冊、設計論壇開(kāi)源資料、PCB設計指南等等資料；第三個(gè)就是看書(shū)，看什么書(shū)呢？看《智能車(chē)制作》這本書(shū)。事先聲明，我沒(méi)有收錢(qián)，更不可能恰飯，我自己都買(mǎi)了幾本來(lái)看，純粹是因為這本書(shū)寫(xiě)的非常的好，作者全部都是往屆參賽選手且都非常牛逼，很多原理講的非常透徹。放張圖說(shuō)明一下有多牛逼
這么牛逼的作者，還不抓緊買(mǎi)書(shū)來(lái)看？接下來(lái)說(shuō)一說(shuō)故障排查。一千個(gè)人可能出現一千零一種故障，但是其中的大多數故障有很大的可能性是前人曾經(jīng)出現過(guò)的，因此查找這些前人的經(jīng)驗就非常重要。上面所提及的智能車(chē)論壇就是一個(gè)很好的地方供硬件設計者查找自己出現的故障。如果沒(méi)有人有過(guò)類(lèi)似的經(jīng)驗，那就要通過(guò)手中的儀器進(jìn)行測試。電壓出不來(lái)就用萬(wàn)用表從輸入到輸出逐級檢測，電機不轉就用示波器按照以下順序檢測信號：?jiǎn)纹瑱CPWM口->柵極驅動(dòng)芯片輸入->柵極驅動(dòng)芯片輸出->MOS的Vgs。上面只是引出兩個(gè)小例子，事實(shí)上所有的故障都有原因可循，從設計失誤、板廠(chǎng)做工問(wèn)題、不規范操作到虛焊，一定有一種原因可以解釋你的故障。答主也曾經(jīng)碰到一個(gè)奇葩的故障，電機驅動(dòng)的MOS下管冒煙了，鈕子開(kāi)關(guān)燒糊了，80mil的電機線(xiàn)都燒斷了，后來(lái)用示波器排查了上面所說(shuō)的所有信號，都沒(méi)有問(wèn)題，檢查了PCB設計也沒(méi)有問(wèn)題。折磨了快一個(gè)星期，最后沒(méi)有辦法隨機測了一下驅動(dòng)芯片的GND，發(fā)現不對勁，沒(méi)接到GND網(wǎng)絡(luò )的銅皮上，再測了一下同一批的其他空板，也是如此。所以排查故障真的需要耐心和毅力，不能說(shuō)這塊板出問(wèn)題了我就再重焊一塊吧，重焊一定會(huì )好的，要有一股子勁：不把這個(gè)bug的原因找出來(lái)不算完。
以上基本包括了從構思到焊接測試的所有流程了，下面來(lái)聊一聊一些雜七雜八不知道怎么歸類(lèi)的東西。第一個(gè)是PCB的定型，事實(shí)上PCB一次定型是很難的事情，尤其是當你對這個(gè)組別或者是做板子需要的知識知之甚少的時(shí)候，這時(shí)候就需要螺旋式進(jìn)步，先做出來(lái)一套可以穩定使用的方案來(lái)調車(chē)寫(xiě)代碼，然后再根據整車(chē)機械結構和自己的能力水平對硬件進(jìn)行迭代，推陳出新，讓機械結構、算法和硬件電路磨合到最極致的狀態(tài)。而機械結構這事就比較復雜，答主也只是干過(guò)軟化劑涂輪胎、磨輪胎的簡(jiǎn)單苦力活，對機械方面知之甚少，所有就不多做敘述。
第二個(gè)就算是硬件小白的自我學(xué)習修養了吧，做車(chē)很像古代學(xué)徒和師傅學(xué)藝，師傅不可能把全部本事都教給徒弟，徒弟往往都會(huì )偷學(xué)師傅的本領(lǐng)。套用到車(chē)賽上，就是要從各種不同的渠道全方位的獲取自己需要和想要的知識。答主以前特別喜歡參加分區賽還有國賽，一方面是又有地方能玩了（實(shí)際上四天累的跟狗一樣，根本不想出去玩），另外一個(gè)方面就是可以看到不同學(xué)校的作品，畢竟答主也是做不到“閉門(mén)造車(chē)，出門(mén)合轍”這種境界的。成績(jì)好的學(xué)校的車(chē)都有各自的特點(diǎn)，有的設計及其簡(jiǎn)潔，有的方案拔尖，有的用料扎實(shí)，特別是強校的車(chē)，很多都像精美的工藝品。答主印象最深的是北科的各種冠軍車(chē)，親眼看到他們的風(fēng)馳電掣非常震撼。再看他們的車(chē)，板子形狀和機械結構匹配度非常高，用的都是非常好的固態(tài)電容，外部接線(xiàn)整理的非常簡(jiǎn)潔，單片機主控方案獨樹(shù)一幟，調參的板子設計非常巧妙。雖說(shuō)智能車(chē)的重點(diǎn)在于算法的比拼，但是能夠把硬件設計做到非常精美而又性能強勁的一種水平，著(zhù)實(shí)非常不容易，答主也在朝著(zhù)這個(gè)方向努力和學(xué)習。
以上就是我想分享的一些經(jīng)驗，希望對剛接觸智能車(chē)的硬件小白有所幫助。2020的比賽和往年有些不一樣，對參賽隊員的考驗比往年更大，但是做車(chē)不只是為了最后的一紙證書(shū)，更是為了體驗不一樣的經(jīng)歷，收獲更多的知識，結識更多強大的車(chē)友，也希望所有的車(chē)友在今后的比賽中能夠盡自己最大的努力，不留任何遺憾！