【嵌入式电路板和机械硬件开发流程及一些避坑建议】

一、软件准备

本文只会给出软件的下载链接和用处介绍，不会详细讲解软件的使用方法，需要的小伙伴可以自行上b站，有很多很好的上手教学视频可以看。

1. Solidworks \ Autodesk Inventor（机械结构）

SolidWorks2022/64位下载地址: https://pan.baidu.com/s/1fOscNMX7dNTkDv4yFIRYGA
提取码：t0pk

Inventor2019下载地址: https://pan.baidu.com/s/1–fz_t227v-htq82ISVG6A
提取码：3d66
https://zixue.3d66.com/article/details_103485.html

  Solidworks和Inventor都可以用于绘制机械结构，其流程都是先绘制零件，然后将零件装配组成一个机械整体。其零件绘制的基本逻辑都是：先确定一个平面——在平面上画一个二维草图——通过拉伸旋转等操作形成三维零件，每个零件都是一个单独的文件。其装配体的基本逻辑都是：导入多个零件——设置各零件之间的约束关系，每个装配体也都是一个单独的文件。零件和装配体在完成后都可以选择导出不同格式的输出，用于3D查看或者3D打印(.stl)。

2. Altium Designer（原理图和PCB）

Altium Designer 22/64位下载地址：
https://pan.baidu.com/s/1L9UMkN87yrRQUplUEZdAnQ
提取码：lwiq

  Altium Designer是专业的PCB绘制软件，它具备丰富的元件库，也支持自定义封装库，能够方便绘制电路原理图和生成PCB文件，具备一建布线功能（虽然比较复杂和不合理的布局一定会布线失败），且能够导出BOM物料清单，是电子工程师画电路板比较常用的软件。

3. 立创EDA（原理图和PCB）

https://lceda.cn/
  Luckily，如果你选择在嘉立创打板生产，那么你完全可以使用立创EDA来完成你的原理图和PCB绘制工作。立创EDA相对于AD更加简单易操作，功能也很齐全，标准版就完全能够满足你的需求。最重要的是，它可以在线编辑，不需要额外下载安装软件，直接网页随时随地操作。

4. Proteus（电路仿真）

Proteus8.6（32/64）位下载地址：
链接：
https://pan.baidu.com/s/1FI496XsTmKASJQnwBuTlUA
密码：n6bn
  Proteus是一个电路仿真软件，和Multisim功能相近，用于测试你的原理图绘制是否合理正确，里面可以找到主流的C51和STM32等芯片，进行程序烧写并仿真运行，可以添加电表等工具检测电路工作状态。但依旧有很多芯片是没有的，即使能够按照官方文档导入模型，但仅仅是一个空壳，不具备真实的芯片功能。

二、机械结构设计及制作

  在做所有设计之前，你需要明确你的任务需求，确定必要的结构特征，最关键的，你需要确定你的结构材料选哪一种，碳纤维板和铝型材的结构要求和加工方法还是差别比较大的。
  首先，你需要有一个手绘的草图，这是你脑海中关于整个机械结构功能的工程化表达。整体的想法和构思可能来自于已有的结构，也可能来自于别人已有结构的改造。
  其次，你需要确定整个机械结构的尺寸，这个很重要，因为它会受到整个机械结构需要装载的物品的大小限制，各部分之间是相互制约的，另外，在关于强度、重心等各个方面也需要加入考虑，这是一个结构工程师需要具备的素质能力，本文就无法赘述说明了。
  接着，你只需要按照你的图纸或者想法，把整体细分成各部分零部件，在3D建模软件中严格按照尺寸绘制出来，并进行装配，来检验你的想法是否合理可行，这个过程应该是反复进行的，因为在你绘制或装配的过程中，总会发现之前设计时需要更改的地方。
  最后，你需要导出合适格式的文件，选一家靠谱的淘宝商家开始制作加工。

三、原理图设计及绘制

本文只会给出原理图设计绘制时的理论要求，不会详细讲解每个模块的注意事项和线路接法，具体到每一块的细节可以自行百度或者查找手册文档，基本上都能找到标准示例，当然我是默认你已经具备了一定的模电和数电的基础的。

1. 电源电路

  电源是整块电路板的心脏，它必须能够具备稳定供电的能力。一般来说，对于小型嵌入式设备，我们会选用便携式的电池进行供电，锂电池能够提供稳定的直流电压，但电压值并不一定会是我们所需要的电压值，这时我们就需要电压转换电路，通常会设计12V转5V，5V转3.3V的电路，因为树莓派和一些驱动芯片是5V供电的，单片机一般是3.3V或5V供电的。
  具体电压转换电路的设计可以参考网上资源，需要注意的是：(1). 电源和地之间一定要接有电容，起到稳压、储能和滤波的作用；(2). 模拟地和数字地一般在局部电路是区分开的，在整体电路中可以借助磁珠（0欧电阻）实现共地；(3). 电源输入的地方一定要有设有开关，因为在实际使用过程中电池是不会频繁插拔的，另外如果要求工作电流不能过大，可以在电源输入处设置可恢复型保险丝；(4). 因为电压转换模块的电压比是通过电阻阻值来计算的，所以用于计算的那几个电阻就要求具备一定的精度（0.1%）。

2. 控制芯片

  主控芯片是整块电路板的大脑，它用于计算和发送控制指令。芯片引脚比较多时，在EDA中会显示为多个方块。芯片电路主要包括几个部分：(1) 晶振，晶振频率的选择需要参考芯片数据手册，会作为芯片的工作主频，功能多一点的芯片甚至要求两个晶振，不过一般芯片都会设置分频，只需要修改固件库的相关参数就可以得到想要的定时频率。(2)下载电路和复位电路，按照芯片数据手册连接即可，一般要设置上拉电阻或下拉电阻。(3) 外围供电电路，具体接法请参考网上资源或芯片数据手册，一般芯片除了主电源3V3引脚和VDDA引脚外还会有参考电压VREF引脚，这些引脚与GND之间也必须相应使用电容隔离稳压。一个小贴士：芯片某些引脚的连接通路可以设置磁珠（0欧电阻），这样方便在焊接时实现某些引脚可以no-conect。(4) 芯片引脚与外部设备之间的连接需要注意是高电平使能还是低电平使能，并设置相应的负载电阻。

3. 相关外设

  各种外设相当于电路板的五官和四肢，它们包括传感器、显示屏、通信模块等，能够收集外界数据和执行主控芯片的控制命令。每个外设的外围电路和其与单片机之间的接法在它的数据手册中都会有详细标准案例。因为外设的种类很多，且不同型号的要求会有些许差别，所以这里不详细讲述，建议查看外设数据手册。需要知道的是，对于某个外设模块，我们需要确定它是要焊在电路板上还是引出插线板孔来外接。如果是焊在电路板上，你就需要找到它的封装，并导入到你的原理图中，在立创EDA中，这步非常方便，基本立创的元件库中都能找得到。如果是外接，就需要使用合适标准的插线孔，需要考虑接线端子的数量和尺寸规格，不然到时候会插不上。

四、PCB布线及打板

当你的原理图绘制完成并做完DRC校验没有短路和断路等问题后，可以一键进行原理图转PCB操作，这时会生成一个新的文件，我们需要在这个文件中完成PCB板的设计工作。

1. 元器件摆放位置

  在摆放工作进行之前，需要设置边框形状和尺寸，这个其实就是你最后完成的PCB电路板整体的大小样子，除了铺铜外其他所有的操作都是在这个区域内进行的。
  软件会默认设置为双层板（顶层和底层），有小型化需求的电路板也会设置成4层，一般中间两层会分别设置成VCC和GND。未来所有的元件都会被焊接在顶层或底层上，所以对于生成的PCB文件中的各个元器件，你需要把它们摆放在合适的位置上，以便于下一步的走线。摆放主要依靠一下几个原则：(1) 主控芯片放在电路板的中间位置，这是因为主控芯片的引脚最多，会存在更复杂的走线（连线切忌错综复杂，很容音产生噪声干扰和谐波共振）；(2) 原理图中一个模块的各个元器件尽量放在一起不要离得太远，这是为了避免无谓的长走线（走线尽可能短，这样信号传输更稳定，导线阻抗也更小）；（3）元器件摆放尽量整齐，保持同一方向，这也是为了方便走线和消除干扰（如果走线允许的话一般还会将一个模块内的所有电阻、电容、电感等整齐放在一起）；（4）连接外设的插线端子尽量放在电路板边缘，并且注意摆放方向，这是为了给外设留出足够的空间（各个元器件在3D实物图中不能产生空间冲突）；（5）空格可以旋转元器件，顶层放不下可以转为放在底层，摆放位置并不是在这一步就固定不变了的，后面在走线时还会根据需要调整（元器件的摆放尽量均匀合理，铺满整个电路板，不要留出大片空白）。

2. 走线

  走线就是把各个元器件之间蓝色的虚线在电路板上通过内嵌导线的形式连接起来。元器件的摆放其实就是为了走线服务的，顶层和底层是绝缘开来的，所以顶层和底层是独立走线的，一般顶层导线为红色，底层导线为蓝色，按空格或者L可以切换线性，按TAB可以调整线宽线长。因为后面会有铺铜操作，所以在一开始走线的时候可以先不用管GND的引脚。注意：只有简单的电路板才推荐使用自动走线并微调，复杂一点的电路板基本都会自动布线失败，还是需要自己手动走线！！！
  (1)只能使用圆弧角度或者45°的线型，90°直角线型虽然可选择但绝对不要用，也就是说你最后布完的电路板上应该会有很多135°角的折线。(2)线宽设置不可以太细，因为过细无法承载大电流，也无法太宽，因为过宽会占据面积导致布线无可行解。一般来讲，嘉立创推荐的默认线宽就行，最细不要低于0.2mm，除非你是高精密的，但那就是天价了。（理论上讲，电源VCC和地GND会走较大电流，需要比信号线更宽才对。实际的嵌入式数字电路的驱动电流并不大，不额外区分线宽也没啥问题。）
  走线会是整个电路板绘制过程中最耗时的过程，因为不管是电路板的顶层还是底层，它都是一个二维平面，当原理图比较复杂时，你会发现有些线之间是相互交织的，并且无法绕过去或者绕行的距离过远，这时就需要设置通孔。

3. 通孔

  通孔和过孔不同，过孔是用来固定安装电路板的，没有电气属性，而通孔是将电路板某处的顶层和底层打通，还可有助于散热。当顶层（或底层）走线不畅时，我们可以在导线的末端设置一个通孔，这样导线就相当于被接到了底层，在底层继续走线，越过障碍后再打一个通孔就可以回到顶层了。当然，打通孔时需要考虑通孔本身的面积，通孔与导线、通孔与通孔之间也需要保持DRC设计规则中规定的最小间距。巧妙的绕线和通孔操作基本可以解决绝大部分的走线问题，实在无法走线时，你就需要考虑改变元器件的摆放位置再重新尝试走线了。（直接在电路板上飞线永远是最次的选择。）

4. 打板工艺

  完成除GND之外的接线后，必须进行铺铜的操作（大面积铺铜是为了更好的消除信号噪声，并且有助于散热），基本上都会对GND进行铺铜，有些GND引脚在铺铜后仍未连接，这时我们就再额外走线（先取消铺铜完成额外走线，再重新铺铜）。完成上述所有操作后进行DRC检验，没有问题后就能够导出Gerber文件了，这个就是发给生产厂家的制板文件，并且也可以直接导出BOM清单，里面包括所有的元器件列表，方便我们采购元器件。
  一般是双层板，厂家在出厂前会进行飞针测试保障无质量问题，嘉立创每月会提供两次免费打板服务，一份是5块电路板。选黑色油脂看上去会更高级，但没有视觉需求的话建议直接绿色，制作更快且便于排查硬件电路问题。（别忘了丝印一个属于你自己的logo啊）

五、元器件选型及测试

元器件可以在很多渠道买到，最普遍的应该就是淘宝了，华强北也是个电子宝藏地，亦或直接在立创商城（价格略高且很多芯片缺货），当然，你并不一定要一站式配齐，也很难有一家店能满足你所有的元器件需求。

1. 画板之前

  其实在画原理图时，你就应该在确定你要买的元器件型号是什么了，因为不同的型号封装是不同的，原理图上的各个元器件都是包含了封装的，所以导出PCB时才会出现不同大小的元器件，也才能够显示3D模型图。选型时你也应该就拿到了其数据手册，需要翻阅确定是否能够满足电气要求和空间需要。现在的电路板追求小型化，基本都会采用贴片式元件了，较少用到插孔式元件。购买数量尽量留有替换裕量，也就是多买一点，电阻几分钱一个，以后总能用的上。

2. 拿板之后

  在下单电路板是，嘉立创会询问是否需要SMT服务，这个就是厂家帮你贴片，你拿到电路板就能直接用，不需要自己焊接元器件，但价格也确实不便宜。作为电子工程爱好者，如果自己能够焊接的话就手焊呗，准备个刀口烙铁、热风枪和助焊剂，上百脚的STM32芯片甚至QFN封装也能手焊。
  拿到板后首先检查外观焊盘等有无明显问题，一定不要拿到板后就傻傻的把所有元件都焊上了，要知道拆元件比焊元件更难！因为此时你还不能保证你的原理图百分百正确，走线百分百没问题，所以需要先进行分块测试，确保能实现预定功能后再进行剩余几块板的焊接。一般的测试顺序是首先电源电路，保证板载能够正常供电（你需要一个万用表）；然后是主控芯片及其外围电路，能够正常烧写程序并运行，祝福你的电路板不会冒烟；最后是各个外设模块，依次焊接并测试功能是否正常。

六、一些避坑建议

1. 连线这件事情是一个细致活，只要有一条线连错了，整个板子就废了，又要重新打一块，时间成本太大，所以宁愿画图时更仔细一些。
2. 原理图的参考尽量多找几个，进行比较，选择更优的方案，因为总会有你考虑不到的方面。
3. 元器件选择需要核对好规格，最好选择有封装能够显示3D效果的，防止产生布局上的冲突，另外一定要有选择有货的，不然板子画好了结果买不到元器件就很尴尬。
4. 电路板上的各个管脚处合理加上丝印，焊接时能省下不少时间。
5. 二极管是一个很容易坏掉的东西，尽量选择好点的能自恢复的。
6. 芯片一般都会有定位脚，会有个圆圈的标志，可千万别焊反了。
7. 焊接是个技术活，烙铁温度可以稍微高点更好焊，焊点成锥形最好，助焊剂用过后板子最好擦干净。
8. 焊接多引脚芯片的操作：烙铁温度350-400℃，镊子稳定芯片位置（注意摆放方向），烙铁上锡先分别焊住对角固定芯片，然后在待焊引脚上涂抹适量助焊剂，使用刀头烙铁带适量锡采取左右来回横拉依次向下的手法，如果有焊锡牵连多个引脚，就再加助焊剂，在相应位置用干净的刀头从左往右带出多余焊锡即可。（b站有焊接教学视频）
9. 焊接QFN封装的芯片的操作：这种封装没有突出的管脚，引脚在芯片底部和侧面，一般中间是GND散热。首先在中间大块GND上适量焊锡，然后引脚处涂抹适量助焊剂，用镊子稳住芯片的位置（注意摆放方向），使用热风枪加热，待焊锡融化时芯片下压，手上保持稳定，会有多余的焊锡被挤出来，只要位置摆对了，各个引脚就不会短接或虚焊，再使用烙铁把多余的焊锡带走即可，或者也可以在芯片侧面再补微量焊锡保证连接。
10. 如果板子短路冒烟了及时断电，然后使用万用表的二极管档依次检测电源、芯片、外设各部分，排查出问题的部件，找到后用热风枪卸下来更换新的。如果是电路板设计不合理那就只能返工了。
11. 总之，前面仔细一点，后面才不会返工，前面错了，后面要重新弄贼郁闷，时间和精力都费了。

本文的原理图和PCB均开源，并可在链接：https://pan.baidu.com/s/1_drcubuRAHxrH1cE8Si5bw?pwd=uzc2
提取码：uzc2
https://github.com/lanhuazhiyue/my_robot.git中获取，如若使用请点个赞或点亮Star，谢谢！