在論壇水了兩三年了，見到了不少大佬非常厲害的開源設計，也算是這個論壇（ ZNCZZ ）的忠實受益者之一。
這篇帖子是搬運我在知乎一個問題，“大一新生如何參加智能車比賽”下面的回答。因爲我也是雙非電氣專業的本科，做車的時候幾乎是什麼傳承資料都沒有，和實驗室的一幫大佬們一起打拼進了國賽，非常能夠理解新手在入門階段沒指導沒資料無從下手的那種苦惱，所以寫了這篇粗淺的硬件入門指南，希望能給初入智能車比賽的小白們有所幫助，也非常歡迎論壇大佬們一起交流，提出裏面的不足。
■ “大一新生如何參加智能車比賽”帖子回覆
棄賽讀研國二選手接着來填坑了。之前說了一些粗淺的入門知識，我自己做硬件稍微多一點，STM32也略懂一二，所以現在來粗淺的講一下硬件方面的入門和學習（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和討論。
硬件方面首先要明確你的車要有哪些硬件模塊。舉個例子，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，然後驅動電機和舵機工作。
寫程序肯定還是PID算法，那對PID的參數肯定要能夠進行調整，不能老是代碼裏修改再燒進去，這樣非常耗費時間。
這樣把需求列出來以後，大致的模塊分類就非常的清晰：MCU最小系統、電磁信號採集、電機驅動、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、蜂鳴器之類的外設）這幾個模塊就非常的清晰了。
然後再考慮一個問題，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，這種情況該怎麼辦呢？就需要一些芯片把電壓降下來，降到5/3.3V來給板子上的器件使用，這就產生了電源模塊。
這樣大體分析一下，該做的模塊就浮出水面了，接下來就是往這個框架裏的每一個部分來填充細節了。填充細節這個事就牽扯到具體的電路設計，對於只有電路模電理論沒有實踐的新手來說，多看往屆的技術報告和技術檢查表是最快的設計途徑。大部分的技術報告都會給出一些原理圖設計，znczz論壇裏也有很多開源的工程和原理圖。
拿到這些原理圖之後需要再去查找裏面芯片的datasheet，明確技術細節。
以電源管理爲例，最常見的設計是用LDO（低壓差線性穩壓器），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（等效串聯電阻）需要滿足一定範圍。直接抄別人的原理圖設計或許可以正常使用，但是會有一些設計隱患存在，不知道什麼時候就會爆發出來，這對硬件的穩定性非常的不利。
如果不打算用LDO，想用DCDC芯片做開關電源提高轉化效率，就更需要查看datasheet和原廠編寫的應用指南、評估板手冊、仿真實例等技術資料。
以TPS63070爲例，手冊裏明確給出了原理圖設計、元件選型以及PCB layout範例，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似，建議對電路工作原理有了深刻理解後再着手畫PCB，這樣對layout會有很大幫助，後期如果出現故障，排除也會比較方便。
設計完原理性的電路就需要畫圖了。主流的PCB設計軟件就是Altium Designer,PADS,Cadence,Kicad,立創EDA這些軟件，車賽一般是用Altium Designer(下面簡稱AD)。
首先要學會AD的使用，這一部分看書就可以，沒必要看視頻，市面上的一些教學視頻講的確實非常詳細，但是太過冗長，看一會就會看不下去，建議找本書跟着做一遍實際的案例，比如51最小系統，就可以入門了。答主大二的時候看的下面這本書，每天晚上去自習室抱着電腦邊看邊畫，兩個星期就可以基本入門PCB繪製了。
▲ Altium Designer 13|電路設計、製版與仿真從入門到精通不限於這本書，市面上寫的較好的AD書都可以拿來學習畫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原理圖符號，也就是symbol。我畫symbol的習慣是按照芯片實際的封裝進行繪製，並且把特定功能的引腳用不同顏色進行標註，方便在PCB設計的時候進行引腳分配。
▲ 特定管腳使用不同顏色進行標註比如像這樣畫好symbol以後要給它添加合適的封裝，也就是footprint。封裝可以根據datasheet裏的尺寸手畫，也可以通過一些別人畫好的封裝庫直接調用。對於新手，可以選擇幾個元件自己畫一下封裝，掌握畫封裝的操作，畢竟不是所有元件別人都會給你畫好的，但是實際畫參加比賽的板子還是建議用一些成熟的封裝，以免畫出來以後芯片焊不上去（這就翻車了）。
封裝庫的獲取有幾種途徑，一是從網上下載，二是從立創EDA導出，三是從各種電子設計愛好者手裏獲得。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）；如果覺得焊接技術不過硬，可以用直插封裝的電阻電容。無論是哪一種途徑，添加好封裝畫好板子之後儘量1：1的先用紙打印出來和實際的安裝位置、芯片尺寸進行對比，有問題再修改，確定沒有任何問題以後再送板廠打樣。具體的繪製PCB的步驟，無論是書裏還是各種網絡資源都講得很詳細，這裏不再贅述。
如果你畫的第一塊板子可以打出來了，就需要進行焊接和測試。焊接之前先測量一下電源的對地阻值，防止在PCB短路的情況下進行焊接。焊接的順序因人而異，我習慣於先把電源部分焊好，接上電池先用萬用表測試一下輸出電壓，沒有問題再焊接剩下的部分。而對於不同高度的元件，可以先焊接貼片元件和高度較低的元件，諸如電容、開關、電機接口之類的較高的直插/貼片元件可以放到最後焊接。
焊接後就要上電測試，這裏的測試我自己分爲兩種：純硬件測試和軟硬聯調。純硬件測試以電磁信號處理部分爲例，上電後用示波器測試關鍵點信號，比如電感諧振對輸出、運算放大器輸入、運算放大器輸出、後級處理電路輸出。軟硬聯調就是寫程序測試，比如PWM輸出、編碼器輸入捕獲、MPU6050數據獲取、GPIO輸入輸出等等。
如果經過測試，沒有什麼大問題（像什麼輸出電壓不對、單片機燒了、電機不轉、信號檢測不到、OLED不亮等等），恭喜你已經邁出了非常關鍵的一步，對於硬件大神來說就可以喝茶歇着了，但是對於Ctrl C V的小白來說還遠遠不夠。
畫完之後問一問自己:
- 你有沒有真正的理解了畫出來的所有電路？電機驅動裏的H橋驅動原理是什麼？
- 爲什麼要用柵極驅動芯片？ 爲什麼柵極輸入要串個小電阻？怎麼自舉的？
- 柵極驅動芯片爲什麼要用12V供電？
- 爲什麼有人給mos管反並聯一個二極管？這個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，爲什麼要加一個直流偏置電壓？
- 後級信號處理爲什麼要這樣設計電路？
- 電容和二極管怎麼工作的？有沒有更好的改進方案？
- 再比如PCB設計裏面，地平面處理好了嗎？
- 爲什麼要數字地模擬地分離？磁珠和0歐電阻有什麼區別？都可以在板子上這麼用嗎？
這些問題還只是冰山一角，實際設計的時候需要考慮方方面面的問題，徹底喫透電路背後的工作原理，這樣對後續可能出現的故障排除會大有裨益。設計的時候多給自己一些靈魂拷問，會進步的更快。
那麼有人會問了，我啥都不知道啊，這課本上也沒怎麼講啊，這該怎麼分析？主要有幾個渠道，第一就是問指導老師，但是指導老師有可能也不明白；第二個是從網上查找各種各樣的資料，包括但不限於芯片手冊、應用筆記、評估板手冊、設計論壇開源資料、PCB設計指南等等資料；第三個就是看書，看什麼書呢？看《智能車製作》這本書。事先聲明，我沒有收錢，更不可能恰飯，我自己都買了幾本來看，純粹是因爲這本書寫的非常的好，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。放張圖說明一下有多牛逼。
▲ 智能車製作這麼牛逼的作者，還不抓緊買書來看？
接下來說一說故障排查。一千個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出現過的，因此查找這些前人的經驗就非常重要。上面所提及的 智能車論壇 就是一個很好的地方供硬件設計者查找自己出現的故障。如果沒有人有過類似的經驗，那就要通過手中的儀器進行測試。
電壓出不來就用萬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：
單片機PWM口->柵極驅動芯片輸入->柵極驅動芯片輸出->MOS的Vgs。
上面只是引出兩個小例子，事實上所有的故障都有原因可循，從設計失誤、板廠做工問題、不規範操作到虛焊，一定有一種原因可以解釋你的故障。答主也曾經碰到一個奇葩的故障，電機驅動的MOS下管冒煙了，鈕子開關燒糊了，80mil的電機線都燒斷了，後來用示波器排查了上面所說的所有信號，都沒有問題，檢查了PCB設計也沒有問題。折磨了快一個星期，最後沒有辦法隨機測了一下驅動芯片的GND，發現不對勁，沒接到GND網絡的銅皮上，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，不能說這塊板出問題了我就再重焊一塊吧，重焊一定會好的，要有一股子勁：不把這個bug的原因找出來不算完。
以上基本包括了從構思到焊接測試的所有流程了，下面來聊一聊一些雜七雜八不知道怎麼歸類的東西。第一個是PCB的定型，事實上PCB一次定型是很難的事情，尤其是當你對這個組別或者是做板子需要的知識知之甚少的時候，這時候就需要螺旋式進步，先做出來一套可以穩定使用的方案來調車寫代碼，然後再根據整車機械結構和自己的能力水平對硬件進行迭代，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。而機械結構這事就比較複雜，答主也只是幹過軟化劑塗輪胎、磨輪胎的簡單苦力活，對機械方面知之甚少，所有就不多做敘述。
第二個就算是硬件小白的自我學習修養了吧，做車很像古代學徒和師傅學藝，師傅不可能把全部本事都教給徒弟，徒弟往往都會偷學師傅的本領。套用到車賽上，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（實際上四天累的跟狗一樣，根本不想出去玩）。
另外一個方面就是可以看到不同學校的作品，畢竟答主也是做不到“閉門造車，出門合轍”這種境界的。成績好的學校的車都有各自的特點，有的設計及其簡潔，有的方案拔尖，有的用料紮實，特別是強校的車，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，親眼看到他們的風馳電掣非常震撼。再看他們的車，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電容，外部接線整理的非常簡潔，單片機主控方案獨樹一幟，調參的板子設計非常巧妙。雖說智能車的重點在於算法的比拼，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，着實非常不容易，答主也在朝着這個方向努力和學習。
以上就是我想分享的一些經驗，希望對剛接觸智能車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，但是做車不只是爲了最後的一紙證書，更是爲了體驗不一樣的經歷，收穫更多的知識，結識更多強大的車友，也希望所有的車友在今後的比賽中能夠儘自己最大的努力，不留任何遺憾！