硬件是怎么做出来的？带你从软件的视角了解全过程

笨猫 · 发表于 2024-1-10 07:06:03

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。
硬件开发的一些故事上面只是走马观花地介绍硬件的基本流程，挂一漏万。下面补充一些细节，解释下为什么 硬件工程师通常发量不多。
如何上手硬件开发玩芯片的第一步，都是点亮一颗灯；这个操作，相当于软件领域中打印出 Hello World。当然，做得多了，总有「点亮」芯片 的时候，哈哈。
最好边学边练，做些小东西练手。

比如，我第一个做给自己用的硬件工具，是 IoT Power 电源转接头。
比如，制作批量刷机工具，提高生产效率。
比如，制作小的 PCB ，记录电池放电过程。

总之，制作自己用得上的小工具，是不错的开始。
从软件和生态上来讲，可以从 Arduino 入手。相对复杂的，就是树莓派以及各种衍生派。
再说芯片选型芯片选型非常重要，最考虑经验、能力。而且一旦定了，之后基本不太可能会改；如果改，意味着要兼容两套方案、非常恰当地处理芯片及产品库存，总之很麻烦。
芯片的生态很重要。如果一家公司的芯片被广泛使用，通常意味着它更成熟，隐藏的问题更少。如果选一家小厂的芯片，可能看起来更便宜，但配套的开发软件不好用，市场上不容易找到使用该芯片的开源方案，等等。更关键的，可能有隐藏的问题。而这个问题，一旦量产后才发现，将是非常痛苦的：召回的话，血亏；不召回的话，会有持续不断的用户问题。像 STM32 、兆易创新 GD32 这些系列，都是比较成熟的选择。
还有一个问题，就是 开发效率与运行效率的平衡。对于电脑或手机上的软件开发，通常不需要担心性能问题，CPU 、内存、电量管够。而单片机开发，则没这么幸运了。通常，嵌入式使用 C 语言开发。可惜，实在不想这把年纪了，再去啃 C 语言。
最后选择了 合宙 Air101 这颗主芯片。很大的原因，是它支持 LuatOS 开发。简单地说，就是在芯片上运行了一个 Lua 虚拟机，或者说运行环境。接下来，使用 Lua 这门脚本语言，就可以调用库函数，快速完成生产代码的开发。关键的，它还支持 OTA 升级。主流嵌入式操作系统 RTOS ，包括μClinux 、FreeRTOS 等。
有时感觉，硬件产品不是做出来的，是攒出来的；从巨大的元件库中选型，各种排列组合，最后出产品。
配件采购芯片的采购也比较关键。尤其到后期，产品已经上市，准备批量返单时，如果发现一个关键的元件缺货了、涨价了，就很头痛。如果换芯片，又要有比较长周期的测试。
延伸来说，在硬件众多配件中，哪怕缺少一个螺丝，也会决定最终产品能否量产。过多屯货，又会压资金；之后如果换方案，很可能屯的芯片就无用了。因此，供应链管理很关键。比如，对于汽车这种有 N 多配件的产品来说，供应链管理的难度极大。
说说焊接做硬件，手工焊接是基本功。虽然嘉立创这类平台，打样已经比较便宜了。但在开发阶段，频繁测试，花费还是不小。更关键，来来回回比较花时间、影响效率。很多时候，还是得撸起袖子自己焊。
焊接中，植锡、放元件，是很枯燥的。风枪一吹，爬锡过程很解压。小元件、多引脚的连锡，是最头痛的。
当然，还有 焊台最佳伴侣：烫伤膏，别问我是怎么知道的…

硬件佬工具多硬件佬有很多配件、工具，比如各种型号的电容电阻等元件，万用表、示波器、功率计、焊台等。

电压电流这些，肉眼是看不见的，需要工具来测量。

比如，同样是 5V 的电源，有的纹波大、有的小；
比如，标称是 12V 2A 的电源，真到了 2A 的大负载，是不是会掉电压；
比如，测量上电时序。

原型到产品对于一款硬件产品，电路板只是其中一个环节，作为一款完整的产品，要考虑的东西还有很多。比如，包装、说明书、宣传文案配图视频、生产备货、等等。
产品原型做出来，离规模化上市，还差很远。什么东西一上量，性质就变了。
工厂生产，有很多不可控的因素，有很多妥协。事实上，初期设计 100 分的产品，最终批量上市时，能妥协到 70 分以上，已经很不错了。
第一次批量生产固件，还是很慌的。可能电路设计有问题，也可能生产过程中有缺陷，担心投入的真金白银，变成无用的电子垃圾。
做了硬件，真的相信，第一代产品通常是有问题的。硬件比较复杂，使用环境和方式多种多样；很多问题，只有在用户使用过程中才能发现。而发现了问题，很多时候无法通过固件升级来解决，只能寄希望下一代硬件改进。
当然，如果大家都不支持第一代产品，也就不会有第二代。这世界总需要有人第一个吃螃蟹，也时常奖励吃螃蟹的人，看大家怎么选择了。
硬件抄袭抄袭哪都有，硬件也一样，术语叫抄板。怎么应对呢？很难。
打磨丝印，算是比较基础的操作。更有效的，是开发有固件的硬件，也就是硬件里是有代码、有固件的，这种就不好直接抄。
物理开关硬件很难避免物理开关。本来想，硬件做得优雅，就不需要物理开关。现在看，意外情况总是有，还是要考虑售后的问题。认怂，给智能模块加个物理 Reset 开关。其实，很多硬件设备上都有此类开关，比如路由器就比较常见。
数字量与模拟量软件与硬件的视角不同。
在软件人眼里，0 就是 0 ，1 就是 1 ，这不是再清楚明白不过的（当然，这里考虑的是整形数、不是浮点数）。进而，这也是一般人的理解。
在硬件人眼里，还真不是。像浮点数，1 可能是 0.998 ，也可能是 1.02 ，也可能是 > 0.5 。或者说，所有的值都有波动、有误差、有范围的。
嵌入式硬件的局促比如，在存储空间很小的芯片中写代码，会遇到这样的问题：需要考虑 2100 年后的事吗？
如果需要，则需要存储完整的年份，比如 2023 ；如果不需要，则可以省点存储，比如只存 23 。
说说蓝牙通讯BLE 蓝牙传输比较慢。实测有一次通过蓝牙传输 552KB 的文件，用时 7 分钟(436s)。并且，蓝牙不稳定、传输的可靠性不高；传输过程中，很容易出现丢数据、传错的情况。
硬件中诡异的问题由于看不见摸不着，而电路又以光速运行，很容易产生诡异的问题。

比如，有一次电路接线完全正确，死活不干活。最后通过万用表测量才发现，其中一根面包线是坏的、不通电的，我去。
比如，钰泰 ETA6093 ，连接电池，什么也不做，就会有很多尖峰电流，分钟平均有 120uA ，使得待机时间明显缩短。后来，问了原厂的技术支持，才知道本来就是这样的。如果要低功耗，只能选择其他型号。倒，之前屯的芯片都用不上，又要开始选芯片了。
比如，测量电路中，如果负载有大电流、大负载，会产生比较大的压差，会明显影响测量结果。有时，电源线的长短，都会明显影响测量结果。

这些问题，很多是自己经验不足（当然，没有谁天生经验就足，都一个一个坑踩过来的），有的是芯片本身有问题，有的数据手册压根没介绍，等等。
LED 不为人知的细节不同颜色 LED 的功耗差异非常大。单从电流上看，R/G/B 三者的电流大概是：1.5mA/1mA/0.8mA 。但事实上，在此电流下，三者亮度大概是 G >>> B > R 。相同亮度下，绿色 LED 是最省电的。

多一个能力，就多了一扇窗和已有能力组合，可以增加很多可能性。