今天小編分享的科技經驗：如何入門硬體開發？一個軟體開發者的邊學邊做手記，歡迎閱讀。
2023 年，作為軟體開發出身的我，做了兩款智能硬體產品，注冊了兩個專利，「硬」氣了一把。
硬體開發的基本流程
首先聲明，這裡所說的硬體，更偏向于 ARM 單片機及嵌入式開發。我不是硬體工程師出身，屬于邊學邊幹；可正是如此，我的視角可能更貼近真實、更容易幫你上手。如果哪個環節有更好的做法，歡迎行業内的朋友指正。
▍明确需求
硬體領網域很大，又很繁雜，從何說起呢？這是個問題。
首先，還是從需求出發。明确產品要實現哪些功能、有哪些約束條件，有了這些硬性标準，問題的邊界就被大大縮小了。
這裡，以「它适智能跑輪」為例，從頭到尾，走一遍硬體研發的歷程。
先說一點，產品的研發不是一條直線，而是不斷迭代、甚至重頭再來的過程。為了描述方便，這裡假設一切是一帆風順的，只按最終的方案來描述。不過，考慮到商業性，一些地方不會說太細。
▍芯片選型
它适智能跑輪，核心的需求，是記錄數據，然後通過藍牙傳遞出來；主要的約束，是低功耗、長待機。那麼這顆芯片：
性能不能太差，要能支撐起藍牙連接和數據傳輸；
性能也不用太強，不然會增加功耗；
最好能以不同的功耗工作；不工作時休眠，并且可以被藍牙連接喚醒；
要能存儲足夠多的數據。當然，也可以用外圍存儲芯片，但那樣既會增加成本，也會增加 PCB 的面積和復雜性，所以最好能集成進來。
然後，就是其他核心元件，包括藍牙芯片、霍爾傳感器等。
之後，就是确定產品的互動方式，比如顯示、按鍵、聲音等。
再之後，就是确定電源方案。電源對于整個電路設計，是非常重要的。事實上，對最終的電路來說，有一小半的元件，都是電源相關的。具體到這個產品，要支持锂電池供電、Type C 充電、LDO 降壓穩壓、測量锂電池電壓等等。
到這裡，主要的芯片及方案就基本确定了。接下來，就是搭建具體的電路、設計 PCB。
▍設計電路圖
這時，就要面臨 EDA 的選擇。所謂 EDA，類似于軟體開發中的 IDE，就是電路設計所需要用到的軟體。這裡我選擇的是 立創 EDA，它是國產的、免費的，簡單易用。這對于個人或小團隊開發來說，非常重要。商業 EDA 是非常昂貴的；當然，我知道有所謂特别版。但作為軟體開發出身的我，對正版、免費有天然的親切感。
确定好工具後，可以開始設計電路圖了。
設計電路圖，主要靠兩樣：電路基礎知識、芯片數據手冊。基礎知識自不必說，比如電阻、電容、三極管、MOS 管等基礎元件的使用。對于復雜的芯片，主要是參考其數據手冊的典型電路，針對自己具體的場景進行調整。
這一步還挺好玩的，把一堆元件擺出來，然後用線連啊連，像正極連正極、負極連接地，連着連着就好了。當然，步驟是這麼個步驟，實際不會這麼容易。
一般的電路圖，大概長這樣：
▍設計 PCB
電路圖設計好之後，就是設計 PCB，也就是印刷電路板。這一步同樣考驗功力，也更加耗時。事實上，不考慮芯片選型的話，PCB 布板所花費的時間，比電路圖長很多。
這一步，說簡單也簡單。就是确定後電路板的外尺寸後，把所有元件排排好；并參照電路圖，把各元件通過走線連接起來。
最直接的難點是布線。不考慮多層板的話，電路板相當于一個平面，而平面上的線是不能交叉的。這使得必須很恰當地擺放元件，才能避免交叉。有時，還得反向修改電路圖。當然，多層板可以改善這一點，但成本高，且設計難度加大。如非必要，常見的還是用雙層板，也就是有正反兩個面可以走線。
當然，PCB 板還有很多其他難點和要注意的地方，比如要适配外尺寸及開孔、天線及電磁屏蔽、散熱、避免回路、差分信号線等等，這裡就不展開了。
一般的 PCB 板，大概長這樣：
▍打板
電路板設計好之後，就可以制作 PCB，俗稱打板。這裡依然推薦嘉立創，每月有兩次免費打板的機會，付費也只是 20 元起；而且很快，最快隔天就可以收到。
打板之後，就要焊接元件。這裡又面臨一個選擇，要麼是讓嘉立創這樣的工廠替你完成 SMT 貼片，要麼自己焊接。二者的優缺點很明顯：自己焊，省錢、靈活、不用等，但花時間，且一些很小、引腳很多的元件，不好焊；第三方 SMT 則剛好相反。
一般來講，前期、以及簡單的電路板，可以自己焊；後期還是傾向于 SMT 服務。
焊接好元件後，就類似這樣：
▍刷固件
電路板制作好後，就要刷固件。當然，有些簡單的電路，是不需要刷固件的。刷固件，就相當于給硬體裝個作業系統。這裡暫時略去固件的開發。
具體的，電路板上留刷機接口，配合專用的刷機工具、上位機，就可以将固件寫入芯片的 Flash 存儲。
▍電路測試
刷好固件後，就要開始測試。簡單的，就是先測試下正負極電阻，看有沒有短路。沒問題可以上電，看電路有沒有按預期工作。如果有預留測試點，就測量測試點的電壓等。也可以借助示波器等工具進行測量。
如果遇到問題，不要慌，這太正常了。一般來講，就是先縮小問題的範圍。可以用拆焊等方式，去掉不必要電路的影響，只看出問題的那部分，方便排查。
對于固件的測試，可以像黑盒一樣觀察硬體是否按預期工作，也可以像白盒一樣進行調試。只是硬體的調試，遠沒有軟體随便加斷點那麼輕松。
定位問題，找出解決方案，就可以進行下一次制板。當然，也可以根據實際使用中的不便或問題，對電路進行改進。
▍制作原型
經過幾輪迭代，電路板基本穩定，可以組裝成原型機，開始使用場景的測試。
這時，通常要制作產品的外殼。最好自己有一定建模能力，這樣可以設計產品的外殼、3D 打印，方便很多。
如果只是簡單的外殼，可以用嘉立創的工具，可以比較簡單地生成 3D 模型。如果有團隊，可以和同事一起配合進行設計。如果已經有外觀設計，就可以進行結構設計。比如，如何固定電路板、如何暴露互動接口等。
▍量產電路板
假設經過一段時間測試，原型通過了，產品也到了規模化生產階段，就要開始批量生產電路板了。
通常，不是重新上傳設計檔案下單，而是返單上一次被驗證過的電路板。這樣更可靠，避免手抖出錯，導致批量生產的電路板報廢。
電路板批量生產完後，還面臨一個繁瑣的流程：刷固件。之所以說繁瑣，主要還是量。
試想一下，如果刷一個電路板需要 1 分鍾，聽起來不多吧？可要刷 1000 片呢，那就是 16 小時。不吃不喝，從早上 6 點，刷到晚上 10 點，吓人不。當然，實際沒這麼慢，但基本是這個數量級，快不了太多。
▍生產、包裝、發貨
然後，就可以交付給工廠，進行包裝生產了。繼而轉發至倉庫，用戶在電商平台下單後，就可以快遞出去了。
等用戶收到後開始使用，這時能做的，就是雙手合十，祈禱不要出問題。因為一旦出問題，大概率不像軟體一樣，更新個版本就能解決，很可能要召回。
說到這裡，就要提一個話題：OTA，就是用戶可以遠程更新固件，來解決問題、或增加功能。這個其實很重要，尤其是在前期、尚未經過大規模用戶實測時。OTA 可以在不召回的情況下，解決一部分問題，減少損失。
▍十全十美
如果一切順利，用戶用起來很開心，滿足了實際需求，帶來正面評價時，就是 產品人最開心的時刻。
至此，就是硬體產品的基本流程。
硬體開發的一些故事
上面只是走馬觀花地介紹硬體的基本流程，挂一漏萬。下面補充一些細節，解釋下「為什麼硬體工程師通常發量不多」。
▍如何上手硬體開發
玩芯片的第一步，都是點亮一顆燈；這個操作，相當于軟體領網域中打印出 Hello World。當然，做得多了，總有「點亮」芯片的時候，哈哈。
最好邊學邊練，做些小東西練手。
比如，我第一個做給自己用的硬體工具，是 IoT Power 電源轉接頭。
比如，制作批量刷機工具，提高生產效率。
比如，制作小的 PCB，記錄電池放電過程。
總之，制作自己用得上的小工具，是不錯的開始。
從軟體和生态上來講，可以從 Arduino 入手。相對復雜的，就是樹莓派以及各種衍生派。
▍再說芯片選型
芯片選型非常重要，最考慮經驗、能力。而且一旦定了，之後基本不太可能會改；如果改，意味着要兼容兩套方案、非常恰當地處理芯片及產品庫存，總之很麻煩。
芯片的生态很重要。如果一家公司的芯片被廣泛使用，通常意味着它更成熟，隐藏的問題更少。如果選一家小廠的芯片，可能看起來更便宜，但配套的開發軟體不好用，市場上不容易找到使用該芯片的開源方案，等等。更關鍵的，可能有隐藏的問題。而這個問題，一旦量產後才發現，将是非常痛苦的：召回的話，血虧；不召回的話，會有持續不斷的用戶問題。像 STM32、兆易創新 GD32 這些系列，都是比較成熟的選擇。
還有一個問題，就是開發效率與運行效率的平衡。對于電腦或手機上的軟體開發，通常不需要擔心性能問題，CPU、内存、電量管夠。而單片機開發，則沒這麼幸運了。通常，嵌入式使用 C 語言開發。可惜，實在不想這把年紀了，再去啃 C 語言。
最後選擇了合宙 Air101 這顆主芯片。很大的原因，是它支持 LuatOS 開發。簡單地說，就是在芯片上運行了一個 Lua 虛拟機，或者說運行環境。接下來，使用 Lua 這門腳本語言，就可以調用庫函數，快速完成生產代碼的開發。關鍵的，它還支持 OTA 更新。主流嵌入式作業系統 RTOS，包括 μ Clinux、FreeRTOS 等。
有時感覺，硬體產品不是做出來的，是攢出來的；從巨大的元件庫中選型，各種排列組合，最後出產品。
▍配件采購
芯片的采購也比較關鍵。尤其到後期，產品已經上市，準備批量返單時，如果發現一個關鍵的元件缺貨了、漲價了，就很頭痛。如果換芯片，又要有比較長周期的測試。
延伸來說，在硬體眾多配件中，哪怕缺少一個螺絲，也會決定最終產品能否量產。過多屯貨，又會壓資金；之後如果換方案，很可能屯的芯片就無用了。因此，供應鏈管理很關鍵。比如，對于汽車這種有 N 多配件的產品來說，供應鏈管理的難度極大。
▍說說焊接
做硬體，手工焊接是基本功。雖然嘉立創這類平台，打樣已經比較便宜了。但在開發階段，頻繁測試，花費還是不小。更關鍵，來來回回比較花時間、影響效率。很多時候，還是得撸起袖子自己焊。
焊接中，植錫、放元件，是很枯燥的。風槍一吹，爬錫過程很解壓。小元件、多引腳的連錫，是最頭痛的。
當然，還有焊台最佳伴侶：燙傷膏，别問我是怎麼知道的……
▍硬體佬工具多
硬體佬有很多配件、工具，比如各種型号的電容電阻等元件，萬用表、示波器、功率計、焊台等。
電壓電流這些，肉眼是看不見的，需要工具來測量。
比如，同樣是 5V 的電源，有的紋波大、有的小；
比如，标稱是 12V 2A 的電源，真到了 2A 的大負載，是不是會掉電壓；
比如，測量上電時序。
▍原型到產品
對于一款硬體產品，電路板只是其中一個環節，作為一款完整的產品，要考慮的東西還有很多。比如，包裝、說明書、宣傳文案配圖視頻、生產備貨、等等。
產品原型做出來，離規模化上市，還差很遠。什麼東西一上量，性質就變了。
工廠生產，有很多不可控的因素，有很多妥協。事實上，初期設計 100 分的產品，最終批量上市時，能妥協到 70 分以上，已經很不錯了。
第一次批量生產固件，還是很慌的。可能電路設計有問題，也可能生產過程中有缺陷，擔心投入的真金白銀，變成無用的電子垃圾。
做了硬體，真的相信，第一代產品通常是有問題的。硬體比較復雜，使用環境和方式多種多樣；很多問題，只有在用戶使用過程中才能發現。而發現了問題，很多時候無法通過固件更新來解決，只能寄希望下一代硬體改進。
當然，如果大家都不支持第一代產品，也就不會有第二代。這世界總需要有人第一個吃螃蟹，也時常獎勵吃螃蟹的人，看大家怎麼選擇了。
▍硬體抄襲
抄襲哪都有，硬體也一樣，術語叫 抄板。怎麼應對呢？很難。
打磨絲印，算是比較基礎的操作。更有效的，是開發有固件的硬體，也就是硬體裡是有代碼、有固件的，這種就不好直接抄。
▍物理開關
硬體很難避免物理開關。本來想，硬體做得優雅，就不需要物理開關。現在看，意外情況總是有，還是要考慮售後的問題。認慫，給智能模塊加個物理 Reset 開關。其實，很多硬體設備上都有此類開關，比如路由器就比較常見。
▍數字量與模拟量
軟體與硬體的視角不同。
在軟體人眼裡，0 就是 0，1 就是 1，這不是再清楚明白不過的（當然，這裡考慮的是整形數、不是浮點數）。進而，這也是一般人的理解。
在硬體人眼裡，還真不是。像浮點數，1 可能是 0.998，也可能是 1.02，也可能是 > 0.5。或者說，所有的值都有波動、有誤差、有範圍的。
▍嵌入式硬體的局促
比如，在存儲空間很小的芯片中寫代碼，會遇到這樣的問題：需要考慮 2100 年後的事嗎？
如果需要，則需要存儲完整的年份，比如 2023；如果不需要，則可以省點存儲，比如只存 23。
▍說說藍牙通訊
BLE 藍牙傳輸比較慢。實測有一次通過藍牙傳輸 552KB 的檔案，用時 7 分鍾（436 s）。并且，藍牙不穩定、傳輸的可靠性不高；傳輸過程中，很容易出現丢數據、傳錯的情況。
硬體中詭異的問題
由于看不見摸不着，而電路又以光速運行，很容易產生詭異的問題。
比如，有一次電路接線完全正确，死活不幹活。最後通過萬用表測量才發現，其中一根面包線是壞的、不通電的，我去。
比如，钰泰 ETA6093，連接電池，什麼也不做，就會有很多尖峰電流，分鍾平均有 120uA，使得待機時間明顯縮短。後來，問了原廠的技術支持，才知道本來就是這樣的。如果要低功耗，只能選擇其他型号。倒，之前屯的芯片都用不上，又要開始選芯片了。
比如，測量電路中，如果負載有大電流、大負載，會產生比較大的壓差，會明顯影響測量結果。有時，電源線的長短，都會明顯影響測量結果。
這些問題，很多是自己經驗不足（當然，沒有誰天生經驗就足，都一個一個坑踩過來的），有的是芯片本身有問題，有的數據手冊壓根沒介紹，等等。
▍ LED 不為人知的細節
不同顏色 LED 的功耗差異非常大。單從電流上看，R/G/B 三者的電流大概是：1.5mA/1mA/0.8mA。但事實上，在此電流下，三者亮度大概是 G >>> B > R。相同亮度下，綠色 LED 是最省電的。
▍多一個能力，就多了一扇窗
和已有能力組合，可以增加很多可能性。
比如，家裡燃氣熱水器壞了，我可以更換其中的風壓開關；
比如，電動車沒有電子報警，我可以裝一個；
比如，滑鼠的按鍵太吵，可以換個靜音開關；
比如，做一款智能音箱，連接 ChatGPT 回答問題。
興趣歸興趣、炫技歸炫技，作為一個產品，滿足真實需求，才是最重要的。
和純軟體開發相比，硬體有不一樣的樂趣。入門并沒那麼難，值得你來嘗試，歡迎入坑。
