“大一新生如何参加智能车比赛”帖子回复

  在论坛水了两三年了，见到了不少大佬非常厉害的开源设计，也算是这个论坛（ ZNCZZ ）的忠实受益者之一。

  这篇帖子是搬运我在知乎一个问题，“大一新生如何参加智能车比赛”下面的回答。因为我也是双非电气专业的本科，做车的时候几乎是什么传承资料都没有，和实验室的一帮大佬们一起打拼进了国赛，非常能够理解新手在入门阶段没指导没资料无从下手的那种苦恼，所以写了这篇粗浅的硬件入门指南，希望能给初入智能车比赛的小白们有所帮助，也非常欢迎论坛大佬们一起交流，提出里面的不足。

■ “大一新生如何参加智能车比赛”帖子回复

  弃赛读研国二选手接着来填坑了。之前说了一些粗浅的入门知识，我自己做硬件稍微多一点，STM32也略懂一二，所以现在来粗浅的讲一下硬件方面的入门和学习（打怪升级）的一些知识和途径。此贴适合零基础小白参考，也欢迎各路大神友善的指点和讨论。

  硬件方面首先要明确你的车要有哪些硬件模块。举个例子，比如我是做的电磁四轮，那肯定要有单片机做控制，还要能够识别赛道信号，然后驱动电机和舵机工作。

  写程序肯定还是PID算法，那对PID的参数肯定要能够进行调整，不能老是代码里修改再烧进去，这样非常耗费时间。

  这样把需求列出来以后，大致的模块分类就非常的清晰：MCU最小系统、电磁信号采集、电机驱动、一些必要的传感器（比如IMU、编码器）、人机交互（也就是调参需要的按键、显示屏、蜂鸣器之类的外设）这几个模块就非常的清晰了。

  然后再考虑一个问题，就是我板子上所有的元件都要供电才能工作，但是镍铬电池电压是7.2-8.4V，不能直接给元件使用，这种情况该怎么办呢？就需要一些芯片把电压降下来，降到5/3.3V来给板子上的器件使用，这就产生了电源模块。

  这样大体分析一下，该做的模块就浮出水面了，接下来就是往这个框架里的每一个部分来填充细节了。填充细节这个事就牵扯到具体的电路设计，对于只有电路模电理论没有实践的新手来说，多看往届的技术报告和技术检查表是最快的设计途径。大部分的技术报告都会给出一些原理图设计，znczz论坛里也有很多开源的工程和原理图。

  拿到这些原理图之后需要再去查找里面芯片的datasheet，明确技术细节。

  以电源管理为例，最常见的设计是用LDO（低压差线性稳压器），例如LM2940，TPS73xx，SPX系列的LDO。如果使用的是LM2940，就需要查看它的手册，明确输入电压、输出电压、最大输出电流、外接滤波电容等技术细节。

  比如固定输出5V，最大负载电流1A，输出电容要用22uF的有极性电容且电容的ESR（等效串联电阻）需要满足一定范围。直接抄别人的原理图设计或许可以正常使用，但是会有一些设计隐患存在，不知道什么时候就会爆发出来，这对硬件的稳定性非常的不利。

  如果不打算用LDO，想用DCDC芯片做开关电源提高转化效率，就更需要查看datasheet和原厂编写的应用指南、评估板手册、仿真实例等技术资料。

  以TPS63070为例，手册里明确给出了原理图设计、元件选型以及PCB layout范例，参考他们设计即可。其他模块的设计思想和以上所述的电源模块类似，建议对电路工作原理有了深刻理解后再着手画PCB，这样对layout会有很大帮助，后期如果出现故障，排除也会比较方便。

  设计完原理性的电路就需要画图了。主流的PCB设计软件就是Altium Designer,PADS,Cadence,Kicad,立创EDA这些软件，车赛一般是用Altium Designer(下面简称AD)。

  首先要学会AD的使用，这一部分看书就可以，没必要看视频，市面上的一些教学视频讲的确实非常详细，但是太过冗长，看一会就会看不下去，建议找本书跟着做一遍实际的案例，比如51最小系统，就可以入门了。答主大二的时候看的下面这本书，每天晚上去自习室抱着电脑边看边画，两个星期就可以基本入门PCB绘制了。

  不限于这本书，市面上写的较好的AD书都可以拿来学习画PCB的第一步是把原理图设计好，而原理图设计的准备工作就是画原理图符号，也就是symbol。我画symbol的习惯是按照芯片实际的封装进行绘制，并且把特定功能的引脚用不同颜色进行标注，方便在PCB设计的时候进行引脚分配。

  比如像这样画好symbol以后要给它添加合适的封装，也就是footprint。封装可以根据datasheet里的尺寸手画，也可以通过一些别人画好的封装库直接调用。对于新手，可以选择几个元件自己画一下封装，掌握画封装的操作，毕竟不是所有元件别人都会给你画好的，但是实际画参加比赛的板子还是建议用一些成熟的封装，以免画出来以后芯片焊不上去（这就翻车了）。

  封装库的获取有几种途径，一是从网上下载，二是从立创EDA导出，三是从各种电子设计爱好者手里获得。如果你的焊接水平较好，建议使用贴片封装的阻容（0805或者0603）；如果觉得焊接技术不过硬，可以用直插封装的电阻电容。无论是哪一种途径，添加好封装画好板子之后尽量1：1的先用纸打印出来和实际的安装位置、芯片尺寸进行对比，有问题再修改，确定没有任何问题以后再送板厂打样。具体的绘制PCB的步骤，无论是书里还是各种网络资源都讲得很详细，这里不再赘述。

  如果你画的第一块板子可以打出来了，就需要进行焊接和测试。焊接之前先测量一下电源的对地阻值，防止在PCB短路的情况下进行焊接。焊接的顺序因人而异，我习惯于先把电源部分焊好，接上电池先用万用表测试一下输出电压，没有问题再焊接剩下的部分。而对于不同高度的元件，可以先焊接贴片元件和高度较低的元件，诸如电容、开关、电机接口之类的较高的直插/贴片元件可以放到最后焊接。

  焊接后就要上电测试，这里的测试我自己分为两种：纯硬件测试和软硬联调。纯硬件测试以电磁信号处理部分为例，上电后用示波器测试关键点信号，比如电感谐振对输出、运算放大器输入、运算放大器输出、后级处理电路输出。软硬联调就是写程序测试，比如PWM输出、编码器输入捕获、MPU6050数据获取、GPIO输入输出等等。

  如果经过测试，没有什么大问题（像什么输出电压不对、单片机烧了、电机不转、信号检测不到、OLED不亮等等），恭喜你已经迈出了非常关键的一步，对于硬件大神来说就可以喝茶歇着了，但是对于Ctrl C V的小白来说还远远不够。

  画完之后问一问自己:

• 你有没有真正的理解了画出来的所有电路？电机驱动里的H桥驱动原理是什么？
• 为什么要用栅极驱动芯片？ 为什么栅极输入要串个小电阻？怎么自举的？
• 栅极驱动芯片为什么要用12V供电？
• 为什么有人给mos管反并联一个二极管？这个二极管是不是真的需要？
• 又比如电磁信号处理部分，如果用的普通运放，为什么要加一个直流偏置电压？
• 后级信号处理为什么要这样设计电路？
• 电容和二极管怎么工作的？有没有更好的改进方案？
• 再比如PCB设计里面，地平面处理好了吗？
• 为什么要数字地模拟地分离？磁珠和0欧电阻有什么区别？都可以在板子上这么用吗？

  这些问题还只是冰山一角，实际设计的时候需要考虑方方面面的问题，彻底吃透电路背后的工作原理，这样对后续可能出现的故障排除会大有裨益。设计的时候多给自己一些灵魂拷问，会进步的更快。

  那么有人会问了，我啥都不知道啊，这课本上也没怎么讲啊，这该怎么分析？主要有几个渠道，第一就是问指导老师，但是指导老师有可能也不明白；第二个是从网上查找各种各样的资料，包括但不限于芯片手册、应用笔记、评估板手册、设计论坛开源资料、PCB设计指南等等资料；第三个就是看书，看什么书呢？看《智能车制作》这本书。事先声明，我没有收钱，更不可能恰饭，我自己都买了几本来看，纯粹是因为这本书写的非常的好，作者全部都是往届参赛选手 且都非常牛逼，很多原理讲的非常透彻。放张图说明一下有多牛逼。

  这么牛逼的作者，还不抓紧买书来看？

  接下来说一说故障排查。一千个人可能出现一千零一种故障，但是其中的大多数故障有很大的可能性是前人曾经出现过的，因此查找这些前人的经验就非常重要。上面所提及的 智能车论坛 就是一个很好的地方供硬件设计者查找自己出现的故障。如果没有人有过类似的经验，那就要通过手中的仪器进行测试。

  电压出不来就用万用表从输入到输出逐级检测，电机不转就用示波器按照以下顺序检测信号：

  单片机PWM口->栅极驱动芯片输入->栅极驱动芯片输出->MOS的Vgs。

  上面只是引出两个小例子，事实上所有的故障都有原因可循，从设计失误、板厂做工问题、不规范操作到虚焊，一定有一种原因可以解释你的故障。答主也曾经碰到一个奇葩的故障，电机驱动的MOS下管冒烟了，钮子开关烧糊了，80mil的电机线都烧断了，后来用示波器排查了上面所说的所有信号，都没有问题，检查了PCB设计也没有问题。折磨了快一个星期，最后没有办法随机测了一下驱动芯片的GND，发现不对劲，没接到GND网络的铜皮上，再测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，不能说这块板出问题了我就再重焊一块吧，重焊一定会好的，要有一股子劲：不把这个bug的原因找出来不算完。

  以上基本包括了从构思到焊接测试的所有流程了，下面来聊一聊一些杂七杂八不知道怎么归类的东西。第一个是PCB的定型，事实上PCB一次定型是很难的事情，尤其是当你对这个组别或者是做板子需要的知识知之甚少的时候，这时候就需要螺旋式进步，先做出来一套可以稳定使用的方案来调车写代码，然后再根据整车机械结构和自己的能力水平对硬件进行迭代，推陈出新，让机械结构、算法和硬件电路磨合到最极致的状态。而机械结构这事就比较复杂，答主也只是干过软化剂涂轮胎、磨轮胎的简单苦力活，对机械方面知之甚少，所有就不多做叙述。

  第二个就算是硬件小白的自我学习修养了吧，做车很像古代学徒和师傅学艺，师傅不可能把全部本事都教给徒弟，徒弟往往都会偷学师傅的本领。套用到车赛上，就是要从各种不同的渠道全方位的获取自己需要和想要的知识。答主以前特别喜欢参加分区赛还有国赛，一方面是又有地方能玩了（实际上四天累的跟狗一样，根本不想出去玩）。

  另外一个方面就是可以看到不同学校的作品，毕竟答主也是做不到“闭门造车，出门合辙”这种境界的。成绩好的学校的车都有各自的特点，有的设计及其简洁，有的方案拔尖，有的用料扎实，特别是强校的车，很多都像精美的工艺品。答主印象最深的是北科的各种冠军车，亲眼看到他们的风驰电掣非常震撼。再看他们的车，板子形状和机械结构匹配度非常高，用的都是非常好的固态电容，外部接线整理的非常简洁，单片机主控方案独树一帜，调参的板子设计非常巧妙。虽说智能车的重点在于算法的比拼，但是能够把硬件设计做到非常精美而又性能强劲的一种水平，着实非常不容易，答主也在朝着这个方向努力和学习。

  以上就是我想分享的一些经验，希望对刚接触智能车的硬件小白有所帮助。2020的比赛和往年有些不一样，对参赛队员的考验比往年更大，但是做车不只是为了最后的一纸证书，更是为了体验不一样的经历，收获更多的知识，结识更多强大的车友，也希望所有的车友在今后的比赛中能够尽自己最大的努力，不留任何遗憾！

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