2023 年，作爲軟件開發出身的我，做了兩款智能硬件産品，注冊了兩個專利，「硬」氣了一把。
硬件開發的基本流程
首先聲明，這裏所說的硬件，更偏向于 ARM 單片機及嵌入式開發。我不是硬件工程師出身，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
硬件領域很大，又很繁雜，從何說起呢？這是個問題。
首先，還是從需求出發。明确産品要實現哪些功能、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。
這裏，以「它适智能跑輪」爲例，從頭到尾，走一遍硬件研發的曆程。
先說一點，産品的研發不是一條直線，而是不斷叠代、甚至重頭再來的過程。爲了描述方便，這裏假設一切是一帆風順的，隻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。那麽這顆芯片：
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 的面積和複雜性，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，就是确定産品的交互方式，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。具體到這個産品，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。
到這裏，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，類似于軟件開發中的 IDE，就是電路設計所需要用到的軟件。這裏我選擇的是 立創 EDA，它是國産的、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。但作爲軟件開發出身的我，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。對于複雜的芯片，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，步驟是這麽個步驟，實際不會這麽容易。
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，也就是印刷電路闆。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 布闆所花費的時間，比電路圖長很多。
這一步，說簡單也簡單。就是确定後電路闆的外尺寸後，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。不考慮多層闆的話，電路闆相當于一個平面，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，多層闆可以改善這一點，但成本高，且設計難度加大。如非必要，常見的還是用雙層闆，也就是有正反兩個面可以走線。
當然，PCB 闆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，這裏就不展開了。
一般的 PCB 闆，大概長這樣：
▍打闆
電路闆設計好之後，就可以制作 PCB，俗稱打闆。這裏依然推薦嘉立創，每月有兩次免費打闆的機會，付費也隻是 20 元起；而且很快，最快隔天就可以收到。
打闆之後，就要焊接元件。這裏又面臨一個選擇，要麽是讓嘉立創這樣的工廠替你完成 SMT 貼片，要麽自己焊接。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、以及簡單的電路闆，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
電路闆制作好後，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，就相當于給硬件裝個操作系統。這裏暫時略去固件的開發。
具體的，電路闆上留刷機接口，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，隻看出問題的那部分，方便排查。
對于固件的測試，可以像黑盒一樣觀察硬件是否按預期工作，也可以像白盒一樣進行調試。隻是硬件的調試，遠沒有軟件随便加斷點那麽輕松。
定位問題，找出解決方案，就可以進行下一次制闆。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
經過幾輪叠代，電路闆基本穩定，可以組裝成原型機，開始使用場景的測試。
這時，通常要制作産品的外殼。最好自己有一定建模能力，這樣可以設計産品的外殼、3D 打印，方便很多。
如果隻是簡單的外殼，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，如何固定電路闆、如何暴露交互接口等。
▍量産電路闆
假設經過一段時間測試，原型通過了，産品也到了規模化生産階段，就要開始批量生産電路闆了。
通常，不是重新上傳設計文件下單，而是返單上一次被驗證過的電路闆。這樣更可靠，避免手抖出錯，導緻批量生産的電路闆報廢。
電路闆批量生産完後，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，如果刷一個電路闆需要 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，實際沒這麽慢，但基本是這個數量級，快不了太多。
▍生産、包裝、發貨
然後，就可以交付給工廠，進行包裝生産了。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。因爲一旦出問題，大概率不像軟件一樣，升級個版本就能解決，很可能要召回。
說到這裏，就要提一個話題：OTA，就是用戶可以遠程升級固件，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 産品人最開心的時刻。
至此，就是硬件産品的基本流程。
硬件開發的一些故事
上面隻是走馬觀花地介紹硬件的基本流程，挂一漏萬。下面補充一些細節，解釋下「爲什麽硬件工程師通常發量不多」。
▍如何上手硬件開發
玩芯片的第一步，都是點亮一顆燈；這個操作，相當于軟件領域中打印出 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件工具，是 IoT Power 電源轉接頭。
比如，制作批量刷機工具，提高生産效率。
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。
從軟件和生态上來講，可以從 Arduino 入手。相對複雜的，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産品庫存，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，但配套的開發軟件不好用，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，一旦量産後才發現，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件開發，通常不需要擔心性能問題，CPU、内存、電量管夠。而單片機開發，則沒這麽幸運了。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，快速完成生産代碼的開發。關鍵的，它還支持 OTA 升級。主流嵌入式操作系統 RTOS，包括 μ Clinux、FreeRTOS 等。
有時感覺，硬件産品不是做出來的，是攢出來的；從巨大的元件庫中選型，各種排列組合，最後出産品。
▍配件采購
芯片的采購也比較關鍵。尤其到後期，産品已經上市，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，在硬件衆多配件中，哪怕缺少一個螺絲，也會決定最終産品能否量産。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 多配件的産品來說，供應鏈管理的難度極大。
▍說說焊接
做硬件，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，别問我是怎麽知道的……
▍硬件佬工具多
硬件佬有很多配件、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。
▍原型到産品
對于一款硬件産品，電路闆隻是其中一個環節，作爲一款完整的産品，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、生産備貨、等等。
産品原型做出來，離規模化上市，還差很遠。什麽東西一上量，性質就變了。
工廠生産，有很多不可控的因素，有很多妥協。事實上，初期設計 100 分的産品，最終批量上市時，能妥協到 70 分以上，已經很不錯了。
第一次批量生産固件，還是很慌的。可能電路設計有問題，也可能生産過程中有缺陷，擔心投入的真金白銀，變成無用的電子垃圾。
做了硬件，真的相信，第一代産品通常是有問題的。硬件比較複雜，使用環境和方式多種多樣；很多問題，隻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升級來解決，隻能寄希望下一代硬件改進。
當然，如果大家都不支持第一代産品，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，看大家怎麽選擇了。
▍硬件抄襲
抄襲哪都有，硬件也一樣，術語叫 抄闆。怎麽應對呢？很難。
打磨絲印，算是比較基礎的操作。更有效的，是開發有固件的硬件，也就是硬件裏是有代碼、有固件的，這種就不好直接抄。
▍物理開關
硬件很難避免物理開關。本來想，硬件做得優雅，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，很多硬件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
軟件與硬件的視角不同。
在軟件人眼裏，0 就是 0，1 就是 1，這不是再清楚明白不過的（當然，這裏考慮的是整形數、不是浮點數）。進而，這也是一般人的理解。
在硬件人眼裏，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。
▍嵌入式硬件的局促
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，比如隻存 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 的文件，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。
硬件中詭異的問題
由于看不見摸不着，而電路又以光速運行，很容易産生詭異的問題。
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，什麽也不做，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，隻能選擇其他型号。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，會産生比較大的壓差，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 不爲人知的細節
不同顔色 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，家裏燃氣熱水器壞了，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，鼠标的按鍵太吵，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，作爲一個産品，滿足真實需求，才是最重要的。
和純軟件開發相比，硬件有不一樣的樂趣。入門并沒那麽難，值得你來嘗試，歡迎入坑。
