[讨论] 印刷电路板,机器人灵魂的躯壳

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发表于 2018-5-11 11:48:42   137 查看 0 回复 显示全部楼层 倒序浏览
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我们现在的生活物品,不论是电脑,手机,智能家居,还是简单的台灯,风扇,都需要复杂的电路去实现特定功能。光是想让灯泡亮起来,就需要这样连接电路。


简单的电路


如果是让风扇、台灯按指定要求运转,或是让扫地机器人撞到障碍物就自动绕开,我们就需要更复杂的电路来控制。而原始的复杂电路往往体积非常庞大。


复杂的电器电路仿真


为了让我们能用上小巧的电器和电子产品,不要生活在庞大的电路中,人们发明了一个神奇的东西,它把巨大的电路都缩小,集合在一块小板子上,它就是——印刷电路板

形象比喻为被缩小


印刷电路板相当于大型电路的迷你版,英文是 Printed Circuit Board,简称 PCB,它的出现,大大减少了电子元件之间的连线成本,同时由于 PCB 布线密度高,体积小,重量轻等优点,现代的电子设备也越来越小型化了。比如以前的大哥大,慢慢演变成现在手里的手机。

这种随处可见的 PCB 看起来密密麻麻,非常复杂,实际上由什么组成呢?

本文为 PCB 硬件制作入门,软件部分稍有提及,但不做深入讲解。

PCB 的组成

PCB 有不同的颜色和样式,但它们的组成都是一样的,我们以下面这种最常见的“黄绿配”为例子。


PCB


黄色部分是会导电的,相当于电路中的导线;绿色部分是不会导电的阻焊层,相当于一张桌面。铜的表面会喷一层,壕一点的会镀金,作用是防止氧化。


PCB


那大型电路中的灯泡、变阻器之类的元器件呢?它们缩小后,就变成了电子元件,比如二极管、电位器、芯片、传感器......等等。元件和铜连接在一起,就构成了一个电路。上图 PCB 上黑色的小东西就是电子元件。

在 RoboMaster 机甲大师赛中,机器人需要做出很多复杂的控制,比如发射弹丸、转头、识别等等,因此它们身上也有很多搭载着复杂电路的 PCB。


机器人转动


拓展知识:芯片


如果要实现复杂和高级的控制,逻辑是比较复杂的,光靠设计电路的连接方式很难实现。小R 举一个让人心痛的栗子,这是一道初中物理题:

设有 3 只灯甲、乙、丙,分别用 3 个开关 A、B、C 来控制。要求只能有一颗灯亮。如打开A,甲灯亮。打开B,甲灯就会熄灭,乙灯亮。问如何连线。

小R 觉得,大概是这么连,嗯。

电路设计很复杂


从上面的例子看出,简单的灯泡控制就非常让人头疼,那机器人复杂的控制方式就更难设计出合理的电路了。所以,一般机器人中的 PCB 都会搭载芯片,它相当于 PCB 上的大脑,可以接收传感器的数据,快速做出运算处理,再输出信息去指挥机器人做出相应的动作。



芯片的存在,让电路变得更加简易,原本硬件上的电路连接,转换成了代码嵌在芯片中,实现了同样的功能。

如何制作一块电路板

机甲大师赛中,根据不同控制需求,参赛队员需要自行设计制作不同的电路板 ,今天就来介绍,如何制作一块优质的电路板。欢迎进入“深夜实验室”。


准备开始制作电路板


制作电路板的步骤大概为,在电脑上设计出电路的原理图、将原理图化身 PCB 上的线路、让工厂做出实物 PCB、刷上导电的焊锡膏、放上电子元件、烘烤、手动将断路的地方补齐。好,开始!

原理图设计


首先,我们需要用 Aultium Designer 设计 PCB 的原理图。原理图展示的是电路控制的原理。比如初中物理课看到的这种。

原理图


但我们这里画的不是电灯泡,而是一些电子元件,比如发光二极管、电阻等,这需要我们计算和设计各部分的参数,再将电路设计出来。


原理图


原理图设计详情可以参考《电子学》第二版,作者 Paul Horowitz、Winfield Hill,电子工业出版社。


PCB 绘制

设计好后,我们要将原理图搬到板子上。这需要经过严格的计算,例如电流走多宽的线、信号完整性、阻抗的控制、时延的控制等等,这是为了保证信号的完整性,以及系统的稳定性。


PCB 绘制图


绘制的思路有几个步骤。

1、选择元件封装:

绘制 PCB 之前,我们要选好电子元件的封装,可以理解为,同一种作用的电子元件有很多种“长相”,比如下图,光是芯片就有很多种样子。


各种芯片的封装


我们要结合经济成本和整块 PCB 的要求选择适当的封装。封装太大会使电路板不够小巧,太小又不好焊接,且容易烧坏。


2、安排元件摆放:

选择好合适的封装之后,我们开始安排电子元件在 PCB 上的位置。电子元件的摆放很大程度上决定了整块 PCB 的稳定。因为元件摆放合理有助于我们后期布线,也可以减少不同属性元件间的电磁干扰。

举个栗子:图上这块板子有好几个模块,其中圈出来的是电源模块和 stm32 最小系统。


印刷电路板


电源模块属于模拟信号范畴,Stm32 最小系统属于数字信号范畴,它们是不同的模块,要分开放,否则就会产生信号干扰。就像香蕉和冬枣要分开放,不然味道会串到一起。

再举个栗子:热敏元件对温度十分敏感,因此,发热元件和热敏元件要分开放。就像滋滋冒油的烤牛排和凉凉的雪糕不能在一起,否则就会影响雪糕的口感。


3、布置线路:

摆好元件后就可以开始布线了。布线就是将电子元件连通的过程。

论布线也是有很大学问,最基本的有,线路不能出现锐角,不能有浮空布线等,否则线路会产生电磁辐射;对于一些重要的信号,例如时钟信号,尽量减小信号的回路面积。


线路走向


连线完成后,则需要用固体铜填充剩余部分(上图黑色部分),意义是给板子提供一个统一的基准平面,减少地线阻抗,提高抗干扰能力。

我们还可以利用,0Ω 电阻、磁珠、电感或者单点电源搭接将数字地与模拟地连接部分隔开,减少信号干扰。

PCB 绘制的要求非常多,绘制方式没有最好,只有更好,更多详情学习参考《PCB 设计大全》,作者:(美)米茨纳,人民邮电出版社。


打板成型


PCB 绘制好后,我们将设计图交给 PCB 制作厂商来制作 PCB 和钢网。钢网就是一块钢,上面有很多洞洞,那些洞洞就是元件摆放的位置,之后会辅助我们焊接。


钢网


给厂家打板之后,等待一段时间,充满青青草原气息的 PCB 裸板就会送达到我们手里了。裸板就是没有装上电子元件的板子啦。


PCB 裸板


当然,PCB 打板也可以自己完成,但精度不高,在机甲大师赛中,我们对 PCB 的集成度和精确度要求很高,所以一般直接找相关厂家制板。


贴上元件


拿到裸板后,我们要将电子元件粘上去,这个用于粘贴的“胶水”就是焊锡膏,一种膏状的焊锡,平时是软软的,加热以后就会凝固变硬。它将电子元件和铜体粘到一起,使电路连接起来。

我们将 PCB 裸板对准钢网的孔,就会神奇的发现,可爱的焊盘露出来了,其他部分都被钢网遮挡住了。这时,我们对准钢网上的洞洞,美滋滋地刷上一层焊锡膏,PCB 裸板的焊盘上就沾满了焊锡膏。


挤焊锡膏


取走钢网,我们用镊子夹取元件,轻轻放置在焊盘上,一定不要手抖,确保每一个贴片元件在自己的焊点上,如果不小心跑去了别人的地盘,电路就会错乱了。


放置芯片


这时,电路板就像一个披萨,PCB 是披萨的饼底,焊锡膏是上面一层芝士,电子元件是火腿,静静地躺在焊锡膏上面。接下来,我们就要去烤披萨,不对,烤板子了!


电子元件在焊锡膏上


烤板子


焊锡膏不会像胶水一样自己凝固,需要经过回流焊机烘烤,才会凝固变硬,将电子元件牢牢粘住。回流焊机就是一个烤箱,至于能不能做面包,我乱猜应该可以。

我们把贴好元件的 PCB 放入回流焊机,设定温度曲线,烘培十几分钟后取出,焊锡膏就变成了焊点。


放置 PCB


仔细查看“新鲜出炉”的电路板,将板子上焊接不到位的地方(容易断路的地方)手动补上焊锡。


手动焊的方法是:电烙铁粘一点松香,再触碰需要补齐的电路上,再将焊锡丝触碰电烙铁,融化的焊锡就会自己跑到电路上了。

松香的作用是增加焊锡的流动性,降低表面张力。说人话就是,使焊锡容易粘到导线上,而不是其他不导电地方。就像厨师用柠檬汁涂在苹果片上,防止苹果氧化变色一样,松香也会被用来防止金属氧化。

随后,我们给整块板子接上电源,检查电路是否工作正确。经过测试,我们的电路板就此问世!

假如没有回流焊机,不要伤心,我们可以在拿到 PCB 裸板之后,开始手动焊,将元件一个一个焊接上去,手焊的方法和上述相同,连开钢网都省了呢。

如果电路板上有芯片,我们就将芯片连接电脑,往芯片里烧程序。电路板接上电源和机器人,就可以让机器人运作起来啦。


万用板


如果我们需要做的电路比较简单,也可以不用 PCB,而是直接使用万用板——一种上面布满了间距 2.54mm 的小孔的板子。


万用板


使用直插式元件时,元件的引脚通过这些孔穿插进去。孔的一周有铜环,使用时,把焊锡熔在铜环上,电路就会被接通啦。


直插式元件(有长长的“引脚”来导电)


这种电路板只能手动焊接,方法和之前一样。


左手拿焊锡丝,右手拿电烙铁


焊好后的焊点要尽量长得像这款巧克力,焊锡不会过多而太累赘,也不会过少导致断路。


焊点


贴片机


本文讲的只是少批量的电路板制作,而工厂里大批量的生产,都是使用贴片机来代替手工贴元件的。贴片机就是一种可以把电子元件自动贴到 PCB 裸板上的神奇机器。

我们辛辛苦苦,一个一个地将元件摆放整齐,贴片机只需要几秒就能完成了!


贴片机工作


电路板作为躯壳,承载着机器的灵魂。它是软件行业的铺路石,已经深深地刻入我们的生活里,如果没有电路板,软件做得再好也跑不起来啦。


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