印刷電路板，機器人靈魂的軀殼

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我們現在的生活物品，不論是電腦，手機，智能家居，還是簡單的檯燈，風扇，都需要複雜的電路去實現特定功能。光是想讓燈泡亮起來，就需要這樣連接電路。

如果是讓風扇、檯燈按指定要求運轉，或是讓掃地機器人撞到障礙物就自動繞開，我們就需要更複雜的電路來控制。而原始的複雜電路往往體積非常龐大。

為了讓我們能用上小巧的電器和電子產品，不要生活在龐大的電路中，人們發明了一個神奇的東西，它把巨大的電路都縮小，集合在一塊小板子上，它就是——印刷電路板。

印刷電路板相當於大型電路的迷你版，英文是 Printed Circuit Board，簡稱 PCB，它的出現，大大減少了電子元件之間的連線成本，同時由於 PCB 布線密度高，體積小，重量輕等優點，現代的電子設備也越來越小型化了。比如以前的大哥大，慢慢演變成現在手裡的手機。

這種隨處可見的 PCB 看起來密密麻麻，非常複雜，實際上由什麼組成呢？

本文為 PCB 硬體製作入門，軟體部分稍有提及，但不做深入講解。

PCB 的組成

PCB 有不同的顏色和樣式，但它們的組成都是一樣的，我們以下面這種最常見的「黃綠配」為例子。

黃色部分是會導電的銅，相當於電路中的導線；綠色部分是不會導電的阻焊層，相當於一張桌面。銅的表面會噴一層錫，壕一點的會鍍金，作用是防止氧化。

那大型電路中的燈泡、變阻器之類的元器件呢？它們縮小後，就變成了電子元件，比如二極體、電位器、晶元、感測器......等等。元件和銅連接在一起，就構成了一個電路。上圖 PCB 上黑色的小東西就是電子元件。

在 RoboMaster 機甲大師賽中，機器人需要做出很多複雜的控制，比如發射彈丸、轉頭、識別等等，因此它們身上也有很多搭載著複雜電路的 PCB。

拓展知識：晶元

如果要實現複雜和高級的控制，邏輯是比較複雜的，光靠設計電路的連接方式很難實現。小R 舉一個讓人心痛的栗子，這是一道初中物理題：

設有 3 只燈甲、乙、丙，分別用 3 個開關 A、B、C 來控制。要求只能有一顆燈亮。如打開A，甲燈亮。打開B，甲燈就會熄滅，乙燈亮。問如何連線。

小R 覺得，大概是這麼連，嗯。

從上面的例子看出，簡單的燈泡控制就非常讓人頭疼，那機器人複雜的控制方式就更難設計出合理的電路了。所以，一般機器人中的 PCB 都會搭載晶元，它相當於 PCB 上的大腦，可以接收感測器的數據，快速做出運算處理，再輸出信息去指揮機器人做出相應的動作。

晶元的存在，讓電路變得更加簡易，原本硬體上的電路連接，轉換成了代碼嵌在晶元中，實現了同樣的功能。

如何製作一塊電路板

機甲大師賽中，根據不同控制需求，參賽隊員需要自行設計製作不同的電路板 ，今天就來介紹，如何製作一塊優質的電路板。歡迎進入「深夜實驗室」。

製作電路板的步驟大概為，在電腦上設計出電路的原理圖、將原理圖化身 PCB 上的線路、讓工廠做出實物 PCB、刷上導電的焊錫膏、放上電子元件、烘烤、手動將斷路的地方補齊。好，開始！

原理圖設計

首先，我們需要用 Aultium Designer 設計 PCB 的原理圖。原理圖展示的是電路控制的原理。比如初中物理課看到的這種。

但我們這裡畫的不是電燈泡，而是一些電子元件，比如發光二極體、電阻等，這需要我們計算和設計各部分的參數，再將電路設計出來。

原理圖設計詳情可以參考《電子學》第二版，作者 Paul Horowitz、Winfield Hill，電子工業出版社。

PCB 繪製

設計好後，我們要將原理圖搬到板子上。這需要經過嚴格的計算，例如電流走多寬的線、信號完整性、阻抗的控制、時延的控制等等，這是為了保證信號的完整性，以及系統的穩定性。

繪製的思路有幾個步驟。

1、選擇元件封裝：

繪製 PCB 之前，我們要選好電子元件的封裝，可以理解為，同一種作用的電子元件有很多種「長相」，比如下圖，光是晶元就有很多種樣子。

我們要結合經濟成本和整塊 PCB 的要求選擇適當的封裝。封裝太大會使電路板不夠小巧，太小又不好焊接，且容易燒壞。

2、安排元件擺放：

選擇好合適的封裝之後，我們開始安排電子元件在 PCB 上的位置。電子元件的擺放很大程度上決定了整塊 PCB 的穩定。因為元件擺放合理有助於我們後期布線，也可以減少不同屬性元件間的電磁干擾。

舉個栗子：圖上這塊板子有好幾個模塊，其中圈出來的是電源模塊和 stm32 最小系統。

電源模塊屬於模擬信號範疇，Stm32 最小系統屬於數字信號範疇，它們是不同的模塊，要分開放，否則就會產生信號干擾。就像香蕉和冬棗要分開放，不然味道會串到一起。

再舉個栗子：熱敏元件對溫度十分敏感，因此，發熱元件和熱敏元件要分開放。就像滋滋冒油的烤牛排和涼涼的雪糕不能在一起，否則就會影響雪糕的口感。

3、布置線路：

擺好元件後就可以開始布線了。布線就是將電子元件連通的過程。

論布線也是有很大學問，最基本的有，線路不能出現銳角，不能有浮空布線等，否則線路會產生電磁輻射；對於一些重要的信號，例如時鐘信號，盡量減小信號的迴路面積。

連線完成後，則需要用固體銅填充剩餘部分（上圖黑色部分），意義是給板子提供一個統一的基準平面，減少地線阻抗，提高抗干擾能力。

我們還可以利用，0Ω 電阻、磁珠、電感或者單點電源搭接將數字地與模擬地連接部分隔開，減少信號干擾。

PCB 繪製的要求非常多，繪製方式沒有最好，只有更好，更多詳情學習參考《PCB 設計大全》，作者:（美）米茨納，人民郵電出版社。

打板成型

PCB 繪製好後，我們將設計圖交給 PCB 製作廠商來製作 PCB 和鋼網。鋼網就是一塊鋼，上面有很多洞洞，那些洞洞就是元件擺放的位置，之後會輔助我們焊接。

給廠家打板之後，等待一段時間，充滿青青草原氣息的 PCB 裸板就會送達到我們手裡了。裸板就是沒有裝上電子元件的板子啦。

當然，PCB 打板也可以自己完成，但精度不高，在機甲大師賽中，我們對 PCB 的集成度和精確度要求很高，所以一般直接找相關廠家制板。

貼上元件

拿到裸板後，我們要將電子元件粘上去，這個用於粘貼的「膠水」就是焊錫膏，一種膏狀的焊錫，平時是軟軟的，加熱以後就會凝固變硬。它將電子元件和銅體粘到一起，使電路連接起來。

我們將 PCB 裸板對準鋼網的孔，就會神奇的發現，可愛的焊盤露出來了，其他部分都被鋼網遮擋住了。這時，我們對準鋼網上的洞洞，美滋滋地刷上一層焊錫膏，PCB 裸板的焊盤上就沾滿了焊錫膏。

取走鋼網，我們用鑷子夾取元件，輕輕放置在焊盤上，一定不要手抖，確保每一個貼片元件在自己的焊點上，如果不小心跑去了別人的地盤，電路就會錯亂了。

這時，電路板就像一個披薩，PCB 是披薩的餅底，焊錫膏是上面一層芝士，電子元件是火腿，靜靜地躺在焊錫膏上面。接下來，我們就要去烤披薩，不對，烤板子了！

烤板子

焊錫膏不會像膠水一樣自己凝固，需要經過迴流焊機烘烤，才會凝固變硬，將電子元件牢牢粘住。迴流焊機就是一個烤箱，至於能不能做麵包，我亂猜應該可以。

我們把貼好元件的 PCB 放入迴流焊機，設定溫度曲線，烘培十幾分鐘後取出，焊錫膏就變成了焊點。

仔細查看「新鮮出爐」的電路板，將板子上焊接不到位的地方（容易斷路的地方）手動補上焊錫。

手動焊的方法是：電烙鐵粘一點松香，再觸碰需要補齊的電路上，再將焊錫絲觸碰電烙鐵，融化的焊錫就會自己跑到電路上了。

松香的作用是增加焊錫的流動性，降低表面張力。說人話就是，使焊錫容易粘到導線上，而不是其他不導電地方。就像廚師用檸檬汁塗在蘋果片上，防止蘋果氧化變色一樣，松香也會被用來防止金屬氧化。

隨後，我們給整塊板子接上電源，檢查電路是否工作正確。經過測試，我們的電路板就此問世！

假如沒有迴流焊機，不要傷心，我們可以在拿到 PCB 裸板之後，開始手動焊，將元件一個一個焊接上去，手焊的方法和上述相同，連開鋼網都省了呢。

如果電路板上有晶元，我們就將晶元連接電腦，往晶元里燒程序。電路板接上電源和機器人，就可以讓機器人運作起來啦。

更多製作方式

萬用板

如果我們需要做的電路比較簡單，也可以不用 PCB，而是直接使用萬用板——一種上面布滿了間距 2.54mm 的小孔的板子。

使用直插式元件時，元件的引腳通過這些孔穿插進去。孔的一周有銅環，使用時，把焊錫熔在銅環上，電路就會被接通啦。

直插式元件（有長長的「引腳」來導電）

這種電路板只能手動焊接，方法和之前一樣。

焊好後的焊點要盡量長得像這款巧克力，焊錫不會過多而太累贅，也不會過少導致斷路。

貼片機

本文講的只是少批量的電路板製作，而工廠里大批量的生產，都是使用貼片機來代替手工貼元件的。貼片機就是一種可以把電子元件自動貼到 PCB 裸板上的神奇機器。

我們辛辛苦苦，一個一個地將元件擺放整齊，貼片機只需要幾秒就能完成了！

電路板作為軀殼，承載著機器的靈魂。它是軟體行業的鋪路石，已經深深地刻入我們的生活里，如果沒有電路板，軟體做得再好也跑不起來啦。

本期作者

華南理工大學 華南虎

RoboMaster 校機器人隊

生命不息、搞機不止的百人天團

本文來自 RoboMaster 技術智囊華工機器人實驗室，文章部分有修改。如果你也希望加入技術智囊團，請通過 robomaster@dji.com 聯繫我們。