这是一个创建于 324 天前的主题，其中的信息可能已经有所发展或是发生改变。
2023 年，作为软件开发出身的我，做了两款智能硬件产品，注册了两个专利，「硬」气了一把。
你是否也喜欢鼓捣些硬件，是否对电路板是如何做出来的感到好奇？欢迎跟我一起，揭开硬件开发的神秘面纱，看看硬件工程师如何零基础入门。
硬件开发的基本流程
首先声明，这里所说的硬件，更偏向于 ARM 单片机及嵌入式开发。我不是硬件工程师出身，属于边学边干；可正是如此，我的视角可能更贴近真实、更容易帮你上手。如果哪个环节有更好的做法，欢迎行业内的朋友指正。
0 、明确需求
硬件领域很大，又很繁杂，从何说起呢？这是个问题。
首先，还是从需求出发。明确产品要实现哪些功能、有哪些约束条件，有了这些硬性标准，问题的边界就被大大缩小了。
这里，以它适智能跑轮为例，从头到尾，走一遍硬件研发的历程。先说一点，产品的研发不是一条直线，而是不断迭代、甚至重头再来的过程。为了描述方便，这里假设一切是一帆风顺的，只按最终的方案来描述。不过，考虑到商业性，一些地方不会说太细。
1 、芯片选型
它适智能跑轮，核心的需求，是记录数据，然后通过蓝牙传递出来；主要的约束，是低功耗、长待机。那么这颗芯片：
- 性能不能太差，要能支撑起蓝牙连接和数据传输；
- 性能也不用太强，不然会增加功耗；
- 最好能以不同的功耗工作；不工作时休眠，并且可以被蓝牙连接唤醒；
- 要能存储足够多的数据。当然，也可以用外围存储芯片，但那样既会增加成本，也会增加 PCB 的面积和复杂性，所以最好能集成进来。
然后，就是其他核心元件，包括蓝牙芯片、霍尔传感器等。
之后，就是确定产品的交互方式，比如显示、按键、声音等。
再之后，就是确定电源方案。电源对于整个电路设计，是非常重要的。事实上，对最终的电路来说，有一小半的元件，都是电源相关的。具体到这个产品，要支持锂电池供电、Type C 充电、LDO 降压稳压、测量锂电池电压等等。
到这里，主要的芯片及方案就基本确定了。接下来，就是搭建具体的电路、设计 PCB 。
2 、设计电路图
这时，就要面临 EDA 的选择。所谓 EDA ，类似于软件开发中的 IDE ，就是电路设计所需要用到的软件。这里我选择的是 立创 EDA，它是国产的、免费的，简单易用。这对于个人或小团队开发来说，非常重要。商业 EDA 是非常昂贵的；当然，我知道有所谓特别版。但作为软件开发出身的我，对正版、免费有天然的亲切感。
确定好工具后，可以开始设计电路图了。
设计电路图，主要靠两样：电路基础知识、芯片数据手册。基础知识自不必说，比如电阻、电容、三极管、MOS 管等基础元件的使用。对于复杂的芯片，主要是参考其数据手册的典型电路，针对自己具体的场景进行调整。
这一步还挺好玩的，把一堆元件摆出来，然后用线连啊连，像正极连正极、负极连接地，连着连着就好了。当然，步骤是这么个步骤，实际不会这么容易。
一般的电路图，大概长这样：
3 、设计 PCB
电路图设计好之后，就是设计 PCB ，也就是印刷电路板。这一步同样考验功力，也更加耗时。事实上，不考虑芯片选型的话，PCB 布板所花费的时间，比电路图长很多。
这一步，说简单也简单。就是确定后电路板的外尺寸后，把所有元件排排好；并参照电路图，把各元件通过走线连接起来。
最直接的难点是布线。不考虑多层板的话，电路板相当于一个平面，而平面上的线是不能交叉的。这使得必须很恰当地摆放元件，才能避免交叉。有时，还得反向修改电路图。当然，多层板可以改善这一点，但成本高，且设计难度加大。如非必要，常见的还是用双层板，也就是有正反两个面可以走线。
当然，PCB 板还有很多其他难点和要注意的地方，比如要适配外尺寸及开孔、天线及电磁屏蔽、散热、避免回路、差分信号线等等，这里就不展开了。
一般的 PCB 板，大概长这样：
4 、打板
电路板设计好之后，就可以 制作 PCB，俗称打板。这里依然推荐嘉立创，每月有两次免费打板的机会，付费也只是 20 元起；而且很快，最快隔天就可以收到。
打板之后，就要焊接元件。这里又面临一个选择，要么是让嘉立创这样的工厂替你完成 SMT 贴片，要么自己焊接。二者的优缺点很明显：自己焊，省钱、灵活、不用等，但花时间，且一些很小、引脚很多的元件，不好焊；第三方 SMT 则刚好相反。
一般来讲，前期、以及简单的电路板，可以自己焊；后期还是倾向于 SMT 服务。
焊接好元件后，就类似这样：
5 、刷固件
电路板制作好后，就要刷固件。当然，有些简单的电路，是不需要刷固件的。刷固件，就相当于给硬件装个操作系统。这里暂时略去固件的开发。
具体的，电路板上留刷机接口，配合专用的刷机工具、上位机，就可以将固件写入芯片的 Flash 存储。
6 、电路测试
刷好固件后，就要开始测试。简单的，就是先测试下正负极电阻，看有没有短路。没问题可以上电，看电路有没有按预期工作。如果有预留测试点，就测量测试点的电压等。也可以借助示波器等工具进行测量。
如果遇到问题，不要慌，这太正常了。一般来讲，就是先缩小问题的范围。可以用拆焊等方式，去掉不必要电路的影响，只看出问题的那部分，方便排查。
对于固件的测试，可以像黑盒一样观察硬件是否按预期工作，也可以像白盒一样进行调试。只是硬件的调试，远没有软件随便加断点那么轻松。
定位问题，找出解决方案，就可以进行下一次制板。当然，也可以根据实际使用中的不便或问题，对电路进行改进。
7 、制作原型
经过几轮迭代，电路板基本稳定，可以组装成原型机，开始使用场景的测试。
这时，通常要制作产品的外壳。最好自己有一定建模能力，这样可以设计产品的外壳、3D 打印，方便很多。
如果只是简单的外壳，可以用嘉立创的工具，可以比较简单地生成 3D 模型。如果有团队，可以和同事一起配合进行设计。如果已经有外观设计，就可以进行结构设计。比如，如何固定电路板、如何暴露交互接口等。
8 、量产电路板
假设经过一段时间测试，原型通过了，产品也到了规模化生产阶段，就要开始批量生产电路板了。
通常，不是重新上传设计文件下单，而是返单上一次被验证过的电路板。这样更可靠，避免手抖出错，导致批量生产的电路板报废。
电路板批量生产完后，还面临一个繁琐的流程：刷固件。之所以说繁琐，主要还是量。
试想一下，如果刷一个电路板需要 1 分钟，听起来不多吧？可要刷 1000 片呢，那就是 16 小时。不吃不喝，从早上 6 点，刷到晚上 10 点，吓人不。当然，实际没这么慢，但基本是这个数量级，快不了太多。
9 、生产、包装、发货
然后，就可以交付给工厂，进行包装生产了。继而转发至仓库，用户在电商平台下单后，就可以快递出去了。
等用户收到后开始使用，这时能做的，就是 双手合十，祈祷不要出问题。因为一旦出问题，大概率不像软件一样，升级个版本就能解决，很可能要召回。
说到这里，就要提一个话题：OTA ，就是用户可以远程升级固件，来解决问题、或增加功能。这个其实很重要，尤其是在前期、尚未经过大规模用户实测时。OTA 可以在不召回的情况下，解决一部分问题，减少损失。
10 、十全十美
如果一切顺利，用户用起来很开心，满足了实际需求，带来正面评价时，就是 产品人最开心的时刻。
至此，就是硬件产品的基本流程。
硬件开发的一些故事
上面只是走马观花地介绍硬件的基本流程，挂一漏万。下面补充一些细节，解释下为什么 硬件工程师通常发量不多。
如何上手硬件开发
玩芯片的第一步，都是点亮一颗灯；这个操作，相当于软件领域中打印出 Hello World。当然，做得多了，总有「点亮」芯片 的时候，哈哈。
最好边学边练，做些小东西练手。
- 比如，我第一个做给自己用的硬件工具，是 IoT Power 电源转接头。
- 比如，制作批量刷机工具，提高生产效率。
- 比如，制作小的 PCB ，记录电池放电过程。
总之，制作自己用得上的小工具，是不错的开始。
从软件和生态上来讲，可以从 Arduino 入手。相对复杂的，就是树莓派以及各种衍生派。
再说芯片选型
芯片选型非常重要，最考虑经验、能力。而且一旦定了，之后基本不太可能会改；如果改，意味着要兼容两套方案、非常恰当地处理芯片及产品库存，总之很麻烦。
芯片的生态很重要。如果一家公司的芯片被广泛使用，通常意味着它更成熟，隐藏的问题更少。如果选一家小厂的芯片，可能看起来更便宜，但配套的开发软件不好用，市场上不容易找到使用该芯片的开源方案，等等。更关键的，可能有隐藏的问题。而这个问题，一旦量产后才发现，将是非常痛苦的：召回的话，血亏；不召回的话，会有持续不断的用户问题。像 STM32 、兆易创新 GD32 这些系列，都是比较成熟的选择。
还有一个问题，就是 开发效率与运行效率的平衡。对于电脑或手机上的软件开发，通常不需要担心性能问题，CPU 、内存、电量管够。而单片机开发，则没这么幸运了。通常，嵌入式使用 C 语言开发。可惜，实在不想这把年纪了，再去啃 C 语言。
最后选择了 合宙 Air101 这颗主芯片。很大的原因，是它支持 LuatOS 开发。简单地说，就是在芯片上运行了一个 Lua 虚拟机，或者说运行环境。接下来，使用 Lua 这门脚本语言，就可以调用库函数，快速完成生产代码的开发。关键的，它还支持 OTA 升级。主流嵌入式操作系统 RTOS ，包括μClinux 、FreeRTOS 等。
有时感觉，硬件产品不是做出来的，是攒出来的；从巨大的元件库中选型，各种排列组合，最后出产品。
配件采购
芯片的采购也比较关键。尤其到后期，产品已经上市，准备批量返单时，如果发现一个关键的元件缺货了、涨价了，就很头痛。如果换芯片，又要有比较长周期的测试。
延伸来说，在硬件众多配件中，哪怕缺少一个螺丝，也会决定最终产品能否量产。过多屯货，又会压资金；之后如果换方案，很可能屯的芯片就无用了。因此，供应链管理很关键。比如，对于汽车这种有 N 多配件的产品来说，供应链管理的难度极大。
说说焊接
做硬件，手工焊接是基本功。虽然嘉立创这类平台，打样已经比较便宜了。但在开发阶段，频繁测试，花费还是不小。更关键，来来回回比较花时间、影响效率。很多时候，还是得撸起袖子自己焊。
焊接中，植锡、放元件，是很枯燥的。风枪一吹，爬锡过程很解压。小元件、多引脚的连锡，是最头痛的。
当然，还有 焊台最佳伴侣：烫伤膏，别问我是怎么知道的…
硬件佬工具多
硬件佬有很多配件、工具，比如各种型号的电容电阻等元件，万用表、示波器、功率计、焊台等。
电压电流这些，肉眼是看不见的，需要工具来测量。
- 比如，同样是 5V 的电源，有的纹波大、有的小；
- 比如，标称是 12V 2A 的电源，真到了 2A 的大负载，是不是会掉电压；
- 比如，测量上电时序。
原型到产品
对于一款硬件产品，电路板只是其中一个环节，作为一款完整的产品，要考虑的东西还有很多。比如，包装、说明书、宣传文案配图视频、生产备货、等等。
产品原型做出来，离规模化上市，还差很远。什么东西一上量，性质就变了。
工厂生产，有很多不可控的因素，有很多妥协。事实上，初期设计 100 分的产品，最终批量上市时，能妥协到 70 分以上，已经很不错了。
第一次批量生产固件，还是很慌的。可能电路设计有问题，也可能生产过程中有缺陷，担心投入的真金白银，变成无用的电子垃圾。
做了硬件，真的相信，第一代产品通常是有问题的。硬件比较复杂，使用环境和方式多种多样；很多问题，只有在用户使用过程中才能发现。而发现了问题，很多时候无法通过固件升级来解决，只能寄希望下一代硬件改进。
当然，如果大家都不支持第一代产品，也就不会有第二代。这世界总需要有人第一个吃螃蟹，也时常奖励吃螃蟹的人，看大家怎么选择了。
硬件抄袭
抄袭哪都有，硬件也一样，术语叫 抄板。怎么应对呢？很难。
打磨丝印，算是比较基础的操作。更有效的，是开发有固件的硬件，也就是硬件里是有代码、有固件的，这种就不好直接抄。
物理开关
硬件很难避免物理开关。本来想，硬件做得优雅，就不需要物理开关。现在看，意外情况总是有，还是要考虑售后的问题。认怂，给智能模块加个物理 Reset 开关。其实，很多硬件设备上都有此类开关，比如路由器就比较常见。
数字量与模拟量
软件与硬件的视角不同。
在软件人眼里，0 就是 0 ，1 就是 1 ，这不是再清楚明白不过的（当然，这里考虑的是整形数、不是浮点数）。进而，这也是一般人的理解。
在硬件人眼里，还真不是。像浮点数，1 可能是 0.998 ，也可能是 1.02 ，也可能是 > 0.5 。或者说，所有的值都有波动、有误差、有范围的。
嵌入式硬件的局促
比如，在存储空间很小的芯片中写代码，会遇到这样的问题：需要考虑 2100 年后的事吗？
如果需要，则需要存储完整的年份，比如 2023 ；如果不需要，则可以省点存储，比如只存 23 。
说说蓝牙通讯
BLE 蓝牙传输比较慢。实测有一次通过蓝牙传输 552KB 的文件，用时 7 分钟(436s)。并且，蓝牙不稳定、传输的可靠性不高；传输过程中，很容易出现丢数据、传错的情况。
硬件中诡异的问题
由于看不见摸不着，而电路又以光速运行，很容易产生诡异的问题。
- 比如，有一次电路接线完全正确，死活不干活。最后通过万用表测量才发现，其中一根面包线是坏的、不通电的，我去。
- 比如，钰泰 ETA6093 ，连接电池，什么也不做，就会有很多尖峰电流，分钟平均有 120uA ，使得待机时间明显缩短。后来，问了原厂的技术支持，才知道本来就是这样的。如果要低功耗，只能选择其他型号。倒，之前屯的芯片都用不上，又要开始选芯片了。
- 比如，测量电路中，如果负载有大电流、大负载，会产生比较大的压差，会明显影响测量结果。有时，电源线的长短，都会明显影响测量结果。
这些问题，很多是自己经验不足（当然，没有谁天生经验就足，都一个一个坑踩过来的），有的是芯片本身有问题，有的数据手册压根没介绍，等等。
LED 不为人知的细节
不同颜色 LED 的功耗差异非常大。单从电流上看，R/G/B 三者的电流大概是：1.5mA/1mA/0.8mA 。但事实上，在此电流下，三者亮度大概是 G >>> B > R 。相同亮度下，绿色 LED 是最省电的。
多一个能力，就多了一扇窗
和已有能力组合，可以增加很多可能性。
- 比如，家里燃气热水器坏了，我可以更换其中的风压开关；
- 比如，电动车没有电子报警，我可以装一个；
- 比如，鼠标的按键太吵，可以换个静音开关；
- 比如，做一款智能音箱，连接 ChatGPT 回答问题。
兴趣归兴趣、炫技归炫技，作为一个产品，满足真实需求，才是最重要的。
欢迎入坑硬件开发
和纯软件开发相比，硬件有不一样的乐趣。入门并没那么难，值得你来尝试，欢迎入坑。
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helloeather 324 天前
不错，学习了！
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huoxing9888888 324 天前
@quietjosen 学习能力真强，全职搞吗？
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quietjosen OP @huoxing9888888 工作的一部分。
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quietjosen OP @xieren58 是，硬件确实利润低，除非上规模，或者小众的定制化，但那上限太低。
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zhaodong 324 天前
厉害，虽然看不懂，但还是认真看完了。
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SmallPlus 324 天前
本科自动化，焊板子是基本功，毕业转码了。当时考虑硬件工程师没软件发展好
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darkengine 324 天前
入门从打板开始太难了, 搞个 Adrino 或者树莓派, 从折腾各种外设/传感器/显示屏开始
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quietjosen OP @SmallPlus 其实，三十年河东，三十年河西。现在软件开发裁员挺多。
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quietjosen OP @darkengine 恩，从开发板点灯开始，比较合适。
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yongzhenchen682 324 天前
想起当初 89c51 手撕面包板 画 pcb 仿真 的时代，一眨眼 10 几年过去了。
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quietjosen OP @yongzhenchen682 51 啊，那确实有年代感了。
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silentsky 324 天前 via Android
学习了 有点用
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mrfox 324 天前
再提个问题，比如拆解一个成品，有没有可能将芯片中的固件提取出来（有个旧阅读器应该电池死了，想把它的屏幕单独拿出来用（原系统是 linux 系）
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hytirrb 324 天前
哥你开始是咋入门的，感觉硬件调试还挺麻烦的
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quietjosen OP |
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quietjosen OP |
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SantinoSong 324 天前
感谢楼主，收获颇多。我有点想入手这个方向，做一些小物件。可否请教一下？
我自己想做一个小的电动模型，大小大概是一本书那么大，模型上面有两个组件，一个彩色的灯（比如紫色），我希望可以控制它间歇亮起；一个转盘，可以节奏转动比如隔 3 秒转一圈，然后希望的效果是，转盘转一次，上面的灯就亮一次。对功耗没有什么太大要求，能够用电池或者可以充电最好。 我是硬件小白，我该怎么入手比较好呢？ |
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rouwann 324 天前
电子专业表示大学课程都学过
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quietjosen OP |
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SantinoSong 324 天前
@quietjosen #120 我希望整个流程是自动的，所以肯定希望是电机，就是希望转盘隔几秒转 360°，然后旁边的灯同时闪一下。我是完全不懂，这个东西用你上面提的 Arduino 开发板可以实现吗？
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quietjosen OP @SantinoSong Arduino 可以，用步进电机驱动。
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hawei 324 天前 via iPhone
太强了…我打算入坑了
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leirenbb 324 天前
赞 从硬件转到软件的路过。。。
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Mde 324 天前 via Android
以兴趣的目的入坑了硬件开发，硬件开发还是挺有意思的，为自己的想法提供一个实物载体，不过目前水平也就画画两层板而已😂
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firemeteor 324 天前
手抖的人真的玩不转烙铁，一直只敢小打小闹，不敢正经入坑。曾经修一个 micro usb 座子焊到我要崩溃...
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GeruzoniAnsasu 323 天前
@sankooc 这种东西做起来倒是不难，不过淘宝搜了一圈还真没卖的。 假如做一个这样的产品，你觉得自己肯出多少钱来买？
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no13bus 323 天前
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quietjosen OP @hawei 哈哈，欢迎入坑😀
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quietjosen OP @Mde 两层板可以了呀，能干很多事情了。我也是两层板水平，哈哈 [Shake]
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quietjosen OP @firemeteor Type C 母座，开发我也焊不好；后来用焊䯧，就好多了。
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quietjosen OP @no13bus 这个网站介绍得挺详细的，可以跟着看看。难不难这各问题，答案是相对的。
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mrfox 323 天前
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Geo200 323 天前
写的很好，想离线保存这个文章，有什么好办法吗
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quietjosen OP @Geo200 不敢当。文章没了，直接找我也行 😂
或者，可以在微信公众号里查看、收藏、保存到腾讯文档等、导出 PDF ，总之方法挺多。 https://mp.weixin.qq.com/s/FFtgswdjZ1zuHerD7K-4-w |
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LamKingTak 323 天前
顶一个！
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morgan1freeman 323 天前  1
@mrfox #45 esp32 上网找一下 usb 或者 蓝牙 模拟键盘的代码，然后把几个 io 跟按键 面包板连接起来，触发 IO 中断的时候 让 mcu 的蓝牙 发消息给电脑就行
这里有一个 chatgpt 的例子  |
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wraithcorps11 323 天前
点赞
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morgan1freeman 323 天前
https://github.com/fqdeng/esp32-pc-remote-switch-button
这里分享一下我的远程 button 因为黑苹果没法远程唤醒 所以 usb 连着电源搞了一个 远程按钮 其实这么多年来，c51 stm32 esp32 都玩过，说到底嵌入式入门成本高，还是工具链跟软件抽象的问题 mcu 跟外围通信一直没有好的封装，一堆的 CAN I2C 没法像软件一样封装好给上层应用，几乎每一个 mcu ，一个公司都是各自为战，没有好的 sdk 跟封装，很多东西一摸索，啥资料都没有，早一点 c51 的 datasheet 都是乱写的，全靠老师傅自己摸索，在 08 年那个年代，很多 c51 的资料 几乎都是没有的，老师傅都是一个一个祖传的 c 文件 手把手相传 不像 pc 软件 从链路层 ip 层 tcp upd 应用层 到 nginx 写一个 php 应用 每一层都有良好的封装跟抽象。 去年玩了一会 esp32 ， 算我看到的示例 跟工具链 比较多的一款 mcu ，资料文档都挺详细的，除了这款 mcu 本身有一些性能问题，例如高精度的 AD/DC 采样不行，这个是硬件本身的因素，但是拿来做点玩具 没有什么高精要求，什么的还是比较合适的。 |
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fantastM 323 天前
大赞，读完之后收获很多
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quietjosen OP @morgan1freeman 确实，软件抽象得比较好，每层都能干每层的事。如果对底层、性能什么的不关心，直接跑最上层的脚本，省心很多。好在，嵌入式也开始有类似 python/lua 这类脚本语言，入门简单多了。
也确实，关于接口、库这些本该通用的东西，也是各个芯片厂各自为战。好在，如果不同芯片厂用相同的 RTOS ，理论上有一定的可迁移性。 对于 AD/DC ，MCU 内置的就是一般可用的。专门的 AD/DC 芯片，可能比 MCU 本身还贵。 |
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morgan1freeman 323 天前
@quietjosen #142 是的，但是那些 python/lua ，目前做教学 diy 用还是可以的，实际上成品不太现实，批量出货，几百万套的硬件，rom 能省则省，不会给 python lua 留空间放解释器的，能有一套好用的 C/C++ SDK 就不错了，不过 esp32 这款 资料是做的真不错
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quietjosen OP @morgan1freeman 对，脚本语言，对于 DIY 挺好；既方便入门，性能什么的又不是问题。
工业领域，确实是按字节扣 RAM/ROM 的，C/C++ 才是最优解。 这两者都是需要的，才能支撑硬件在多方面都能很好地发展。没有 Hello World ，也就没有火箭科学。 |
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maxxfire 323 天前
你居然放弃了 C 语言去折腾硬件，勇气
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quietjosen OP @maxxfire 事实上，一个硬件用的是 Lua ，一个用的是 Arduino
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jwesthaverr 323 天前
高质量分享，收藏了，OPNB ！
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maxxfire 323 天前
@quietjosen 根据互联网思维，硬件是不赚钱的
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lingex 323 天前 via Android
对了，现在的 LED 技术发展可能有点出乎我们意料。我做的东西一般喜欢用大一些的限流电阻让亮度降低。比如 5V 电压时用 3k 限流电阻。还是我上面说的那个 DIY 的下载器，由于封装选错了，于是在垃圾板卡里找了一颗替代，发现它超级的亮，最后换成了 11k 限流电阻，它还是比普通 LED 亮很多…
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xieren58 323 天前
玩嵌入式入门, rust + stm32 最优解了... 开发快, 又现代化...
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quietjosen OP @lingex 5/11 = 0.45mA ，确实比典型的 LED 电流要小。
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quietjosen OP @xieren58 恩，但凡用脚本语言，开发效率都比 C 高很多。
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lingex 323 天前 via Android
@quietjosen LED 还有压降，实际应该比这还要小
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L5411 323 天前
刚在少数派上看到
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hanguofu 322 天前
软件工程师折腾硬件，能做到量产就很牛了~~~ 好奇问问： 楼主做的是智能音箱吗 ？哪里有卖的啊 ？
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quietjosen OP |
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xiaomageit 322 天前
@quietjosen 我现在需求每年近百 W 的芯片，现在用最多的是 NXP 的 PCF7926A 。我现在想怎么能降低这个成本，如果自己研发好或者 得到芯片的设计数据然后让工厂代工生产是不是可以降低一些。 不懂说的不对的地方还望见谅 。谢谢回复
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quietjosen OP @xiaomageit 你这比我玩得大多了，你这是专业人士问业余玩家啊 😂
以我不专业的了解，一些小的芯片品牌，基本都是公版方案稍微改改、加点内存 Flash ，然后工厂代工的。 但我相信，代工有代工的坑，且起订量肯定不低。 |
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uxff 320 天前
真专业。赞。
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