工程设计是为傻瓜准备的(我就是活生生的例子)

作者：Mohamed Ismail，Maxim Integrated技术服务部高级技术人员

我第一次从零开始设计和搭建自己的PCB可谓我电子生涯的一座里程碑，但事实上，也是一场巨大的灾难。

受我钟爱的《吉他英雄》游戏(用吉他形状的控制器演奏摇滚乐的游戏)的启发，我想设计一款自己的无弦吉他。在一次暑期实习中，我接触到了许多触摸传感器技术，它们究竟有多难？我采用了一个嵌入式C编程类，并且大概了解了Arduino平台。虽然我还不清楚I2C是什么，也不知道我最终选择的传感器应该用哪种接口，但我找到了一个电容式触摸传感器平台(一种特殊功能的电路板，用于插入到Arduino电路板)，以及一个用来掌握该传感器平台的在线代码库。

操作这一平台是件非常轻松的事——把电路板插入计算机，然后将电容式触摸平台连接到电路板，再利用未经修改的示例代码对微控制器进行编程。我甚至都不知道还有一份数据手册要读，就点击了注册按钮！原来工程设计就像我桌上那本书的名字——傻瓜入门。

设计我的第一个原型——傻人有傻福

在用几分钟看过我的概念验证之后，是时候来设计我自己的电路板了。我拿起吉他，测量了每个音品(吉他上分隔每个音符的空间)的长度和宽度，并估算与该音符相应的琴弦下方的面积。然后我下载了Eagle CAD工具，并利用免费的教学版本开始原理图和PCB的设计，为每根琴弦对应的演奏尺寸绘制金属焊盘。在没有任何信号完整性和串扰知识的情况下，我用细长、排布密集的走线将48个金属焊盘全部连接到了PCB远端的电容式传感器芯片群。所有的电源、接地和通信走线都是一样的细长且排列密集，我设法使这些线与我用作参考平台上的引脚相匹配。我曾经在某个在线论坛上看到说I2C设备可共享通信线路，于是我将四片传感器连接在了一起。有如神助般，我竟然想出了地址线与每个传感器分别通信的连接方法。到此为止，我的原理图与电容式传感器平台非常匹配，布线没有给出任何错误...我想我一定可以一次性完美搞定。


对《吉他英雄》游戏的热爱开启了无弦吉他的设计之旅。

在网上找到了一家提供PCB裸板的店家，且正在打折，于是我就下单定制了吉他传感电路板。虽然电路板没有阻焊层和丝印层，但谁又知道这些是什么玩意儿呢？然后，我又轻松地在SparkFun和Digi-Key订购了我所需的元件。

全部东西到齐后，我发现将所有元器件装配到电路板上确实相当地具有挑战性。我此前从未使用过表贴元件，从Digi-Key上订购的元件让我第一次尝到了苦头。好家伙，我真是不喜欢焊接那些0402规格的电容！直到后来我才发现电容实际上是有不同规格的！电容式传感器IC采用20引脚QFN封装，我觉得使用焊锡膏和热风枪还挺有意思的。在完全没有考虑温度限值和基本特性的情况下，我用热风肆虐了这些芯片，直到焊料熔化并看起来排列整齐。一位朋友曾说，走线上焊料的表面张力会使其自动调整，看着芯片不知不觉地滑动到位真是酷毙了。当所有元件冷却之后，我开始检查我的工作。我的天呐，到处都是焊料！我用吸锡线清除了我能看到的所有多余焊料，最终又看到了引脚之间的间隔。把所有元器件装配到电路板后，我就准备进行测试了。接下来就是“见证奇迹”的时刻了！

我的设计为什么不工作？

我的定制电路板完美地匹配Arduino平台，于是我全部上电了。而我得到的结果相当震惊：毫无动静！这就奇怪了，我完全复制的原理图，将全部元器件都安装在电路板上，并且使用的也是已知能够运行的代码(我没有写代码)。我把设计拿给机器人俱乐部的朋友看，他说我没有安装任何旁路电容。旁路电容是个什么鬼？真是纯属运气好，我恰巧在IC附近布置了一些多余的接地端。由于我使用的是没有阻焊层的PCB裸板，GND焊盘是暴露在外，所以可以在传感器IC附近安装一些电容。经过焊接之后，我又尝试了运行电路板，结果让我更为吃惊：工作了！我开始按下所有不同的触摸按键，并且可以计入按钮的按动。

我的定制电路板完美地匹配Arduino平台，于是我全部上电了。而我得到的结果相当震惊：毫无动静！这就奇怪了，我完全复制的原理图，将全部元器件都安装在电路板上，并且使用的也是已知能够运行的代码(我没有写代码)。我把设计拿给机器人俱乐部的朋友看，他说我没有安装任何旁路电容。旁路电容是个什么鬼？也是算我运气好，我恰巧在IC附近布置了一些多余的接地端。由于我使用的是没有阻焊层的PCB裸板，GND焊盘是暴露在外，所以可以在传感器IC附近安装一些电容。经过焊接之后，我又尝试了运行电路板，结果让我更为吃惊：工作了！我开始按下所有不同的触摸按键，并且可以计入按钮的按动。

经过六年并取得两个学位之后，掌握了我目前所知道的电子和模拟设计经验，回过头来看，几乎不敢相信当时所做的一切。我相信，如果现在能找到那块电路板再看看，其中的一些布局绝对让我后背发凉。也正是在我第一次经历电路板完全不能工作之后，我才真正学会打开数据手册、阅读了解寄存器映射、研究I2C通信、发现旁路电容的魔力，并找出使传感器芯片与我的应用相匹配的最优配置方法。