電子設計與原型開發(fā)入門

孫德慶

創(chuàng)意工程師、藝術(shù)家，現(xiàn)居美國紐約。他是紐約大學互動媒體研究院教授，主講的研究生課程深受學生歡迎。他也是紐約Think Create設計與工程工作室聯(lián)合創(chuàng)始人，負責領(lǐng)導團隊進行科技創(chuàng)新與技術(shù)開發(fā)。他對各類電子交互技術(shù)有著廣泛研究，負責為電子產(chǎn)品、藝術(shù)裝置等項目提供技術(shù)解決方案并制造原型。他曾在肯尼迪家族設計公司、Parallel Development等設計及工程公司任創(chuàng)意工程師，作品被安裝在北京、上海、紐約、洛杉磯、西雅圖、波士頓、哈利法克斯、迪拜等城市。他的作品曾獲得德國紅點獎、紐約設計獎等國際獎項，并被新華社、《中國日報》《紐約時報》《連線》雜志、?？怂剐侣勵l道等全球知名媒體報道。

1 原型制作基礎(chǔ) 001

1．1　如何良好焊接　001

1．2　如何用面包板高效布線　004

1．3　什么樣的電線連接是可靠的　006

1．4　動手做！搭個電子繞環(huán)游戲 (Wire Loop Game)　006

1．5　總結(jié)及引申　007

2　LED 基礎(chǔ)知識　008

2．1　LED 基本原理　008

2．2　LED 有黃金—LED 的結(jié)構(gòu)　008

2．3　正極、負極勿接反—使用LED　009

2．4　如何計算LED 所需限流電阻的值　010

2．5　不同顏色的LED　011

2．6　LED 調(diào)光基礎(chǔ)——PMW　012

2．7　LED 調(diào)光進階——如何顯得自然流暢　012

2．8　其他幾種帶有LED 字眼的技術(shù)　013

2．9　動手做！制作一個2×2×2 LED立體陣列　014

2．10　詳細步驟　015

2．11　總結(jié)及引申　017

3　LED 應用進階　018

3．1　Arduino驅(qū)動LED 的基本原理　018

3．2　使用Arduino控制多個LED　020

3．3　掃描LED　022

3．4　將功能塊拆分成函數(shù)　024

3．5　讓LED 三維陣列顯示動畫　025

3．6　驅(qū)動更大的LED 矩陣　027

3．7　智能LED　028

3．8　總結(jié)及引申　029

4　PCB 原理圖設計　030

4．1　我們?yōu)槭裁葱枰狿CB　030

4．2　自制PCB？訂購PCB？　031

4．3　PCB術(shù)語　032

4．4　PCB設計軟件　037

4．5　原理圖的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)　037

4．6　動手做！PCB設計軟件設計練習　039

4．7　總結(jié)及引申　044

5　PCB設計　046

5．1　PCB設計的流程　046

5．2　如何閱讀數(shù)據(jù)手冊？　047

5．3　人工檢查PCB設計的問題　049

5．4　設置線路圖規(guī)則　050

5．5　更改網(wǎng)格大小　051

5．6　顯示和隱藏不同的層　052

5．7　改變PCB的大小　053

5．8　拖動元器件　054

5．9　去除多余的絲印　055

5．10　開始布線　056

5．11　導出Gerber　059

5．12　導出BOM　060

5．13　總結(jié)及引申　060

6　PCB焊接組裝　062

6．1　焊接的安全問題　062

6．2　修復電路板　062

6．3　焊接貼片元器件　064

6．4　焊接Arduino M0　066

6．5　燒寫B(tài)ootloader　071

6．6　焊接排針　073

6．7　總結(jié)及引申　073

7　調(diào)試Arduino　074

7．1　調(diào)試思維模式（The Debugging Mind-Set）　074

7．2　調(diào)試Arduino代碼的4 種方式　075

7．3　用邏輯分析儀調(diào)試代碼　077

7．4　擴展：調(diào)試Arduino Uno　086

7．5　總結(jié)及引申　088

8　實現(xiàn)多任務處理　089

8．1　最基本的LED 閃爍程序　089

8．2　停止使用delay()　090

8．3　狀態(tài)機　092

8．4　以兩個不同頻率閃爍LED　093

8．5　將功能塊封裝成類（class）　094

8．6　睡眠（sleep）　096

8．7　中斷（interrupt）　098

8．8　總結(jié)及引申　099

9　電機的種類和操作　100

9．1　直流有刷電機　100

9．2　舵機　104

9．3　步進電機　105

9．4　步進電機的連接　108

9．5　直流電機、舵機和步進電機的比較　111

9．6　總結(jié)及引申　111

10　電源與通信協(xié)議　112

10．1　常見的電源和電源參數(shù)　112

10．2　不同種類的電源和應用場景　114

10．3　電線的分類和選用　118

10．4　電池　119

10．5　在Arduino上應用通信協(xié)議　121

10．6　總結(jié)及引申　124

11　總線　125

11．1　USB　127

11．2　I2C　128

11．3　SPI　131

11．4　1-Wire　132

11．5　RS-485　133

11．6　小練習：在兩塊Arduino上實現(xiàn)I2C 通信　134

12　信號處理　135

12．1　平滑濾波算法　137

12．2　滯回比較算法　138

12．3　峰值檢測算法　140

12．4　包絡線檢測算法　142

12．5　總結(jié)及引申　143

13　Arduino USB 通信　144

13．1　Arduino上幾種不同的USB接口　144

13．2　Arduino USB串口通信　146

13．3　Arduino USB鍵盤通信　148

13．4　Arduino WebUSB通信　149

13．5　總結(jié)及引申　152

14　藍牙低功耗　153

14．1　什么是藍牙低功耗　153

14．2　藍牙低功耗的角色概念　154

14．3　在iOS里制造一個藍牙外圍設備　159

14．4　用WebBluetooth制造一個藍牙中央設備　161

14．5　連接到實體設備　163

14．6　結(jié)語　164

本書源自作者在紐約大學主講的熱門課程“電子設備原型設計與實踐”。該課程主要面向有基本電子學和編程知識的工程、藝術(shù)、設計專業(yè)的學生，傳授電子產(chǎn)品原型設計、項目開發(fā)方法。該課程沒有把重點放在研究電路的工作原理上，而是把重點放在實踐上，傳授如何應用電子技術(shù)來解決問題、實現(xiàn)創(chuàng)意。

本書通過14章內(nèi)容，結(jié)合大量有趣的實踐練習，向讀者介紹電子原型制作的知識和技巧。第1～3章介紹了原型制作的基礎(chǔ)知識和關(guān)于LED的入門和進階知識；第4～6章介紹了如何從零開始自己設計一塊Arduino開發(fā)板，并將它從零件開始一步步打造成有完整功能的開發(fā)平臺；第7～8章介紹了Arduino的程序調(diào)試以及多任務處理；第9～14章為電機、電源、通信、信號處理、藍牙等進階內(nèi)容。

無論是隨手翻閱，還是動手做練習，你都能了解產(chǎn)品原型設計及制作的整個過程，同時熟悉交互設計與快速迭代的方法。無論你是創(chuàng)客、藝術(shù)家、設計師、學生，還是相關(guān)從業(yè)人員，你都可以從本書中有所收獲。