第 3.1 节

嵌入式组路线

作者

董佳辉

协作者

苏利昊

张长飞

韩文凯

发布于 2023/09/29更新于 2026/08/20

路线定位

嵌入式组同时承担嵌入式软件、底层实时控制和机器人电气硬件职责，不再划分“控制方向”和“电路方向”。成员应能够从接口需求出发，完成电路设计、MCU程序、执行器与传感器驱动、实时闭环、通信和安全保护，并与软件算法组完成整机联调。

开始本路线前，应先完成嵌入式组与软件算法组公共路线。

第一阶段：MCU开发基础

学习目标：

理解寄存器、内存、中断、时钟和外设的基本关系。
能创建、编译、烧录和调试STM32工程。
掌握GPIO、外部中断、定时器、PWM、输入捕获、ADC和DMA。
Arduino和ESP32可用于快速认识MCU，但STM32及其工程化开发是主线。

推荐教程：

STM32-FreeRTOS教程（基础可用）
STM32任务资料（基础可用）
Arm Keil MDK6教程（基础可用）
ESP32教程（在建）
STM32CubeIDE与VS Code环境搭建（在建）

第二阶段：外设与嵌入式通信

必须掌握GPIO、UART、DMA、CAN、SPI、I²C和RS485的基本原理、时序、HAL接口和故障排查。能够设计包含帧头、长度、类型、序号、数据、CRC和超时处理的数据协议。

职责边界：UART HAL、DMA、MCU协议解析、CRC、CAN收发和失联检测属于嵌入式组；Linux串口、Boost.Asio、ROS2驱动和上位机消息转换属于软件算法组。协议字段、单位、频率和错误处理由两组共同约定。

第三阶段：FreeRTOS与嵌入式架构

学习目标：

理解裸机循环与实时任务调度的区别。
掌握任务、队列、信号量、事件、互斥和软件定时器。
正确处理任务与中断之间的数据交换。
建立板级支持、驱动、服务、控制和应用任务的基本分层。
避免阻塞实时任务、优先级反转、栈溢出和竞态条件。

FreeRTOS已有内容位于STM32-FreeRTOS教程，当前状态为基础可用，工程架构和复杂故障案例仍需继续建设。

第四阶段：执行器、传感器与实时闭环

学习目标：

驱动直流电机、无刷电机、舵机等常用执行器。
读取编码器、IMU、限位开关和其他底层传感器。
理解采样周期、滤波、标定、单位和时间戳。
实现电机速度环、位置环、串级控制和必要的前馈。
处理输出限幅、积分饱和、堵转、传感器异常和通信中断。

软件算法组负责目标位姿、轨迹以及期望速度或位置；嵌入式组负责执行机构的实时闭环和可靠执行。上位机可以实现规划器或非实时运动控制策略，但不得替代底层安全保护。

推荐教程：

Matlab及自动控制原理（基础可用）
电机与编码器系统化教程（待建设，不创建空文件）
嵌入式IMU驱动与标定教程（待建设，不创建空文件）

第五阶段：原理图、PCB与电气系统

学习目标：

能根据功能、电压、电流、接口和安装条件完成器件选型。
能绘制和检查原理图，完成PCB布局布线、打板、焊接和测试。
理解电源树、接地、去耦、接口保护、线宽、回流路径和基本EMC问题。
与机械组共同确认尺寸、安装空间、线束、散热和维护方式。

推荐教程：

电路教程（基础可用）
硬件基础（在建）
嘉立创EDA入门（基础可用）
电路板排查问题（在建）

第六阶段：安全保护与整机联调

必须考虑急停、限位、看门狗、通信失联、过流、欠压、过温、堵转和传感器异常。故障发生时应进入明确的安全状态，并向上位机上报可诊断的故障码。

专项实践建议：

完成一块可实际使用的小型电路板的原理图、PCB、焊接和测试。
使用STM32和FreeRTOS驱动电机、编码器和IMU。
实现电机速度环与位置环，记录阶跃响应和异常保护结果。
与ROS2上位机完成通信、指令超时、反馈和失联保护联调。

嵌入式能力检查表

以下检查表由原控制路线中的MCU、FreeRTOS和控制内容迁移：

GPIO输出、输入、外部中断和基本寄存器概念。
STM32时钟、SysTick、NVIC和中断优先级。
定时器中断、PWM、输入捕获和编码器接口。
UART/USART轮询、中断和DMA收发。
CAN总线、电机报文、双板通信和总线故障处理。
ADC、DAC、SPI、I²C及必要时的软件模拟总线。
CubeMX或其他配置工具生成工程后的目录、初始化和用户代码管理。
FreeRTOS任务、阻塞、队列、信号量、互斥、事件和内存管理。
电机开环、速度环、位置环、串级控制、前馈与输出限制。
编码器里程、IMU数据、四元数与欧拉角、基础姿态解算和滤波。
直流有刷、无刷、步进、关节电机等执行器按项目需要学习。
原理图、器件选型、封装、PCB布局布线、打板、焊接和排障。
急停、限位、看门狗、失联、过流、欠压、过温和堵转保护。

原电路路线内容

以下内容由原电路入门路线完整迁移，用作嵌入式组硬件设计阶段的入门实践。与独立电路教程重复的部分暂时保留，待迁移核对完成后再进行小范围去重。

目标：会使用立创EDA设计一个可以用USB供电的小型电路板并完成打板、焊接和测试。

📚 学习必须与实干相结合。—— 泰戈尔

一、软件准备

1.立创eda（下载专业版）

https://lceda.cn/page/download?src=index

2.立创下单助手

https://www.jlc.com/portal/appDownloadsWithConfig.html?init=android

二、工作流程

第一步：清楚工作目的和对硬件的要求。

第二步：对原理图的元件进行选型。（包括使用什么型号的芯片，什么样的封装，电阻电容的值是多少）

第三步：画出原理图（Schematic）。

第四步：检查原理图。

第五步：PCB layout。

第六步：检查 PCB。

第七步：打板。

第八步：焊好电路板并且测试。

三、基础知识介绍

1.什么是原理图？

原理图，顾名思义就是表示电路板上各器件之间连接原理的图表。在方案开发等正向研究中，原理图的作用是非常重要的。

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2.什么叫PCB？

PCB（Printed Circuit Board），中文名称为印制电路板，又称印刷线路板，是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气相互连接的载体。由于它是采用电子印刷术制作的，故被称为“印刷”电路板。

3.什么是PCB Layout？

PCB layout，也就是PCB布线，即以电路原理图为根据，实现电路设计者所需要的功能。PCB Layout又称PCB版图设计、PCB走线、PCB布局、根据PCB原理图画PCB图，PCB Layout过程中需要考虑外部连接的布局、内部电子元件的优化布局、金属连线和通孔的优化布局、电磁保护、热耗散等各种因素。

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