机器人电子基础：一份学习路线图
给机器人搭一套带载也能稳住的电源，把多个传感器挂到同一条 I²C 总线上，并写出一个能读取全部传感器、却从不阻塞的回路。
看起来像软件问题的机器人问题，大多不是。板子复位了，怪到代码头上；传感器返回一堆乱码，怪到库头上；机器人无视它的保险杠，怪到逻辑头上。每一次，故障都在更下面一层，在系统的那个部件里——没人给它写过教程，因为它看起来太基础了，好像不需要写。
这条路线讲的就是那一层。它涵盖电源——为什么电机一启动电池电压就会塌下去，以及该怎么办；I²C 总线——每个传感器都共用的那两根线到底在做什么；以及时序——为什么一个会停下来等待的回路，就是一个无法作出反应的机器人。
这些内容没有一样是难的。但本站的每一条其他路线都假定它们成立。
开始之前
你需要一个已经能烧录的单片机，以及愿意把万用表搭到电池两端的意愿。不需要控制理论，也不需要加法和一次除法之外的数学。如果你做过任何东西——哪怕是一个闪烁的 LED——你就准备好了。
你将会做到什么
- 在一分钟内区分复位和崩溃，并且在打开任何代码之前就知道自己面对的是哪一种。
- 把一台机器人的电流消耗加起来，用这个数字挑电池组，而不是照着套件里附带的那块来选。
- 解释为什么货架上电压最高的 9 V 块电池在带载时表现最差，并预测任何电池组会塌到什么程度。
- 把多个传感器接到同一条 I²C 总线上，用扫描器把它们找出来，并用三种不同的方法解决地址冲突。
- 写一个以三种不同速率读取传感器、驱动电机并报告状态、且全程不阻塞的回路——并且把回绕比较写对。
- 实测自己回路的最坏耗时，而不是假设它。
大家卡在哪里
**把“它没有复位”当成电源正常的证据。**Arduino 的欠压检测设在 2.7 V， 但一颗 16 MHz 的 ATmega328P 需要大约 3.8 V 才能工作在额定速度上。在 这个区间里芯片运行在规格之外，却没有任何机制会介入——机器人上最诡异的 故障就住在这个区间里：变量被破坏、舵机突然跳动、传感器返回看似合理的乱数。
**加一个电容就指望它能修好复位。**算术说的正相反：一个 1000 µF 的电容 被要求承担 2 A 持续 10 ms 的冲击，会掉 20 V。它能清理开关纹波和换向尖峰， 这值得做，但只有更硬的电池才能扛住冲击。
**在同一条总线上堆扩展板。**几乎每块板子出厂都自带上拉电阻，而它们是并联的。 三块板子已经处于临界，第四块会把总线拉到任何器件都无法灌入电流的低电平—— 于是三个传感器正常工作，第四个把它们全部搞死，却没有任何东西真的坏了。
**从数据手册上照抄 8 位地址。**MPU-6050 的数据手册写的是 0xD0；而 Arduino
的库要的是 0x68，同一组位右移一位。这是最常见的一个 I²C 错误，而它的
表现和一块坏掉的板子一模一样。
**写 now >= last + interval。**它读起来比相减的形式更自然，但它在
第 49.7 天的回绕处会失效，变成持续触发而不是等待。永远用相减。
**把回路被阻塞的锅甩给回路逻辑。**在 delay() 期间中断仍在运行，所以
编码器计数始终完全正确，而机器人却不再反应——这让症状看起来像是一个
决策 bug，而不是时序问题。
你需要什么
| 什么 | 这条路线为什么需要它 | 大致成本 |
|---|---|---|
| 一块能烧录的单片机 | 这里每一次测量都是在运行中的板子上取得的，而不是在纸上 | Arduino Uno，克隆版约 $8 |
| 一台万用表 | 这条路线唯一离不开的仪器——它提出的每一个判断都要你自己去验证 | 约 $15 |
| 一组带载电池 | 没挂任何负载测出来的电池组什么也说明不了；你需要一组正在驱动某个东西的电池 | 4×AA 电池座或 2S 锂电 |
| 两块 I²C 扩展板 | 一块板子永远让你看不到上拉问题。两块就开始看到了。 | MPU-6050 加任意一块，约 $5 |
| 一两个电机 | 让电源轨塌下去的负载——这条路线存在的理由就是要解释这个故障 | 任意直流减速电机 |
不需要示波器。这条路线上的每一次测量都是廉价万用表就能完成的直流测量。
为什么按这个顺序
这个顺序不是随意定的——每一个节点都消除掉一种下一个节点可能对你撒谎的方式。
**时序排在所有测量之前。**一个被阻塞的回路会让其他所有测量都变得可疑， 因为你再说不出一次读数是什么时候取的。一旦回路是非阻塞的，你才能相信 时间戳，也只有到那时一次测量才值得记录下来。
**电源排在模拟量之前。**Arduino 上的 analogRead 是比值式的——它把
输入报告为参考电压的一个分数，而默认参考恰好就是电机正在拖低的那条 5 V 轨。
在一条正在塌陷的轨上通过分压器测电池，读数会随着电池电压下降而上升。
在知道你的电源轨在做什么之前，诚实地读取一个电压是不可能的，所以电源节点必须排在前面。
**I²C 排在电源之后，但与模拟量无关。**这条总线是一个独立的子系统， 它以自己的方式失效——通过上拉电阻的算术和地址冲突，而不是通过电源塌陷。 它直接挂在板子节点上，这就是那棵树在那里分叉的原因。
**实验台排在最后。**传感器模拟器让你刻意地给一个干净信号加上噪声、偏置和丢包。 只有在你先看过自己的硬件意外地产生它们、并且知道每一种的成因之后，这才有教益。
检查点：如何判断一个阶段已经落地
下面每一项都是台架测试，不是小测验。如果你拿不出那个数字，这个阶段就还没完成。
| 阶段 | 检查内容 | 通过是什么样 |
|---|---|---|
| 非阻塞时序 | 打印你的回路在 10 秒内的最坏耗时 | 一个你实测出来的微秒数，而不是假设出来的——而且拔掉传感器时它不会变大 |
| 带载电池 | 先在电机关机时测电池组电压，再在堵转时测 | 你能说出电压塌陷了多少伏，再除以电流得到电池组的内阻 |
| 电源预算 | 先在纸上把每个器件的电流加起来，再测总量 | 纸面和万用表相差在 20% 以内；如果对不上，你就找到了一个电流大于其数据手册标称的器件 |
| 模拟输入 | 电机分别在关和开的状态下，通过你的分压器读同一块电池 | 电机启动时读数不变——如果变了，说明你的参考在动 |
| I²C 总线 | 每加一块板子就跑一次总线扫描 | 每个地址都出现，而且你能说出总线上拉电阻的总阻值 |
| 地址冲突 | 把 MPU-6050 的 AD0 引脚拉高 | 扫描器报的是 0x69 而不是 0x68——而且你能解释数据手册为什么写 0xD0 |
这条路线到哪里为止
这条路线刻意停在电子学不再对你撒谎的地方。它不涵盖电机驱动、 控制回路，或任何决定机器人该往哪走的东西——那些属于 电机控制和 PID 控制 路线，而这两条都假定了本路线的一切。
它同样在三件值得点名的事情之前停下，好让你知道它们的存在。它不涵盖 开关型稳压器——那是从 12 V 电池组得到 5 V、而不在线性稳压器里把差值 全部烧成热的办法。它不涵盖 5 V 与 3.3 V 器件之间的电平转换——当你第一次 把 ESP32 和一个 5 V 传感器接到同一条总线上时就会需要它。它也不涵盖 PCB 布局或焊接——这里的一切都在面包板上完成，这对学习是够用的，而且 一旦机器人开始运动，面包板本身就会成为间歇性故障的来源。
学习路线
路线
按顺序完成各个节点——完成一个就会解锁下一个。你的进度会保存在这台设备上。
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常见问题
常见问题解答
做机器人之前需要懂哪些电子知识？
三样，而且没有一样是高深的。你需要根据机器人实际吸取的电流来确定电源规格，这样电机启动时它才不会复位。你需要足够了解 I²C 总线，才能把几个传感器挂到两根共用的线上而不互相打架。你还需要写出一个从不停下来等待的控制回路，这样机器人在做别的事情时也能作出反应。其他的一切——控制理论、导航、运动学——都建立在这三样之上。
为什么电机一启动我的 Arduino 就复位？
电池的内阻把电机的浪涌电流变成了电压降，整条电源轨都随之下垂。一台电机通过一块内阻为 0.5 Ω 的电池组吸取 2 A 的浪涌电流，在任何电流到达稳压器之前，就会把电源轨拉低整整一伏。如果这一下跌落让板子低于欠压阈值，它就会重启。解决办法是更硬的电池和独立的电机电源，而不是更大的电容——一个 1000 µF 的电容如果要承担 2 A、持续 10 ms，电压会掉 20 V，所以它根本扛不住这种规模的冲击。
一块 Arduino 上能挂多少个 I²C 传感器？
地址空间允许 112 个器件，但电气上的极限远在那之前就到了。几乎每块扩展板都自带上拉电阻，通常是 4.7 kΩ，而把板子叠在一起就会让这些电阻并联。四块板子大约是 1.2 kΩ，在 5 V 下需要超过 4 mA 的灌电流——超出了 I²C 器件被要求能承受的 3 mA。三块板子通常还能工作，第四块会把整条总线搞死。把除一块之外所有板子上的上拉电阻去掉，你就能挂多得多的器件。
机器人代码里的 delay() 真有那么糟吗？
对机器人来说，确实如此。处理器停在 delay() 里时，不读任何传感器，也不做任何决策——一台处在 delay(500) 里的机器人会瞎上半秒，以 0.3 m/s 的速度计算，就是 15 cm 的行程。让它难以诊断的是，中断仍在运行，所以编码器计数自始至终都完全正确。症状看起来像是决策逻辑坏了，而不是时序被阻塞了。用 millis() 模式来取代它，比较时用减法而不是加法，否则比较会在 49.7 天的回绕处失效。
学这条路线需要示波器吗？
不需要。这里的一切用万用表就够了——测量电池带载时的电压、检查分压器的输出、确认电源轨没有下垂。示波器能让欠压和 I²C 问题看得清楚得多，如果你有一台，就应该用它，但这条路线要求的每一次测量，都是一台 10 英镑的万用表就能完成的直流测量。
这条路线要花多长时间？
四篇教程大约需要两个小时的阅读，而实际在台架上把测量做完，现实地说需要一两个晚上。测量才是重点——这条路线教你去信赖的数字，是你自己电池的电压下垂、你自己总线的上拉电阻总值，以及你自己回路的最坏耗时，而这些都没法查到。