如何自制一块“树莓派”-DIY ARM-Linux卡片电脑
年前计划拿树莓派做1个小机器人，真正动手的时候发现用别人设计的板子总感觉不是很顺手。
一方面树莓派是面向广大用户的，定制化不够，板子形状尺寸配置外设都无法达到理想的要求；另一方面，树莓派的性能相对…捉急，毕竟成本摆在那，为了普及这块卡片电脑，不可能用上太贵的SOC（树莓派上面的博通CPU是专门供应的）。
于是，为了满足个人的强迫症，也为了学习一下高速PCB的设计制造，决定自己画块ARM核心板玩，开始动手！
造板过程：（拉到文末查看完整演示视频）
第一步，绘制原理图与制作PCB
板子采用全志Cortex A53四核CPU，主频1.5GHz，六层DDR3内存，mini-PCIE尺寸，性能应该是完全超过树莓派了。整块板子引出了SPI，IIC，UART等引脚资源，后面还会做一个Arduino兼容的底板，等板子加工好后移植uboot和Linux-kernel，应该是目前为止最小的Linux开发板。
吐槽：打板难！像这种多层精密PCB板要找到合适的厂家打个样（不是批量）真是不容易。某宝上翻了个遍PCB打样的厂家，没有一家能做0.3mm pitch的BGA板；听说嘉立创可以打样，于是把板子发过去试试看。第一次审核通过，第二次准备加工的时候，接到电话说：你的板子我们做不了，0.2mm的过孔超过工艺范围，是的加钱也做不了！不过幸运的是最终还是找到一个可以做的厂家，当然价格也是相当的不亲民了。
第二步，焊接器件
由于是第一次手工焊接BGA的芯片，而且还是0.3mm pitch的BGA，所以一开始并没有太大的把握。
一般BGA都是让厂家去焊接，因为需要用到专门的吹焊台，可以精确地控制温度曲线。个人寝室是不可能用上这么专业的设备的，所以只能展示一下真正的技术了。
根据各方看到的BGA焊接经验，先对芯片植锡球，就是利用钢网对准焊点后，将锡球（网上很好买，分为各种尺寸，一般按万颗计算的）撒到芯片上，然后加热化锡，这样芯片上的的锡球就成为连接PCB和芯片的导线了，这也是BGA（BallGridArray，焊球阵列封装）的意思。
植锡球的具体操作
买的CPU和DDR芯片是全新的，所以出厂已经植好了锡球，这一步就省略了，当然如果后面一次焊接没有成功，需要吹下来重焊的话，还是需要重新植锡的。我的焊接装备如下：
我采用的焊接方法是：先把除BGA以外别的器件都焊好（主要是电源电路和一些外设），然后上电测试电压（5V、3.3V、1.2V、CPUX的1.3/1.4V）是否正常，正常的话就说明板子成功了一半，因为PCB的加工至少应该是没有问题的（虽然PCB发货前会进行飞针测试，但是只保证通路，短路是很难检查出来的）。
很幸运我这块板子没有发现任何问题，这又说明了我的走线和规则设定是ok的。
核心板背面
焊接完电源及外设器件之后，最重要的CPU和DDR焊接了，这也是最没把握的一步。BGA的引脚完全分布在芯片下方，所以肉眼是看不到的，因此在设计PCB的时候，一定要准确地把芯片边界的丝印画上去，这是用于对齐芯片的唯一标准。对好芯片之后，上风枪加热，用最低档风速，250°进行加热（注意需要吧吹嘴去掉以便增大出风口均匀加热），吹上一分钟左右可以看到芯片有轻微的归位动作，这时候用镊子非常非常小心地碰一碰芯片，能自动归位，就说明基本焊好了。
这里我由于吹焊的操作没有掌握好，吹废了两块板子（原因是温度太高吹太久焊盘脱落了），不过最终还是成功焊好了一片，有了这次的经验，感觉下次吹BGA应该会轻松很多了。
芯片焊好的样子
插上SD卡，USB上电，还没接上SSH呢，已经看到状态LED闪烁了，说明CPU正常启动！至此个人的第一块ARM核心板硬件可以说就圆满成功了。
我的派与硬币与树莓派
第三步，软件移植
保证硬件正常工作后，就该进行软件的移植工作了，U-BOOT和Linux内核的移植和编译在之前等PCB加工的时候已经基本完成，将系统写入SD卡后，插上板子，上电成功进入内核。文件系统使用的Ubuntu16.04，Debian系的最佳选择，跟树莓派也基本完全兼容。下图为通过板载的USB串口进行SSH登陆的效果👇
SSH登陆效果
第四步，设计底板
确定了核心板没问题之后，赶紧画个底板，用于将USB、网口、SPI、IIC等资源都引出来，同时底板上集成了一块Arduino Micro（Mega32U4），通过串口或者IIC和CPU通信（实际上核心板上可以直接运行Linux版的Arduino的IDE给底板上的Arduino下载程序了）。
底板主要通过mini-PCIE的底座将核心板上的IO资源都引出来，比如USB口、以太网口、I2C、SPI、串口、麦克风、喇叭等等。功能比较简单，走线也只需要两层，元件全部放在同一层，省得焊接麻烦。
底板成品
同时底板也板载了一块Mega32U4芯片，烧写Arduino Micro的Bootloader之后可以作为Arduino使用，其中串口和I2C接口都是可以和核心板相连的，用于两者通信，当然核心板上也能直接编译程序给Arduino下载啦。
终板和树莓派的尺寸对比，大概只有一半的大小，还多了很多外设：
我的派与树莓派
由于一般Linux都直接用SSH或者远程桌面登陆，所以底板上没接出HDMI接口（另一个原因是为了关闭GPU降低功耗和发热），所以最好需要一个板载的小屏幕来显示一些信息，比如CPU使用率、温度、IP地址等等。这里我选用一块很常用的OLED12864屏幕，尺寸很小巧显示也很漂亮，通过I2C接口驱动，接线也相当简洁，即插即用。
第五步，实时解码演示
用Linux驱动OLED，和用单片机（比如Arduino）驱动一块OLED有啥不同？首先Linux是一个完整的桌面级操作系统，很多算法（像图像处理，网络应用）都是可以直接移植运行的，所以不会出现像单片机上资源匮乏，每显示一副图片甚至一段中文，都需要事先用PC端软件开好模，再存到单片机的flash里面再下载运行这种情况（因为这Linux板子本身就是个电脑了哈哈）；其次Linux是可以多任务的，也就是说可以很方便地将OLED的显示和其他应用结合起来，将屏幕作为一个展示内容的很好工具。例如，下面这个视频，就演示了如何实时解码一段视频（著名的Bad Apple），并经过图像处理后通过OLED来播放：
另外，可以使用Intel的Movidius芯片的bsp合成在板子上，这样就可以做神经网络加速了，完全可以移植几个神经网络算法设计个迷你AI机器人耍耍。把Movidius芯片合成在板子上还是会有一些风险，如果使用Intel的神经计算棒二代NCS2（英特尔® Neural Compute Stick 2 ）就比较方便，减少了设计的过程以及出错率。
每一次尝试都有收获——N个第1次成就了这块板
第1次设计高速多层的ARM板就成功，实在是很幸运（当然其实前期也断断续续各种找资料预研了好几个月），回想一下整个设计过程，有太多的不确定因素。
第1次进行多层板设计，而且还是直接上6层。
第1次设计ARM的核心板电路：需要考虑复杂的电源系统、PCB阻抗计算、信号等长走线，EMC优化等等。
第1次进行多层精密PCB的加工投板：6层、3mil线距、0.2mm过孔，价格相比2层板翻了20倍不止就算了，加工好了还不确定是否真的能用。
第1次进行BGA的手工焊接：就算PCB没问题，焊接也是个大问题，一旦焊接完发现板子不工作，很难排查是哪里的原因。
好在以上所有问题都随着板子上那颗可爱的LED闪起来而得到了完美的回答。
本文由达尔闻入驻分享者 稚晖（ 个人网站：www.pengzhihui.xyz）提供，妮姐进行编译排版。
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