嵌入式硬件開發(fā)流程及工程師應(yīng)具備的基本技能

嵌入式硬件開發(fā)流程及工程師應(yīng)具備的基本技能 簡(jiǎn)單地總結(jié)一下硬件開發(fā)的基本過(guò)程： 1、明確硬件總體需求情況，如 理能力、存儲(chǔ)容量及速度、 I/O 端口的分配、接口要求、電平要求、特殊電路要求等等。 2、根據(jù)需求分析制定硬件總體方案，尋求關(guān)鍵器件及相關(guān)技術(shù)資料、技術(shù)途徑和技術(shù)支持，充分考慮技術(shù)可行性、可靠性和成本控制，并對(duì)開發(fā)調(diào)試工具提出明確要求。關(guān)鍵器件可試著去索取樣品。 3、總體方案確定后，做硬件和軟件的詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括繪制硬件原理圖、軟件功能框圖、時(shí)完成開發(fā)元 器件清單。 4、做好 后，對(duì)原理設(shè)計(jì)中的各個(gè)功能單元進(jìn)行焊接調(diào)試，必要時(shí)修改原理圖并作記錄。 5、軟硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。一般情況下，經(jīng)過(guò)調(diào)試后原理及 計(jì)上有所調(diào)整，需要二次投板。 6、可靠性測(cè)試、穩(wěn)定性測(cè)試，通過(guò)驗(yàn)收，項(xiàng)目完成！ 硬件工程師應(yīng)具備的基本技能： （ 1）由需求分析至總體方案、詳細(xì)設(shè)計(jì)的規(guī)劃創(chuàng)造能力； （ 2）熟練運(yùn)用設(shè)計(jì)工具，設(shè)計(jì)原理圖、 （ 3）熟練運(yùn)用單片機(jī)、 進(jìn)行軟硬件開發(fā)調(diào)試的 能力； （ 4）熟練運(yùn)用仿真工具、示波器、信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀等調(diào)測(cè)硬件的能力； （ 5）掌握常用的標(biāo)準(zhǔn)電路的設(shè)計(jì)能力，如復(fù)位電路、常用濾波器電路、功放電路、高速信號(hào)傳輸線的匹配電路等； （ 6）故障定位、解決問(wèn)題的能力； （ 7）設(shè)計(jì)文檔的組織編寫技能。 硬件工程師在硬件開發(fā)中要注意的事項(xiàng) 1、 啟動(dòng)一個(gè)硬件開發(fā)項(xiàng)目 原始的推動(dòng)力會(huì)來(lái)自于很多方面，比如市場(chǎng)的需要，基于整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)的需要，應(yīng)用軟件部門的功能實(shí)現(xiàn)需要，提高系統(tǒng)某方面能力的需要等等 ，所以作為一個(gè)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者，要主動(dòng)的去了解各個(gè)方面的需求，并且綜合起來(lái)，提出最合適的硬件解決方案。比如 A 項(xiàng)目的原始推動(dòng)力來(lái)自于公司內(nèi)部的一個(gè)高層軟件小組，他們?cè)趯?shí)際當(dāng)中發(fā)現(xiàn)原有的處理器板 而對(duì)于系統(tǒng)的配置和使用都會(huì)造成很大的不便，所以他們提出了對(duì)新硬件的需求。 根據(jù)這個(gè)目標(biāo)，硬件方案中就針對(duì)性的選用了兩個(gè)高性能網(wǎng)絡(luò)處理器，然后還需要深入的和軟件設(shè)計(jì)者交流，以確定內(nèi)存大小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)外接口和調(diào)試接口的數(shù)量及類型等等細(xì)節(jié)，比如軟件人員喜歡將控制信令通路和數(shù)據(jù)通路完全分開來(lái)，這樣在 確定內(nèi)部數(shù)據(jù)走向的時(shí)候要慎重考慮。 項(xiàng)目開始之初是需要召開很多的討論會(huì)議的，應(yīng)該盡量邀請(qǐng)所有相關(guān)部門來(lái)參與，好處有三個(gè)，第一可以充分了解大家的需要，以免在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上遺漏重要的功能，第二是可以讓各個(gè)部門了解這個(gè)項(xiàng)目的情況，提早做好時(shí)間和人員上協(xié)作的準(zhǔn)備，第三是從感情方面講，在設(shè)計(jì)之初各個(gè)部門就參與了進(jìn)來(lái)，這個(gè)項(xiàng)目就變成了大家共同的一個(gè)心血結(jié)晶，會(huì)得到大家的呵護(hù)和良好合作，對(duì)完成工作是很有幫助的。 2、 原理圖設(shè)計(jì)中要注意的問(wèn)題 原理圖設(shè)計(jì)中要有“拿來(lái)主義”，現(xiàn)在的芯片廠家一般都可以提供參考設(shè)計(jì)的原理圖，所以 要盡量的借助這些資源， 在充分理解參考設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，做一些自己的發(fā)揮。當(dāng)主要的芯片選定以后，最關(guān)鍵的外圍設(shè)計(jì)包括了電源，時(shí)鐘和芯片間的互連。 電源是保證硬件系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)中要詳細(xì)的分析：系統(tǒng)能夠提供的電源輸入；單板需要產(chǎn)生的電源輸出； 各個(gè)電源需要提供的電流大??；電源電路效率；各個(gè)電源能夠允許的波動(dòng)范圍；整個(gè)電源系統(tǒng)需要的上電順序等等。 比如 A 項(xiàng)目中的網(wǎng)絡(luò)處理器需要 為核心電壓，要求精度在 5%- 3%之間，電流需要 12A 左右，根據(jù)這些要求， 設(shè)計(jì)中采用 5V 的電源輸入，利用 開關(guān)電源控制器和 度要求決定了輸出電容的 且為防止電流過(guò)大造成的電壓跌落，加入了遠(yuǎn)端反饋的功能。 時(shí)鐘電路的實(shí)現(xiàn)要考慮到目標(biāo)電路的抖動(dòng)等要求， A 項(xiàng)目中用到了 件，剛開始的時(shí)候使用一個(gè)內(nèi)部帶鎖相環(huán)的零延時(shí)時(shí)鐘分配芯片提供100鐘，結(jié)果 路上出現(xiàn)了丟包，后來(lái)?yè)Q成簡(jiǎn)單的時(shí)鐘 件就解決了丟包問(wèn)題，分析起來(lái)就是內(nèi)部的鎖相環(huán)引入了抖動(dòng)。 芯片之間的互連要保證數(shù)據(jù)的無(wú)誤傳輸，在這方面，高速的差分信號(hào)線具有速率高，好布線， 信號(hào)完整性好等特點(diǎn)， A 項(xiàng)目中的多芯片間互連均采用了高速差分信號(hào)線，在調(diào)試和測(cè)試中沒有出現(xiàn)問(wèn)題。 3、 計(jì)中要注意的問(wèn)題 于重要的信號(hào)線要非常嚴(yán)格的要求布線的長(zhǎng)度和處理地環(huán)路，而對(duì)于低速和不重要的信號(hào)線就可以放在稍低的布線優(yōu)先級(jí)上。重要的部分包括：電源的分割；內(nèi)存的時(shí)鐘線，控制線和數(shù)據(jù)線的長(zhǎng)度要求；高速差分線的布線等等。 A 項(xiàng)目中使用內(nèi)存芯片實(shí)現(xiàn)了 1G 大小的 對(duì)這個(gè)部分的布線是非常關(guān)鍵的，要考慮到控制線和地址線的拓?fù)浞植迹瑪?shù)據(jù)線和時(shí)鐘線 的長(zhǎng)度差別控制等方面，在實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，根據(jù)芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)和實(shí)際的工作頻率可以得出具體的布線規(guī)則要求，比如同一組內(nèi)的數(shù)據(jù)線長(zhǎng)度相差不能超過(guò)多少個(gè) 個(gè)通路之間的長(zhǎng)度相差不能超過(guò)多少個(gè) 等。當(dāng)這些要求確定后就可以明確要求 計(jì)人員來(lái)實(shí)現(xiàn)了，如果設(shè)計(jì)中所有的重要布線要求都明確了，可以轉(zhuǎn)換成整體的布線約束，利用 的自動(dòng)布線工具軟件來(lái)實(shí)現(xiàn) 也是在高速 4、 檢查和調(diào)試 當(dāng)準(zhǔn)備調(diào)試一塊板的時(shí)候，一定要先認(rèn)真的做好目視檢查，檢查在焊接的過(guò)程中是否有可見 的短路和管腳搭錫等故障，檢查是否有元器件型號(hào)放置錯(cuò)誤，第一腳放置錯(cuò)誤，漏裝配等問(wèn)題，然后用萬(wàn)用表測(cè)量各個(gè)電源到地的電阻，以檢查是否有短路，這個(gè)好習(xí)慣可以避免貿(mào)然上電后損壞單板。調(diào)試的過(guò)程中要有平和的心態(tài)，遇見問(wèn)題是非常正常的，要做的就是多做比較和分析，逐步的排除可能的原因，要堅(jiān)信“凡事都是有辦法解決的”和“問(wèn)題出現(xiàn)一定有它的原因”，這樣最后一定能調(diào)試成功。 5、 一些總結(jié)的話 現(xiàn)在從技術(shù)的角度來(lái)說(shuō)，每個(gè)設(shè)計(jì)最終都可以做出來(lái)，但是一個(gè)項(xiàng)目的成功與否，不僅僅取決于技術(shù)上的實(shí)現(xiàn)，還與完成的時(shí)間，產(chǎn)品的 質(zhì)量，團(tuán)隊(duì)的配合密切相關(guān)，所以良好的團(tuán)隊(duì)協(xié)作，透明坦誠(chéng)的項(xiàng)目溝通，精細(xì)周密的研發(fā)安排，充裕的物料和人員安排，這樣才能保證一個(gè)項(xiàng)目的成功。 一個(gè)好的硬件工程師實(shí)際上就是一個(gè)項(xiàng)目經(jīng)理，他 /她需要從外界交流獲取對(duì)自己設(shè)計(jì)的需求，然后匯總，分析成具體的硬件實(shí)現(xiàn)。還要跟眾多的芯片和方案供應(yīng)商聯(lián)系，從中挑選出合適的方案，當(dāng)原理圖完成后，他 /她要組織同事來(lái)進(jìn)行配合評(píng)審和檢查，還要和 程師一起工作來(lái)完成 此同時(shí)，還要準(zhǔn)備好 單，開始采購(gòu)和準(zhǔn)備物料，聯(lián)系加工廠家完成板的貼裝。在調(diào)試的過(guò)程中他 /她要組織好軟件工程師來(lái)一起攻關(guān)調(diào)試，配合測(cè)試工程師一起解決測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，等到產(chǎn)品推出到現(xiàn)場(chǎng)，如果出現(xiàn)問(wèn)題，還需要做到及時(shí)的支持。所以做一個(gè)硬件設(shè)計(jì)人員要鍛煉出良好的溝通能力，面對(duì)壓力的調(diào)節(jié)能力，同一時(shí)間處理多個(gè)事務(wù)的協(xié)調(diào)和決斷能力和良好平和的心態(tài)等等。 還有細(xì)心和認(rèn)真，因?yàn)橛布O(shè)計(jì)上的一個(gè)小疏忽往往就會(huì)造成非常大的經(jīng)濟(jì)損失，比如以前碰到一塊板在 測(cè)試的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)短路問(wèn)題，但是元器件已經(jīng)都焊 接到板上了，結(jié)果造成了幾十萬(wàn)的損失。所以細(xì)心和認(rèn)真的檢查，負(fù)責(zé)任的測(cè)試，不懈的學(xué)習(xí)和積累，才能使得一個(gè)硬件設(shè)計(jì)人員持續(xù)不斷的進(jìn)步，而后術(shù)業(yè)有所小成。 如何設(shè)計(jì)一個(gè)合適的電源 對(duì)于現(xiàn)在一個(gè)電子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，電源部分的設(shè)計(jì)也越來(lái)越重要，我想通過(guò)和大家探討一些自己關(guān)于電源設(shè)計(jì)的心得，來(lái)個(gè)拋磚引玉，讓我們?cè)陔娫丛O(shè)計(jì)方面能夠都有所深入和長(zhǎng)進(jìn)。 何來(lái)評(píng)估一個(gè)系統(tǒng)的電源需求 于一個(gè)實(shí)際的電子系統(tǒng)，要認(rèn)真的分析它的電源需求。不僅僅是關(guān)心輸入電壓，輸出電壓和電流，還要 仔細(xì)考 慮總的功耗，電源實(shí)現(xiàn)的效率，電源部分對(duì)負(fù)載變化的瞬態(tài)響應(yīng)能力，關(guān)鍵器件對(duì)電源波動(dòng)的容忍范圍以及相應(yīng)的允 許的電源紋波，還有散熱問(wèn)題等等。功耗和效率是密切相關(guān)的，效率高了，在負(fù)載功耗相同的情況下總功耗就少，對(duì)于整個(gè) 系統(tǒng)的功率預(yù)算就非常有利了，對(duì)比 開關(guān)電源，開關(guān)電源的效率要高一些。同時(shí)，評(píng)估效率不僅僅是看在滿負(fù)載的時(shí)候 電源電路的效率，還要關(guān)注輕負(fù)載的時(shí)候效率水平。 至于負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)能力，對(duì)于一些高性能的 用就會(huì)有嚴(yán)格的要求，因?yàn)楫?dāng) 要的啟動(dòng)電流是很大的，如果電源電路響應(yīng)速度不夠，造成瞬間電壓下降過(guò)多過(guò)低，造成 行出錯(cuò)。 一般來(lái)說(shuō)，要求的電源實(shí)際值多為標(biāo)稱值的 5%，所以可以據(jù)此計(jì)算出允許的電源紋波，當(dāng)然要預(yù)留余量的。 散熱問(wèn)題對(duì)于那些大電流電源和 說(shuō)比較重要，通過(guò)計(jì)算也是可以評(píng)估是否合適的。 何選擇合適的電源實(shí)現(xiàn)電路 據(jù)分析系統(tǒng)需求得出的具體技術(shù)指標(biāo)，可以來(lái)選擇合適的電源實(shí)現(xiàn)電路了。一般對(duì)于弱電部分，包括了 性電源轉(zhuǎn)換器），開關(guān)電源電容降壓轉(zhuǎn)換器和開關(guān)電源電感電容轉(zhuǎn)換器。相比之下， 計(jì)最易實(shí)現(xiàn)，輸出紋波 小，但缺點(diǎn)是效率有可能不高，發(fā)熱量大，可提供的電流相較開關(guān)電源不大等等。而開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)靈活，效率高，但紋 波大，實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，調(diào)試比較煩瑣等等。 何為開關(guān)電源電路選擇合適的元器件和參數(shù) 多的未使用過(guò)開關(guān)電源設(shè)計(jì)的工程師會(huì)對(duì)它產(chǎn)生一定的畏懼心理，比如擔(dān)心開關(guān)電源的干擾問(wèn)題， 題，元器件的參數(shù)和類型選擇問(wèn)題等。其實(shí)只要了解了，使用一個(gè)開關(guān)電源設(shè)計(jì)還是非常方便的。 一個(gè)開關(guān)電源一般包含有開關(guān)電源控制器和輸出兩部分，有些控制器會(huì)將 樣使用就更簡(jiǎn)單了，也簡(jiǎn)化了 計(jì)，但是設(shè)計(jì)的靈活性就減少了一些。 開關(guān)控制器基本上就是一個(gè)閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)，所以一般都會(huì)有一個(gè)反饋輸出電壓的采樣電路以及反饋環(huán)的控制電路。因此這部分的設(shè)計(jì)在于保證精確的采樣電路，還有來(lái)控制反饋深度，因?yàn)槿绻答伃h(huán)響應(yīng)過(guò)慢的話，對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)能力是會(huì)有很多影響的。 而輸出部分設(shè)計(jì)包含了輸出電容，輸出電感以及 些的選擇基本上就是要滿足一個(gè)性能和成本的平衡，比如高的開關(guān)頻率就可以使用小的電感值（意味著小的封裝和便宜的成本），但是高的開關(guān)頻率 會(huì)增加干擾和對(duì) 開關(guān)損耗，從而效率降低。使用低的開關(guān)頻率帶來(lái)的結(jié)果則是相反的。 對(duì)于輸出電容的 數(shù)選擇也是非常關(guān)鍵的，小的 以減小輸出紋波，但是電容成本會(huì)增加，好的電容會(huì)貴嘛。開關(guān)電源控制器驅(qū)動(dòng)能力也要注意，過(guò)多的 一般來(lái)說(shuō)，開關(guān)電源控制器的供應(yīng)商會(huì)提供具體的計(jì)算公式和使用方案供工程師借鑒的。 何調(diào)試開關(guān)電源電路 一些經(jīng)驗(yàn)可以共享給大家 1: 電源電路的輸出輸出通過(guò)低阻值大功率電阻接到板內(nèi)，這樣在不 焊電阻的情況下可以先做到電源電路的先調(diào)試，避開后面電路的影響。 2: 一般來(lái)說(shuō)開關(guān)控制器是閉環(huán)系統(tǒng)，如果輸出惡化的情況超過(guò)了閉環(huán)可以控制的范圍，開關(guān)電源就會(huì)工作不正常， 所以這種情況就需要認(rèn)真檢查反饋和采樣電路。特別是如果采用了大 產(chǎn)生很多的電源紋波，這也會(huì)影響開關(guān)電源的工作的。 接地技術(shù)的討論 什么要接地 ? 地技術(shù)的引入最初是為了防止電力或電子等設(shè)備遭雷擊而采取的保護(hù)性措施，目的是把雷電產(chǎn)生的雷擊電流通過(guò)避雷針引入到大地，從而起到保護(hù)建筑物的作用。同時(shí)，接地也 是保護(hù)人身安全的一種有效手段，當(dāng)某種原因引起的相線（如電線絕緣不良，線路老化等）和設(shè)備外殼碰觸時(shí)，設(shè)備的外殼就會(huì)有危險(xiǎn)電壓產(chǎn)生，由此生成的故障電流就會(huì)流經(jīng)而起到保護(hù)作用。隨著電子通信和其它數(shù)字領(lǐng)域的發(fā)展，在接地系統(tǒng)中只考慮防雷和安全已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求了。比如在通信系統(tǒng)中，大量設(shè)備之間信號(hào)的互連要求各設(shè)備都要有一個(gè)基準(zhǔn)地作為信號(hào)的參考地。而且隨著電子設(shè)備的復(fù)雜化，信號(hào)頻率越來(lái)越高，因此，在接地設(shè)計(jì)中，信號(hào)之間的互擾等電磁兼容問(wèn)題必須給予特別關(guān)注，否則，接地不當(dāng)就會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和 穩(wěn)定性。最近，高速信號(hào)的信號(hào)回流技術(shù)中也引入了“地”的概念。 地的定義 在現(xiàn)代接地概念中、對(duì)于線路工程師來(lái)說(shuō)，該術(shù)語(yǔ)的含義通常是線路電壓的參考點(diǎn)；對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，它常常是機(jī)柜或機(jī)架；對(duì)電氣工程師來(lái)說(shuō)，它是綠色安全地線或接到大地的意思。一個(gè)比較通用的定義是“接地是電流返回其源的低阻抗通道”。注意要求是”低阻抗”和“通路”。 見的接地符號(hào) G保護(hù)地或機(jī)殼； 流 48V(+24V)電源（電池）回流； 工作地； 字地； 擬地； 雷保護(hù)地 適的接地方式 接地有多種方式，有單點(diǎn)接地，多點(diǎn)接地以及混合類型的接地。而單點(diǎn)接地又分為串聯(lián)單點(diǎn)接地和并聯(lián)單點(diǎn)接地。一般來(lái)說(shuō)，單點(diǎn)接地用于簡(jiǎn)單電路，不同功能模塊之間接地區(qū)分，以及低頻（ 路時(shí)就要采用多點(diǎn)接地了或者多層板（完整的地平面層）。 號(hào)回流和跨分割的介紹 于一個(gè)電子信號(hào)來(lái)說(shuō)，它需要尋找一條最低阻抗的電流回流到地的途徑，所以如何處理這 個(gè)信號(hào)回流就變得非常的關(guān)鍵。 第一，根據(jù)公式可以知道，輻射強(qiáng)度是和回路面積成正比的，就是說(shuō)回流需要走的路徑越長(zhǎng)，形成的環(huán)越大，它對(duì)外輻射的干擾也越大，所以， 第二，對(duì)于一個(gè)高速信號(hào)來(lái)說(shuō)，提供有好的信號(hào)回流可以保證它的信號(hào)質(zhì)量，這是因?yàn)殡娫磳樱閰⒖紒?lái)計(jì)算的，如果高速線附近有連續(xù)的地平面，這樣這條線的阻抗就能保持連續(xù)，如果有段線附 近沒有了地參考，這樣阻抗就會(huì)發(fā)生變化，不連續(xù)的阻抗從而會(huì)影響到信號(hào)的完整性。所以，布線的 時(shí)候要把高速線分配到靠近地平面的層，或者高速線旁邊并行走一兩條地線，起到屏蔽和就近提供回流的功能。 第三，為什么說(shuō)布線的時(shí)候盡量不要跨電源分割，這也是因?yàn)樾盘?hào)跨越了不同電源層后，它的回流途徑就會(huì)很長(zhǎng)了，容易受到干擾。當(dāng)然，不是嚴(yán)格要求不能跨越電源分割，對(duì)于低速的信號(hào)是可以的，因?yàn)楫a(chǎn)生的干擾相比信號(hào)可以不予關(guān)心。對(duì)于高速信號(hào)就要認(rèn)真檢查，盡量不要跨越，可以通過(guò)調(diào)整電源部分的走線。（這是針對(duì)多層板多個(gè)電源供應(yīng)情況說(shuō)的） 什么要將模擬地和數(shù)字地分開，如何分開 ? 擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)都要回流到 地，因?yàn)閿?shù)字信號(hào)變化速度快，從而在數(shù)字地上引起的噪聲就會(huì)很大，