產(chǎn)品設(shè)計過程---硬件開發(fā)

第 1 頁 共 19 頁 產(chǎn)品設(shè)計過程產(chǎn)品設(shè)計過程 硬件開發(fā)硬件開發(fā) 課程簡介 本課程以產(chǎn)品設(shè)計過程為主線 詳細(xì)講解產(chǎn)品設(shè)計過程中的各個環(huán)節(jié) 幫助學(xué)員理解產(chǎn)品開發(fā)流程 樹立按流程辦事和流程優(yōu)化的思想 更好地開 展工作 適合對象 硬件研發(fā)類新員工 培訓(xùn)目標(biāo) 學(xué)完本課程后 學(xué)員能夠達(dá)到 了解產(chǎn)品設(shè)計過程 并在實際工作中能 夠按流程辦事 課程要點 硬件工程師職責(zé)與基本技能 硬件開發(fā)規(guī)范化管理的重要性 硬件開發(fā)過程及文檔規(guī)范詳解 與硬件開發(fā)相關(guān)的流程文件介紹 第 2 頁 共 19 頁 產(chǎn)品設(shè)計過程產(chǎn)品設(shè)計過程 硬件開發(fā)硬件開發(fā) 第一章第一章 硬件工程師職責(zé)與基本技能硬件工程師職責(zé)與基本技能 第一節(jié)第一節(jié) 硬件工程師職責(zé)硬件工程師職責(zé) 一個技術(shù)領(lǐng)先 運(yùn)行可靠的硬件平臺是公司產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ) 硬件工程師 職責(zé)神圣 責(zé)任重大 1 硬件工程師應(yīng)勇于嘗試新的先進(jìn)技術(shù)之應(yīng)用 在產(chǎn)品硬件設(shè)計中大膽創(chuàng)新 2 堅持采用開放式的硬件架構(gòu) 把握硬件技術(shù)的主流和未來發(fā)展 在設(shè)計中考 慮將來的技術(shù)升級 3 充分利用公司現(xiàn)有的成熟技術(shù) 保持產(chǎn)品技術(shù)上的繼承生 4 在設(shè)計中考慮成本 控制產(chǎn)品的性能價格比達(dá)到最優(yōu) 5 技術(shù)開放 資源共享 促進(jìn)公司整體的技術(shù)提升 第二節(jié)第二節(jié) 硬件工程師的基本素質(zhì)與技術(shù)硬件工程師的基本素質(zhì)與技術(shù) 硬件工程師應(yīng)掌握如下基本技能 1 由需求分析至總體方案 詳細(xì)設(shè)計的設(shè)計創(chuàng)造能力 2 熟練運(yùn)用設(shè)計工具 設(shè)計原理圖 EPLD FPGA 調(diào)試程序的能力 3 運(yùn)用仿真設(shè)備 示波器 邏輯分析儀調(diào)測硬件的能力 4 掌握常用的標(biāo)準(zhǔn)電路的設(shè)計能力 如 CPU 電路 WDT 電路 濾波電路 高 速信號傳輸線的匹配電路等 5 故障定位 解決問題的能力 6 文檔的寫作能力 7 接觸供應(yīng)商 保守公司機(jī)密的技能 第 3 頁 共 19 頁 第二章第二章 硬件開發(fā)規(guī)范化管理硬件開發(fā)規(guī)范化管理 第一節(jié)第一節(jié) 硬件開發(fā)規(guī)范化管理的重要性硬件開發(fā)規(guī)范化管理的重要性 在公司的規(guī)范化管理中 硬件開發(fā)的規(guī)范化是一項重要內(nèi)容 硬件開發(fā)規(guī) 范化管理是在公司的 硬件開發(fā)流程 及相關(guān)的 硬件開發(fā)文檔編制規(guī)范 PCB 投板流程 等文件中規(guī)劃的 硬件開發(fā)流程是指導(dǎo)硬件工程師按規(guī)范化 方式進(jìn)行開發(fā)的準(zhǔn)則 規(guī)范了硬件開發(fā)的全過程 硬件開發(fā)流程制定的目的是 規(guī)范硬件開發(fā)過程控制 硬件開發(fā)質(zhì)量 確保硬件開發(fā)能按預(yù)定目的完成 硬件開發(fā)流程不但規(guī)范化了硬件開發(fā)的全過程 同時也從總體上 規(guī)定了 硬件開發(fā)所完成的任務(wù) 做為一名硬件工程師深刻領(lǐng)會硬件開發(fā)流程中各項內(nèi) 容 在日常工作中自覺按流程辦事 是非常重要的 否則若大一個公司就會走 向混亂 所有硬件工程師應(yīng)把學(xué)流程 按流程辦事 發(fā)展完善流程 監(jiān)督流程 的執(zhí)行作為自己的一項職責(zé) 為公司的管理規(guī)范化做出的貢獻(xiàn) 總之 硬件開發(fā)流程是硬件工程師規(guī)范日常開發(fā)工作的重要依據(jù) 全體硬 件工程師必須認(rèn)真學(xué)習(xí) 第二節(jié)第二節(jié) 硬件開發(fā)過程詳解硬件開發(fā)過程詳解 硬件開發(fā)過程對硬件開發(fā)的全過程進(jìn)行了科學(xué)分解 規(guī)范了硬件開發(fā)的五 大任務(wù) 也劃分硬件開發(fā)的五大階段 1 硬件需求分析 2 硬件系統(tǒng)設(shè)計 3 硬件開發(fā)及過程控制 4 系統(tǒng)聯(lián)調(diào) 5 文檔歸檔及驗收申請 硬件開發(fā)真正起始應(yīng)在立項后 即接到立項任務(wù)書后 但在實際工作中 許 多項目在立項之前已做了大量硬件設(shè)計工作 立項完成后 項目組就已有了產(chǎn) 品規(guī)格說明書 系統(tǒng)需求說明書及項目總體方案書 這些文件都已進(jìn)行過評審 第 4 頁 共 19 頁 1 硬件需求分析硬件需求分析 項目組接到任務(wù)后 首先要做的硬件開發(fā)工作就是要進(jìn)行硬件需求分析 撰 寫硬件需求規(guī)格說明書 硬件需求分析在整個產(chǎn)品開發(fā)過程中是非常重要的一 環(huán) 硬件工程師更應(yīng)對這一項內(nèi)容加以重視 一項產(chǎn)品的性能往往是由軟件和硬件共同完成的 哪些是由硬件完成 哪些 是由軟件完成 項目組必須在需求時加以細(xì)致考慮 硬件需求分析還可以明確 硬件開發(fā)任務(wù) 并從總體上論證現(xiàn)在的硬件水平 包括公司的硬件技術(shù)水平是 否滿足需求 硬件需求分析主要有以下內(nèi)容 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境及使用說明 基本配置及其互連方法 硬件整體系統(tǒng)的基本功能和主要性能指標(biāo) 硬件分系統(tǒng)的基本功能和主要功能指標(biāo) 功能模塊的劃分 關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān) 外購硬件的名稱型號 生產(chǎn)單位 主要技術(shù)指標(biāo) 主要儀器設(shè)備 內(nèi)部合作 對外合作 國內(nèi)外同類產(chǎn)品的硬件技術(shù)介紹 可靠性 穩(wěn)定性 電磁兼容討論 電源 工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計 硬件測試方案 進(jìn)行完硬件需求分析后 撰寫 硬件需求說明書 硬件需求說明書 不 但給出項目硬件開發(fā)總的任務(wù)框架 也引導(dǎo)項目組對開發(fā)任務(wù)有更深入的和具 體的分析 更好地來制定開發(fā)計劃 硬件需求說明書 是描寫硬件開發(fā)目標(biāo) 基本功能 基本配置 主要性 能指標(biāo) 運(yùn)行環(huán)境 約束條件以及開發(fā)經(jīng)費(fèi)和進(jìn)度等要求 它的要求依據(jù)是 產(chǎn)品規(guī)格說明書 和 系統(tǒng)需求說明書 它是硬件總體設(shè)計和制訂硬件開發(fā) 計劃的依據(jù) 硬件需求說明書 的具體編寫的內(nèi)容有 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境及使用說明 硬 第 5 頁 共 19 頁 件整體系統(tǒng)的基本功能和主要性能指標(biāo) 硬件分系統(tǒng)的基本功能和主要性能指 標(biāo)以及功能模塊的劃分等 2 硬件系統(tǒng)設(shè)計硬件系統(tǒng)設(shè)計 硬件需求分析完成后 項目組即可進(jìn)行硬件系統(tǒng)設(shè)計 硬件系統(tǒng)設(shè)計是把 整個系統(tǒng)進(jìn)一步具體化 硬件系統(tǒng)設(shè)計的主要任務(wù)就是從總體上進(jìn)一步劃分各 單板的功能以及硬件的總體結(jié)構(gòu)描述 規(guī)定各單板間的接口及有關(guān)的技術(shù)指標(biāo) 硬件系統(tǒng)設(shè)計主要有下列內(nèi)容 系統(tǒng)功能及功能指標(biāo) 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖及功能劃分 單板命名 系統(tǒng)邏輯框圖 組成系統(tǒng)各功能塊的邏輯框圖 電路結(jié)構(gòu)圖及單板組成 單板邏輯框圖和電路結(jié)構(gòu)圖 關(guān)鍵技術(shù)討論 關(guān)鍵器件 在硬件系統(tǒng)設(shè)計階段需要撰寫 硬件總體設(shè)計報告 硬件總體設(shè)計報告 是根據(jù)需求說明書的要求進(jìn)行總體設(shè)計后出的報告 它是硬件詳細(xì)設(shè)計的依據(jù) 編寫 硬件總體設(shè)計報告 應(yīng)包含以下內(nèi)容 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及功能劃分 系統(tǒng) 邏輯框圖 組成系統(tǒng)各功能模塊的邏輯框圖 電路結(jié)構(gòu)圖及單板組成 單板邏 輯框圖和電路結(jié)構(gòu)圖 以及可靠性 安全性 電磁兼容性討論和硬件測試方案 等 硬件系統(tǒng)設(shè)計是最重要的環(huán)節(jié)之一 系統(tǒng)設(shè)計不好 可能出現(xiàn)致命的問題 造成的損失有許多是無法挽回 另外 系統(tǒng)設(shè)計對各個單板的任務(wù)以及相關(guān)的 關(guān)系進(jìn)一步明確 單板的設(shè)計要以系統(tǒng)設(shè)計為依據(jù) 而產(chǎn)品的好壞特別是系統(tǒng) 的設(shè)計合理性 科學(xué)性 可靠性 穩(wěn)定性與系統(tǒng)設(shè)計關(guān)系密切 一個好的產(chǎn)品 特別是大型復(fù)雜產(chǎn)品 系統(tǒng)方案進(jìn)行反復(fù)論證是不可缺少的 只有經(jīng)過多次反 復(fù)論證的方案 才可能成為好方案 第 6 頁 共 19 頁 硬件需求分析和硬件總體設(shè)計完成后 項目評審委員會要對其進(jìn)行評審 審查包括兩部分 一是對有關(guān)文檔的格式 內(nèi)容的科學(xué)性 描述的準(zhǔn)確性以及 詳簡情況進(jìn)行審查 再就是對總體設(shè)計中技術(shù)合理性 可行性等進(jìn)行審查 如 果評審不能通過 項目組必須對自己的方案重新進(jìn)行修訂 3 硬件開發(fā)及過程控制硬件開發(fā)及過程控制 硬件總體方案通過后 即可著手關(guān)鍵器件的申購 主要工作由項目組來完 成 計劃辦總體辦進(jìn)行把關(guān) 關(guān)鍵元器件往往是一個項目能否順利 實施的重要 目標(biāo) 關(guān)鍵器件落實后 即要進(jìn)行結(jié)構(gòu)與電源設(shè)計 單板總體設(shè)計 結(jié)構(gòu)與電源 設(shè)計由其它項目組或部門來協(xié)作完成 項目組必須準(zhǔn)確地把自己的需求寫成任 務(wù)書 經(jīng)批準(zhǔn)后送達(dá)相關(guān)項目組或部門 單板總體設(shè)計需要項目組與 CAD 組配合完成 單板總體設(shè)計過程中 對 電路板的布局 走線的速率 線間干擾以及 EMI 等的設(shè)計應(yīng)與 CAD 組合作 CAD 組可利用相應(yīng)分析軟件進(jìn)行輔助分析 單板總體設(shè)計主要包括下列內(nèi)容 單板在整機(jī)中的位置 單板功能描述 單板尺寸 單板邏輯圖及各功能模塊說明 單板軟件功能描述 單板軟件功能模塊劃分 接口定義及與相關(guān)板的關(guān)系 重要性能指標(biāo) 功耗及采用標(biāo)準(zhǔn) 開發(fā)用儀器儀表等 在單板的總體設(shè)計方案定下來之后應(yīng)出 單板總體設(shè)計方案書 這份文檔 單板總體設(shè)計方案 應(yīng)包含以下內(nèi)容 單板版本號 單板在整機(jī)中的位置 開發(fā)目的及主要功能 單板功能描述 單板邏輯框圖及各功能模塊說明 單板 軟件功能描述及功能模塊劃分 接口簡單定義與相關(guān)板的關(guān)系 主要性能指標(biāo) 功耗和采用標(biāo)準(zhǔn) 第 7 頁 共 19 頁 每個單板都要有總體設(shè)計方案 且要經(jīng)過項目評審委員會評審 只有單板 總體方案評審?fù)ㄟ^后 才可以進(jìn)行單板詳細(xì)設(shè)計 單板詳細(xì)設(shè)計包括兩大部分 單板軟件詳細(xì)設(shè)計 單板硬件詳細(xì)設(shè)計 其中單板硬件詳細(xì)設(shè)計應(yīng)包括下列部分 單板整體功能的準(zhǔn)確描述 模塊的精心劃分 接口的詳細(xì)設(shè)計 關(guān)鍵元器件的功能描述及評審 元器件的選擇 符合規(guī)范的原理圖及 PCB 圖 對 PCB 板的測試及調(diào)試計劃 在單板硬件進(jìn)入到詳細(xì)設(shè)計階段 應(yīng)提交 單板硬件詳細(xì)設(shè)計報告 在單 板硬件詳細(xì)設(shè)計中應(yīng)著重體現(xiàn) 單板邏輯框圖及各功能模塊詳細(xì)說明 各功能 模塊實現(xiàn)方式 地址分配 控制方式 接口方式 存儲器空間 中繼方式 接 口管腳信號詳細(xì)定義 時序說明 性能指標(biāo) 指示燈說明 外接線定義 可編 程器件圖 功能模塊說明 原理圖 詳細(xì)物料清單以及單板測試 調(diào)試計劃 有時候一塊單板的硬件和軟件分別由兩個開發(fā)人員開發(fā) 因此這時單板硬件詳 細(xì)設(shè)計便為軟件設(shè)計者提供一人詳細(xì)的指導(dǎo) 因此單板硬件詳細(xì)設(shè)計報告至關(guān) 重要 尤其是地址分配 控制方式 接口方式 中斷方式是編制單板軟件的基 礎(chǔ) 一定要詳細(xì)寫出 單板硬件的詳細(xì)設(shè)計報告 則要項目評審委員會與 CAD 組聯(lián)合進(jìn)行審查 如果審查通過 方可進(jìn)行 PCB 板設(shè)計 如果通不過 則返回硬件需求分析處 重新進(jìn)行整個過程 這樣做的目的在于讓項目組重新審查一下 某個單板詳細(xì) 設(shè)計通不過 是否會引起項目整體設(shè)計的改動 如單板詳細(xì)設(shè)計報告通過 項目組一邊要與生產(chǎn) 商務(wù)部門配合準(zhǔn)備單板 物料申購 一方面進(jìn)行 PCB 板設(shè)計 PCB 板設(shè)計需要項目組與 CAD 組配合進(jìn) 行 PCB 原理圖是由項目組完成的 而 PCB 畫板和投板的管理工作都由 CAD 組完成 PCB 投板有專門的 PCB 樣板流程 PCB 板設(shè)計完成后 就要進(jìn)行單 第 8 頁 共 19 頁 板硬件過程調(diào)試 調(diào)試過程中要注意多記錄 總結(jié) 勤于整理 寫出 單板硬 件過程調(diào)試文檔 以便管理階層了解進(jìn)度 進(jìn)行考評 另外也給其他相關(guān)工程 師留下一份有參考價值的技術(shù)文檔 如果 PCB 測試不通過 要重新投板 則要 由項目評審委員會與 CAD 組聯(lián)合決定 每次所投 PCB 板時應(yīng)制作 單板硬件過程調(diào)試文檔 這份文檔應(yīng)包括以 下內(nèi)容 單板硬件功能模塊劃分 單板硬件各模塊調(diào)試進(jìn)度 調(diào)試中出現(xiàn)的問 題及解決方法 原始數(shù)據(jù)記錄 系統(tǒng)方案修改說明 單板方案修改說明 器件 改換說明 原理圖 PCB 圖修改說明 可編程器件修改說明 調(diào)試工作階段總 結(jié) 調(diào)試進(jìn)展說明 下階段調(diào)試計劃以及測試方案的修改 在單板調(diào)試完成之后 申請內(nèi)部驗收之前 項目組應(yīng)先進(jìn)行自測 項目組要 把單板放到相應(yīng)環(huán)境進(jìn)行單板硬件測試 以確保每個功能都能實現(xiàn) 每項指標(biāo) 都能滿足 自測完畢應(yīng)出 單板硬件測試文檔 單板硬件測試文檔 包括以下內(nèi)容 單板功能模塊劃分 各功能模塊設(shè)計 輸入輸出信號及性能參數(shù) 各功能模塊測試點確定 各測試參考點實測原始記 錄及分析 板內(nèi)高速信號線測試原始記錄及分析 系統(tǒng) I O 口信號線測試原始 記錄及分析 整板性能測試結(jié)果分析 4 系統(tǒng)聯(lián)調(diào) 系統(tǒng)聯(lián)調(diào) 在結(jié)構(gòu)電源 單板軟硬件都已完成開發(fā)后 就可以進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào) 系統(tǒng)聯(lián) 調(diào)是整機(jī)性能提高 穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié) 認(rèn)真周到的系統(tǒng)聯(lián)調(diào)可以發(fā)現(xiàn)各單板以 及整體設(shè)計的不足 也是驗證設(shè)計目的是否達(dá)到的唯一方法 只有對各種可能 的環(huán)節(jié)驗證到才能保證機(jī)器走向市場后工作的可靠性和穩(wěn)定性 在整個系統(tǒng)聯(lián) 調(diào)過程要進(jìn)行詳細(xì)記錄 必須撰寫 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)報告 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)報告 包括這些內(nèi)容 系統(tǒng)功能模塊劃分 系統(tǒng)功能模塊調(diào)試 進(jìn)展 系統(tǒng)接口信號的測試原始記錄及分析 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)中出現(xiàn)問題及解決 調(diào) 試技巧集錦 整機(jī)性能評估等 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)后 必須經(jīng)項目評審委員會對聯(lián)調(diào)結(jié)果進(jìn)行評審 看是不是符合 設(shè)計要求 如果不符合設(shè)計要求將要返回去進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計 第 9 頁 共 19 頁 5 文檔歸檔及驗收申請 文檔歸檔及驗收申請 如果系統(tǒng)聯(lián)調(diào)通過 項目組要進(jìn)行文件歸檔 把應(yīng)該歸檔的文件準(zhǔn)備好 經(jīng)項目評審委員會評審 如果文件歸檔評審?fù)ㄟ^ 才可進(jìn)行內(nèi)部驗收 當(dāng)內(nèi)部 驗收通過及轉(zhuǎn)中試 硬件項目完成開發(fā)過程 第 10 頁 共 19 頁 第三章第三章 與硬件開發(fā)相關(guān)的流程的簡單介紹與硬件開發(fā)相關(guān)的流程的簡單介紹 與硬件開發(fā)相關(guān)的流程主要有下列幾個 項目立項流程 項目實施管理流程 軟件開發(fā)流程 系統(tǒng)測試工作流程 中試接口流程 內(nèi)部接收流程 1 項目立項流程項目立項流程 是為了加強(qiáng)立項管理及立項的科學(xué)性而制定的 其中包括立項的論證 審核 分析 以期做到合理進(jìn)行開發(fā) 合理理行資源分配 并對該立項前的預(yù)研過程 進(jìn)行規(guī)范和管理 立項時 對硬件的開發(fā)方案的審查是重要內(nèi)容 2 項目實施管理流程 項目實施管理流程 主要定義和說明項目在立項后進(jìn)行項目系統(tǒng)分析和總體設(shè)計以及軟硬件開發(fā) 和內(nèi)部驗收等過程和接口 并指出了開發(fā)過程中需形成的各種文檔 該流程包 含著硬件開發(fā) 軟件開發(fā) 結(jié)構(gòu)和電源開發(fā) 物料申購并各分流程 3 軟件開發(fā)流程 軟件開發(fā)流程 與硬件開發(fā)流程相對應(yīng)是軟件開發(fā)流程 軟件開發(fā)流程是對大型系統(tǒng)軟件開 發(fā)規(guī)范化管理文件 流程目的在對軟件開發(fā)實施有效的計劃和管理 從而進(jìn)一 步提高軟件開發(fā)的工程化 系統(tǒng)化水平 提高公司軟件產(chǎn)品質(zhì)量和文檔管理水 平 以保證軟件開發(fā)的規(guī)范性和繼承性 軟件開發(fā)與硬件開發(fā)密切聯(lián)系在一起 的 一個系統(tǒng)軟件和硬件是相互關(guān)聯(lián)的 4 系統(tǒng)測試工作流程 系統(tǒng)測試工作流程 該流程規(guī)定了在開發(fā)過程中系統(tǒng)測試過程 描述了系統(tǒng)測試所要執(zhí)行的功能 第 11 頁 共 19 頁 輸入 輸出的文件以及有關(guān)的檢查評審點 它規(guī)范了系統(tǒng)測試工作的行為 以 提高系統(tǒng)測試的可控性 從而為系統(tǒng)質(zhì)量保證提供一個重要手段 項目立項完成 成立項目組的同時要成立對應(yīng)的測試項目組 在整個開發(fā)過 程中 測試可分為三個階段 單元測試 集成測試 系統(tǒng)測試 測試的主要對 象為軟件系統(tǒng) 5 中試接口流程 中試接口流程 中試涉及到研發(fā)部與中試部開發(fā)全過程 研發(fā)部在項目立項審核或項目立項 后以書面文件通知中試部 中試部以此來確定是否參與該項目的測試及中試準(zhǔn) 備的相關(guān)人選 并在方案評審階段參與進(jìn)來對產(chǎn)品的工藝 結(jié)構(gòu) 兼容性及可 生產(chǎn)性等問題進(jìn)行評審 在產(chǎn)品開發(fā)的后期 項目組將中試的相關(guān)資料備齊 提交 新產(chǎn)品準(zhǔn)備中試聯(lián)絡(luò)單 由項目評審委員會審核后 提交中試部進(jìn)行中 試準(zhǔn)備 在項目內(nèi)部驗收后轉(zhuǎn)中試 在中試過程中出現(xiàn)的中試問題 由中試部 書面通知反饋給項目組 進(jìn)行設(shè)計調(diào)整直至中試通過 由上可出中試將在產(chǎn)品設(shè)計到驗收后整個過程都將參與 在硬件開發(fā)上 也 有許多方面要提早與中試進(jìn)行聯(lián)系 甚至中試部直接參與有關(guān)的硬件開發(fā)和測 試工程 6 內(nèi)部驗收流程 制定的目的是加強(qiáng)內(nèi)部驗收的規(guī)范化管理 加強(qiáng)設(shè)計驗證的控制 確保產(chǎn)品 開發(fā)盡快進(jìn)行中試和生產(chǎn)并順利推向市場 項目完成開發(fā)工作和文檔及相關(guān)技 術(shù)資料后 首先準(zhǔn)備測試環(huán)境 進(jìn)行自測 并向項目評審委員會遞交 系統(tǒng)測 試報告 及項目驗收申請表 項目評審委員會審核同意項目驗收申請后 要求 項目組確定測試項目 并編寫 測試項目手冊 測試項目手冊要通過項目評審 委員會組織的評審 然后才組成專家進(jìn)行驗收 由上可見 硬件開發(fā)過程中 必須提前準(zhǔn)備好文檔及各種技術(shù)資料 同時在產(chǎn)品設(shè)計時就必須考慮到測試 第 12 頁 共 19 頁 案例分析 案例分析 一個典型的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)一個典型的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn) 上網(wǎng)時間 2005 年 03 月 01 日 在計算機(jī) 互聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)高速發(fā)展的同時 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)也取得迅速發(fā)展 嵌 入式技術(shù)應(yīng)用范圍的急劇擴(kuò)大 本文介紹了一種基于ARM和FPGA 從軟件到硬件完全自 主開發(fā)多功能車輛總線 Multifunction Vehicle Bus MVB嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn) 系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn) 通常來說 一個嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程如下 1 確定嵌入式系統(tǒng)的需求 2 設(shè)計系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 選擇處理器和相關(guān)外部設(shè)備 操作系統(tǒng) 開發(fā)平臺以及軟硬 件的分割和總體系統(tǒng)集成 3 詳細(xì)的軟硬件設(shè)計和 RTL 代碼 軟件代碼開發(fā) 4 軟硬件的聯(lián)調(diào)和集成 5 系統(tǒng)的測試 一 步驟一 步驟 1 確定系統(tǒng)的需求 確定系統(tǒng)的需求 嵌入式系統(tǒng)的典型特征是面向用戶 面向產(chǎn)品 面向應(yīng)用的 市場應(yīng)用是嵌入式系統(tǒng)開發(fā) 的導(dǎo)向和前提 一個嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計取決于系統(tǒng)的需求 1 MVB 總線簡介總線簡介 列車通信網(wǎng) Train Communication Network 簡稱 TCN 是一個集整列列車內(nèi)部測控任務(wù) 和信息處理任務(wù)于一體的列車數(shù)據(jù)通訊的 IEC 國際標(biāo)準(zhǔn) IEC 61375 1 它包括兩種總 線類型絞線式列車總線 WTB 和多功能車廂總線 MVB TCN 在列車控制系統(tǒng)中的地位相當(dāng)與 CAN 總線在汽車電子中的地位 多功能車輛總線 MVB 是用于在列車上設(shè)備之間傳送和交換數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)通信介質(zhì) 附加在總線上的設(shè)備可能 在功能 大小 性能上互不相同 但是它們都和 MVB 總線相連 通過 MVB 總線來交換信 息 形成一個完整的通信網(wǎng)絡(luò) 在 MVB 系統(tǒng)中 根據(jù) IEC 61375 1 列車通信網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn) MVB 總線有如下的一些特點 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) MVB 總線的結(jié)構(gòu)遵循 OSI 模式 吸取了 ISO 的標(biāo)準(zhǔn) 支持最多 4095 個設(shè)備 由一個中心總線管理器控制 簡單的傳感器和智能站共存于同一總線上 數(shù)據(jù)類型 MVB 總線支持三種數(shù)據(jù)類型 第 13 頁 共 19 頁 a 過程數(shù)據(jù) 過程變量表示列車的狀態(tài) 如速度 電機(jī)電流 操作員的命令 過程變量的值 叫過程數(shù)據(jù) 它們的傳輸時間是確定的和有界的 為保證這一延遲時間 這些數(shù)據(jù)被周期 性地傳送 b 消息數(shù)據(jù) 消息被分成小的包 這些包分別被編號并由目的站確認(rèn) 消息包及與之相關(guān)的 控制數(shù)據(jù)形成消息數(shù)據(jù) 消息數(shù)據(jù)以命令方式傳輸 功能消息被應(yīng)用層所使用 服務(wù)消息 用于列車通信系統(tǒng)自身的管理等 c 監(jiān)視數(shù)據(jù) 是短的幀 主設(shè)備用它作同一總線內(nèi)設(shè)備的狀態(tài)校驗 聯(lián)機(jī)設(shè)備的檢測 主權(quán) 傳輸 列車初運(yùn)行和其它管理功能 介質(zhì)訪問形式 MVB 總線支持 RS485 銅介質(zhì)和光纖 其物理層的數(shù)據(jù)格式為 1 5Mbps 串 行曼徹斯特編碼數(shù)據(jù) MVB 的介質(zhì)訪問是由總線管理器 BA 進(jìn)行管理的 總線管理器 BA 是唯一的總線主設(shè)備 所有其它設(shè)備都是從設(shè)備 主設(shè)備按照某種預(yù)定的順序?qū)Χ丝谶M(jìn)行周期性輪詢 在周期的 間隔中 主設(shè)備轉(zhuǎn)而處理偶發(fā)性請求 可靠性措施 MVB 容錯措施包括 發(fā)送的完整性 鏈路層有擴(kuò)充的檢錯機(jī)制 該機(jī)制提供的漢明碼距為 8 可檢測位 幀和同 步錯誤 故障的獨立性 通常對銅介質(zhì)進(jìn)行完全雙份配置 以確保設(shè)備故障的獨立性 發(fā)送的可用性 可用性可以通過介質(zhì)冗余 電源冗余 管理器冗余等措施得以提高 2 MVB 系統(tǒng)的基本需求如下系統(tǒng)的基本需求如下 a 完全與 IEC 61375 1 TCN 國際標(biāo)準(zhǔn)兼容 支持 MVB 總線定義的三種數(shù)據(jù)類型過程數(shù) 據(jù) 消息數(shù)據(jù) 監(jiān)視數(shù)據(jù) b 系統(tǒng)可配置成為 i 總線管理器 BA 功能 ii 總線管理器 BA 功能和通信功能 iii 獨立的通信功能 c 采用 ARM7TDMI 的處理器 第 14 頁 共 19 頁 d 采用實時操作系統(tǒng) e 供 TCN 的實時協(xié)議棧協(xié)議 RTP f 支持 4096 邏輯端口的過程數(shù)據(jù) g 支持與上位 PC104 主機(jī)的雙口 RAM 接口 h 輸入電壓 5V i 工作環(huán)境溫度 40 75 3 其他需求 其他需求 多功能車輛總線 MVB 系統(tǒng)與用戶的列車控制系統(tǒng)同步設(shè)計 有著嚴(yán)格的時間限制 二 步驟二 步驟 2 設(shè)計系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 協(xié)同分配硬件 設(shè)計系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 協(xié)同分配硬件 軟件方面的要求軟件方面的要求 嵌入式系統(tǒng)包含硬件和軟件兩部分 硬件架構(gòu)上以嵌入式處理器為中心 配置存儲器 I O 設(shè)備 通信模塊等必要的外設(shè) 軟件部分以軟件開發(fā)平臺為核心 向上提供應(yīng)用編程接口 API 向下屏蔽具體硬件特性的板級支持包 BSP 嵌入式系統(tǒng)中 軟件和硬件緊密配 合 協(xié)調(diào)工作 共同完成系統(tǒng)預(yù)定的功能 根據(jù) OSI 的七層模型可以確定鏈路層和物理層 由硬件實現(xiàn) 其他各層由軟件實現(xiàn) 如圖 1 圖1 MVB的OSI模型和MVB系統(tǒng)軟硬件劃分 1 嵌入式操作系統(tǒng)選擇 嵌入式操作系統(tǒng)選擇 通常而言 為一個嵌入式系統(tǒng)選擇操作系統(tǒng)要考慮如下幾個因素 操作系統(tǒng)支持的微處理器 操作系統(tǒng)的性能 操作系統(tǒng)的軟件組件和設(shè)備驅(qū)動程序 第 15 頁 共 19 頁 操作系統(tǒng)的調(diào)試工具 開發(fā)環(huán)境 在線仿真器 ICE 編譯器 匯編器 連接器 調(diào)試器以及模擬器等等 操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)兼容性 操作系統(tǒng)的技術(shù)支持程度 操作系統(tǒng)是提供源代碼還是目標(biāo)代碼 操作系統(tǒng)的許可使用情況 操作系統(tǒng)的開發(fā)者聲譽(yù)狀況 根據(jù)系統(tǒng)的需求和以上的原則 在 MVB 系統(tǒng)中采用了 Vxworks 實時操作系統(tǒng) VxWorks 是風(fēng)河公司 Windriver 開發(fā)的實時操作系統(tǒng)之一 以其優(yōu)秀的可靠性 實時性及內(nèi)核的 可裁減性 被廣泛應(yīng)用于通信 軍事 航天 航空 工業(yè)控制等關(guān)鍵行業(yè)領(lǐng)域 其開發(fā)環(huán) 境為 Tornado 2 處理器的選擇 處理器的選擇 在為嵌入式系統(tǒng)選擇處理器時需要考慮以下幾個方面 性能 處理器必須有足夠的性能執(zhí)行任務(wù)和支持產(chǎn)品生命周期 工具支持 支持軟件創(chuàng)建 調(diào)試 系統(tǒng)集成 代碼調(diào)整和優(yōu)化工具對整體項目成功 與否非常關(guān)鍵 操作系統(tǒng)支持 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用需要使用有幫助的抽象來減少其復(fù)雜性 開發(fā)人員過去的處理器經(jīng)驗 擁有處理器或處理器系列產(chǎn)品的開發(fā)經(jīng)驗可以減少可 觀的學(xué)習(xí)新處理器 工具和技術(shù)的時間 成本 功耗 產(chǎn)品上市時間 技術(shù)支持等等 在本系統(tǒng)的設(shè)計中 綜合以上各方面的因素 考慮到處理器性能 操作系統(tǒng)支持以及列車 上嚴(yán)酷的工業(yè)環(huán)境等等 在 MVB 系統(tǒng)中選用了 ATMEL 用于工業(yè)控制領(lǐng)域的工業(yè)級的 AT91 系列 ARM 處理器 AT91M40800 它是基于 ARM7TDMI 內(nèi)核 內(nèi)含高性能的 32 位 RISC 處理器 16 位高集成度指令集 8KB 片上 SRAM 可編程外部總線接口 EBI 3 通道 16 位計數(shù)器 定時器 32 個可編程 I O 口 中斷控制器 2 個 USART 可編程看門狗 定時器 主時鐘電路和 DRAM 時序控制電路 并配有高級節(jié)能電路 同時 可支持 JTAG 調(diào)試 主頻可達(dá)到 40MHz 3 相關(guān)外部設(shè)備的選擇 相關(guān)外部設(shè)備的選擇 在確定操作系統(tǒng)和處理器之后 就可以確定相關(guān)的外部設(shè)備 如 FLASH RAM 串口等等 在 MVB 系統(tǒng)中 MVB 控制器 MVBC Multifunction Vehicle Bus Controller 是一個 MVB 電路和實際的物理設(shè)備之間的接口控制器 它的主要功能是實現(xiàn) MVB 總線信號與數(shù)據(jù)幀的 編解碼 糾錯等功能 是本系統(tǒng)中要實現(xiàn)的關(guān)鍵的硬件模塊 由于系統(tǒng)規(guī)模 上市時間等 方面的要求 系統(tǒng)暫時不考慮 ASIC 實現(xiàn) 因此在 MVB 系統(tǒng)中用 FPGA 來實現(xiàn)這個關(guān)鍵模 塊 FPGA 是 ASIC 最靈活和最合算的替代方案 考慮到系統(tǒng)需求與 FPGA 資源 成本 供貨情況等因素 最終選擇了 Altera 公司的 Cyclone 系列 FPGA 其開發(fā)工具是 Quartus II 4 MVB 系統(tǒng)架構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu) 第 16 頁 共 19 頁 由以上的需求分析和選型 完整的系統(tǒng)硬件架構(gòu)和軟件架構(gòu)如圖 2 圖 3 所示 圖2 MVB系統(tǒng)的硬件架構(gòu) 圖3 MVB系統(tǒng)的軟件架構(gòu) 其中 處理器和 MVBC 通過 Traffic Memory TM 進(jìn)行通訊數(shù)據(jù)交換 所有軟件和 MVBC 要交換的控制信息和數(shù)據(jù)都可以在 TM 地址空間中找到 這個地址空間對處理器和 MVBC 都是可訪問的 其示意圖 4 如下 第 17 頁 共 19 頁 圖4 Traffic Memory 三 步驟三 步驟 3 詳細(xì)的軟硬件設(shè)計和 詳細(xì)的軟硬件設(shè)計和 RTL 代碼 軟件代碼開發(fā)代碼 軟件代碼開發(fā) 在系統(tǒng)架構(gòu)確定的基礎(chǔ)上 詳細(xì)的軟硬件設(shè)計就可以開始了 1 硬件設(shè)計 硬件設(shè)計 硬件設(shè)計設(shè)計包括了 MVB 控制器的 FPGA 設(shè)計和 MVB 總線系統(tǒng)的板級設(shè)計 其中關(guān)鍵的 MVB 控制器的設(shè)計如圖 5 如圖所示 MVB 控制器 包含以下功能模塊 編碼器 產(chǎn)生曼 徹斯特編碼 傳 送數(shù)據(jù)幀 發(fā)送緩沖區(qū) 作 為要發(fā)送的數(shù)據(jù) 和 CRC 檢測值 的緩沖區(qū) 譯碼器 接收 曼徹斯特譯碼 數(shù)據(jù)提取 數(shù)據(jù)錯誤檢測 接收緩沖區(qū) 作為接收端數(shù)據(jù)和 CRC 結(jié)果的緩沖區(qū) 報文分析單元 檢測主幀和從幀超時 幀誤檢測 錯誤狀態(tài)報告 狀態(tài)控制寄存器 MVBC 配置 主控單元 支持 MVBC 作為主設(shè)備或者從設(shè)備工作 支持隊列消息傳送 設(shè)備地址讀取和儲存單元