硬件電路設(shè)計(jì)流程系列--方案設(shè)計(jì)

1、平臺(tái)的選擇很多時(shí)候和系統(tǒng)選擇的算法是相關(guān)的， 所以如果要提高架構(gòu)， 平臺(tái)的 設(shè)計(jì)能力，得不斷提高自身的算法設(shè)計(jì)，復(fù)雜度評估能力，帶寬分析能力。常用的主處理器芯片有：單片機(jī)，ASIC, RISC（DECAIpha> ARC ARM MIPS PowerPCSPAR（和SuperH ） , DSP和FPGA等，這些處理器的比較在網(wǎng)上有很多的文章， 在這里不老生常談了，這里只提 1 個(gè)典型的主處理器選型案例。比如市場上現(xiàn)在有很多高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)（HD-IPNC的設(shè)計(jì)需求，而IPNC的解決方案也層出不窮，TI的解決方案有DM355 DM365 DM368等，海思提供的方案 則有 Hi3512、Hi

2、3515、Hi3520 等，NXF提供的方案有 PNX17O0 PNX1005等。對于HD-IPNC的主處理芯片，有幾個(gè)主要的技術(shù)指標(biāo)：視頻分辨率，視頻編碼器 算法，最高支持的圖像抓拍分辨率，CMO的圖像預(yù)處理能力，以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧 的開發(fā)平臺(tái)。Hi3512 單芯片實(shí)現(xiàn) 720P30 編解碼能力，滿足高清 IP Camera 應(yīng)用, Hi3515 可 實(shí)現(xiàn)1080P30的編解碼能力，持續(xù)提升高清IP Camera的性能。DM355單芯片實(shí)現(xiàn)720P30 MPEG編解碼能力，DM365單芯片實(shí)現(xiàn)720P30編解碼 能力,DM368單芯片實(shí)現(xiàn)1080P30編解碼能力。DM355是 2007 Q3推出

3、的，DM365是 2009 Q1 推出的，DM368是 2010 Q2推出的。 海思的同檔次解決方案也基本上與之同時(shí)出現(xiàn)。海思和 TI 的解決方案都是基于 Iinux ，對于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的開發(fā)而言，開源社區(qū) 的資源是沒有區(qū)別的，區(qū)別的只在于芯片供應(yīng)商提供的 SDK開發(fā)包，兩家公司的 SDK離產(chǎn)品都有一定的距離，但是linux的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)并不是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，所以 并不影響產(chǎn)品的推廣。作為IPNC的解決方案，在720P時(shí)代，海思的解決方案相對于 TI的解決方案， 其優(yōu)勢是支持了編解碼算法，而 TI只支持了 MPEG的編解碼算法。雖然在2008 年初，MPEG的劣勢在市場上已經(jīng)開始體現(xiàn)出來，但在當(dāng)時(shí)這似

4、乎并不影響DM355 的推廣。對于最高支持的圖像抓拍分辨率，海思的解決方案可以支持支持JPEG抓拍3MPixels5fps，DM355最高可以支持5M Pixels，雖然當(dāng)時(shí)沒有成功的開發(fā)成 5M Pixel 的抓拍（內(nèi)存分配得有點(diǎn)兒問題，后來就不折騰了），但是至少 4MPixel 的抓拍是實(shí)現(xiàn)了的，而且有幾個(gè)朋友已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了2560x1920這個(gè)接近5M Pixel的抓拍，所以在這一點(diǎn)上 DM355稍微勝出。因?yàn)樵诟咔宸直媛氏?，CCD專感器非常昂貴，而CMO傳感器像原尺寸又做不大， 導(dǎo)致本身在低照度下就性能欠佳的 CMO專感器的成像質(zhì)量在高分辨率時(shí)變差，于是TI在DM355處理器內(nèi)部集成了一個(gè)

5、叫做ISP的圖像預(yù)處理模塊，它由CCDC IPIPE，IPIPEIF和H3A模塊組成，能幫助實(shí)現(xiàn)把CMO的 RAW DATA一般是指 Bayer格式數(shù)據(jù)）轉(zhuǎn)成YCbCr數(shù)據(jù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)包括白平衡調(diào)節(jié)，直方圖統(tǒng)計(jì)，自 動(dòng)曝光，自動(dòng)聚焦等采用 CMO解決方案所必須的功能，故 DM355處理器就可以 無縫的對接各種圖像傳感器了。而海思的解決方案對于CMOS勺選擇就有局限性， 它只能用OVT些解決方案，因?yàn)镺VT的部分Sensor集成了圖像預(yù)處理功能。 但是DM355不僅可以接OVT的解決方案，還可接很多其他廠家的 CMOS sen so， 比如Aptina的MT9P031所以在圖像預(yù)處理能力方面， D

6、M3551續(xù)勝出。在IPNC這個(gè)領(lǐng)域，只要每臺(tái)掙1個(gè)美金就可以開始跑量，所以在那個(gè)時(shí)代，很 少有人會(huì)去死摳和MPEG4勺性能差異，而且TI已經(jīng)給了市場一個(gè)很好的預(yù)期， 支持的DM36旨艮快就會(huì)面世。所以IPNC這個(gè)方案而言，當(dāng)時(shí)很多企業(yè)都選擇了 DM355的方案。有些朋友現(xiàn)在已經(jīng)從 DM355成功過渡到DM365 DM368雖然你有 時(shí)候會(huì)罵 TI ，為什么技術(shù)不搞得厲害點(diǎn)，在當(dāng)年就一步到位，浪費(fèi)了多少生產(chǎn) 力。但是技術(shù)就是一點(diǎn)一點(diǎn)積累起來，對于個(gè)人來不得半點(diǎn)含糊，對于大企業(yè)， 他們也無法大躍進(jìn)。DM355勺CMO預(yù)處理技術(shù)也有很多Bug, SDK也有很多bug, 有時(shí)會(huì)讓你又愛又恨， 但是技

7、術(shù)這東西總是沒有十全十美的， 能在特定的歷史條 件下，滿足市場需求，那就是個(gè)好東西。當(dāng)然海思的解決方案在DVS DVF方面也大放異彩，一點(diǎn)也不遜色于TI的解決方 案。其它芯片的選型則可以參考各芯片廠商官方網(wǎng)站的芯片手冊，進(jìn)行PK目前大部分芯片廠商的芯片手冊都是免 NDA下載的，如果涉及到NDA'可題，那就得看個(gè) 人和公司的資源運(yùn)作能力了，一般找一下國內(nèi)相應(yīng)芯片的總代理商，溝通一下， 簽個(gè)NDA還是可以要到相應(yīng)資料的。每隔一周上各 IC大廠的官方主頁，關(guān)注一 下芯片發(fā)展的動(dòng)態(tài)這是每個(gè)電子工程師的必須課啊， 這不僅為了下一個(gè)方案設(shè)計(jì) 積累了足夠的資本，也為公司的產(chǎn)品策略做足了功課。芯片采購

8、是電子電路設(shè)計(jì)過程中不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)。一般情況下，在各 IC 大 廠上尋找的芯片，只要不是EOL掉的芯片，一般都能米購到。但是作為電子電路 的設(shè)計(jì)者，很少不在芯片采購問題上栽過。常見的情況有以下幾種：1，遇到經(jīng)濟(jì)危機(jī)，各IC廠商減產(chǎn)，導(dǎo)致芯片供貨周期變長，有些IC廠商甚至 提出 20 周貨期的訂貨條件。印象很深的 2009年上半年訂包 PTH08T240WA， D4-6 周就取到了貨， 可是到了 2009年下半年， 要么是 20周貨期， 要么就是價(jià)格翻一 番，而且數(shù)量只有幾個(gè)。2， 有些芯片雖然在 datasheet 上寫明了有工業(yè)級產(chǎn)品， 但是由于市場上用量非 常少，所以導(dǎo)致 IC 廠商生

9、產(chǎn)非常少，市場供貨也非常緊缺，這就讓要做寬溫工 業(yè)級產(chǎn)品的企業(yè)或者軍工級產(chǎn)品的企業(yè)付出巨大的代價(jià)。3， 有些芯片廠商的代理渠道控制得非常嚴(yán)格， 一些比較新的芯片在一般的貿(mào)易 商那采購不到，只能從代理商那訂。如果數(shù)量能達(dá)到一個(gè)MPQ或者M(jìn)OQ勺要求，一般代理商就會(huì)幫你采購。 但是如果只是要一兩個(gè)工程樣品， 那么就得看你和代 理商勺關(guān)系了， 如果你剛進(jìn)入這個(gè)行業(yè)勺話， 那很有可能你就無法從代理商這獲 得這個(gè)工程樣片。4， 有些芯片是有限售條件， 如果芯片是對中國限售而不對亞洲限售勺話， 一般 可以通過新加坡搞進(jìn)來， 如果芯片是對亞洲限售勺話， 那采購難度得大大勺增加， 采購勺價(jià)格也會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出你勺想

10、象空間。先看一個(gè)芯片采購案例：之前我給一朋友推薦了一個(gè)FPGA芯片，他后來給我發(fā)了一段聊天記錄，如下：2010-8-3 9:13:12 A B XC6SLX16-2CSG225C 訂貨2010-8-3 9:22:10 B A 訂貨多久呢2010-8-3 9:22:37 A B 2 周2010-8-13 14:22:47 A B XC6SLX16-2CSG225C 這個(gè)型號，你那天跟我定勺，本 來是貨期兩周勺， 但是這個(gè)型號屬于敏感型號， 禁運(yùn)國內(nèi)勺， 我們要第三方去代 購，所以現(xiàn)在貨期要 5 周左右，你看能接受嗎注：B為芯片采購商，A為芯片供應(yīng)商回顧一下當(dāng)時(shí)發(fā)生勺情形：2010-8-3，B設(shè)計(jì)

11、好方案，確定好芯片型號后，因?yàn)樾酒吞柋容^新，害怕芯片 買不到，于是向芯片供應(yīng)商A確定了一下芯片的貨源情況，當(dāng)獲知價(jià)格和貨期之 后，B非常高興，非常滿意地跟我說，你推薦的芯片性價(jià)比真不錯(cuò)，等原理圖設(shè) 計(jì)完之后，就馬上去訂貨。2010-8-13，B設(shè)計(jì)完原理圖后，B要向A下單時(shí)，突然收到A的上述回復(fù)，于是 他一下子就蒙了，因?yàn)?周就可以完成PCBayout，1周就可以完成PCB加工生 產(chǎn)。也就意味著B即使2010-8-13下單，也得干等2周的時(shí)間才能開始焊接調(diào)試。（最后A這供應(yīng)商又獲知這芯片是對中國禁售的，沒有辦法幫B搞定，最后B從另外一家芯片貿(mào)易商那花了 5 周的時(shí)間才采購到，而且價(jià)格漲到了

12、450）耽誤 2 周可能還算是少的了，遇到其他特殊情況，芯片搞不到也都是有可能的， 如果是原理圖設(shè)計(jì)好了之后遇到這種情況的話，那簡直就要哭了，如果是等 PCB layout 好了之后再遇到這種情況的話，那就是欲哭無淚了。所以建議在芯片方案確定之后， 就馬上下單采購芯片， 芯片詢價(jià)時(shí)獲得的價(jià)格和 貨期消息有時(shí)并不一定準(zhǔn)確，因?yàn)?IC 行業(yè)的數(shù)據(jù)庫的更新有時(shí)具有一定的滯后 性，只有下單后等到供應(yīng)商的合同確認(rèn)，那才算塵埃落定。分析系統(tǒng)主芯片對紋波的要求由于直流穩(wěn)定電源一般是由交流電源經(jīng)整流穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)而形成的， 這就不 可避免地在直流穩(wěn)定量中多少帶有一些交流成份， 這種疊加在直流穩(wěn)定量上的交 流分量就

13、稱之為紋波， 紋波對系統(tǒng)有很多負(fù)面的影響， 比如紋波太大會(huì)造成主處 理器芯片的重啟，或者給某些 AD DA引入噪聲。一個(gè)典型的現(xiàn)象就是，如果電 源的紋波疊加到音頻DA芯片的輸出上，則會(huì)造成嗡嗡的雜音。下表是設(shè)計(jì)中所 使用芯片對紋波的要求， 以及電源芯片能夠提供的紋波范圍， 紋波是選擇電源芯 片的重要參數(shù)，這里只列舉一兩個(gè)芯片進(jìn)行說明：芯片紋波統(tǒng)計(jì)表分析系統(tǒng)主芯片的電壓上電順序要求 當(dāng)今的大多數(shù)電子產(chǎn)品都需要使用多個(gè)電源電壓。 電源電壓數(shù)目的增加帶來了一 項(xiàng)設(shè)計(jì)難題， 即需要對電源的相對上電和斷電特性進(jìn)行控制， 以消除數(shù)字系統(tǒng)遭 受損壞或發(fā)生閉鎖的可能性。 一般這個(gè)在芯片手冊中會(huì)有詳細(xì)說明， 建

14、議遵守芯 片手冊中的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。分析系統(tǒng)所有芯片的功耗 統(tǒng)計(jì)板卡上用到的所有芯片的功耗， 大部分芯片的功耗在芯片手冊上都有詳細(xì)說 明，部分芯片的功耗在手冊上沒有明確寫明，比如FPG A這時(shí)候可以根據(jù)以往設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)值，或者事先將FPGA勺邏輯寫好，借助EDA工具進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，比如ISE 的 Xpower Analyzer ，下面的表格是一個(gè)功耗分析的統(tǒng)計(jì)案例。注：因?yàn)閿?shù)據(jù)比 較多，所以這里只選擇了的幾個(gè)芯片作為代表進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。論證選擇的電源方案能否滿足以上的所有要求根據(jù)對上電順序的要求， 紋波以及功耗的分析， 選擇正確的電源方案。 電源設(shè)計(jì) 是一個(gè)細(xì)活，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)整理是一個(gè)不可缺少的工種， 養(yǎng)成良好的

15、設(shè)計(jì)習(xí)慣， 是“一 板通”必需的環(huán)節(jié)。電源方案的選擇， 學(xué)問非常多， 分析的文章更是數(shù)不勝數(shù)。 在這里只列舉幾個(gè)規(guī) 律性的東西。在消費(fèi)級產(chǎn)品里面， 由于成本非常敏感， 散熱要求比較高， 所以一般傾向于 DC/DC 的解決方案，而且現(xiàn)在越來越多傾向于 Power Management Multi-Channel IC(PMIC的解決方案。DC/DC勺一個(gè)比較大的缺點(diǎn)就是紋波大，另外如果電感和 電容設(shè)計(jì)不合理的話，電壓就會(huì)很不穩(wěn)定。印象非常深的就是有一次用 DC/DC給FPGA供電時(shí)，根據(jù)FPGA勺PowerDistribution System (PDS) 分析，加了足夠多的 330uF鉭電容，結(jié)果 DC/DC就 經(jīng)常出問題，所以DC/DC的設(shè)計(jì)一定要細(xì)心。大功率電路設(shè)計(jì)時(shí)，電感的選擇也 非常的關(guān)鍵，參考設(shè)計(jì)中很多電感型號在北京中發(fā)電子市場或者深圳賽格廣場上 都是買不到的，而