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 簡單地總結(jié)一下硬件開發(fā)的基本過程： 1、明確硬件總體需求情況，如 理能力、存儲容量及速度、 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，包括繪制硬件原理圖、軟件功能框圖、時完成開發(fā)元 器件清單。 4、做好 后，對原理設(shè)計中的各個功能單元進行焊接調(diào)試，必要時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)過調(diào)試后原理及 計上有所調(diào)整，需要二次投板。 6、可靠性測試、穩(wěn)定性測試，通過驗收，項目完成！ 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)計的規(guī)劃創(chuàng)造能力； （ 2）熟練運用設(shè)計工具，設(shè)計原理圖、 （ 3）熟練運用單片機、 進行軟硬件開發(fā)調(diào)試的 能力； （ 4）熟練運用仿真工具、示波器、信號發(fā)生器、邏輯分析儀等調(diào)測硬件的能力； （ 5）掌握常用的標(biāo)準(zhǔn)電路的設(shè)計能力，如復(fù)位電路、常用濾波器電路、功放電路、高速信號傳輸線的匹配電路等； （ 6）故障定位、解決問題的能力； （ 7）設(shè)計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 1、 啟動一個硬件開發(fā)項目 原始的推動力會來自于很多方面，比如市場的需要，基于整個系統(tǒng)架構(gòu)的需要，應(yīng)用軟件部門的功能實現(xiàn)需要，提高系統(tǒng)某方面能力的需要等等 ，所以作為一個硬件系統(tǒng)的設(shè)計者，要主動的去了解各個方面的需求，并且綜合起來，提出最合適的硬件解決方案。比如 A 項目的原始推動力來自于公司內(nèi)部的一個高層軟件小組，他們在實際當(dāng)中發(fā)現(xiàn)原有的處理器板 而對于系統(tǒng)的配置和使用都會造成很大的不便，所以他們提出了對新硬件的需求。 根據(jù)這個目標(biāo)，硬件方案中就針對性的選用了兩個高性能網(wǎng)絡(luò)處理器，然后還需要深入的和軟件設(shè)計者交流，以確定內(nèi)存大小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對外接口和調(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，這樣在 確定內(nèi)部數(shù)據(jù)走向的時候要慎重考慮。 項目開始之初是需要召開很多的討論會議的，應(yīng)該盡量邀請所有相關(guān)部門來參與，好處有三個，第一可以充分了解大家的需要，以免在系統(tǒng)設(shè)計上遺漏重要的功能，第二是可以讓各個部門了解這個項目的情況，提早做好時間和人員上協(xié)作的準(zhǔn)備，第三是從感情方面講，在設(shè)計之初各個部門就參與了進來，這個項目就變成了大家共同的一個心血結(jié)晶，會得到大家的呵護和良好合作，對完成工作是很有幫助的。 2、 原理圖設(shè)計中要注意的問題 原理圖設(shè)計中要有“拿來主義”，現(xiàn)在的芯片廠家一般都可以提供參考設(shè)計的原理圖，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)計包括了電源，時鐘和芯片間的互連。 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； 各個電源需要提供的電流大??；電源電路效率；各個電源能夠允許的波動范圍；整個電源系統(tǒng)需要的上電順序等等。 比如 A 項目中的網(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 且為防止電流過大造成的電壓跌落，加入了遠(yuǎn)端反饋的功能。 時鐘電路的實現(xiàn)要考慮到目標(biāo)電路的抖動等要求， A 項目中用到了 件，剛開始的時候使用一個內(nèi)部帶鎖相環(huán)的零延時時鐘分配芯片提供100鐘，結(jié)果 路上出現(xiàn)了丟包，后來換成簡單的時鐘 件就解決了丟包問題，分析起來就是內(nèi)部的鎖相環(huán)引入了抖動。 芯片之間的互連要保證數(shù)據(jù)的無誤傳輸，在這方面，高速的差分信號線具有速率高，好布線， 信號完整性好等特點， A 項目中的多芯片間互連均采用了高速差分信號線，在調(diào)試和測試中沒有出現(xiàn)問題。 3、 計中要注意的問題 于重要的信號線要非常嚴(yán)格的要求布線的長度和處理地環(huán)路，而對于低速和不重要的信號線就可以放在稍低的布線優(yōu)先級上。重要的部分包括：電源的分割；內(nèi)存的時鐘線，控制線和數(shù)據(jù)線的長度要求；高速差分線的布線等等。 A 項目中使用內(nèi)存芯片實現(xiàn)了 1G 大小的 對這個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?，?shù)據(jù)線和時鐘線 的長度差別控制等方面，在實現(xiàn)的過程中，根據(jù)芯片的數(shù)據(jù)手冊和實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)線長度相差不能超過多少個 個通路之間的長度相差不能超過多少個 等。當(dāng)這些要求確定后就可以明確要求 計人員來實現(xiàn)了，如果設(shè)計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 的自動布線工具軟件來實現(xiàn) 也是在高速 4、 檢查和調(diào)試 當(dāng)準(zhǔn)備調(diào)試一塊板的時候，一定要先認(rèn)真的做好目視檢查，檢查在焊接的過程中是否有可見 的短路和管腳搭錫等故障，檢查是否有元器件型號放置錯誤，第一腳放置錯誤，漏裝配等問題，然后用萬用表測量各個電源到地的電阻，以檢查是否有短路，這個好習(xí)慣可以避免貿(mào)然上電后損壞單板。調(diào)試的過程中要有平和的心態(tài)，遇見問題是非常正常的，要做的就是多做比較和分析，逐步的排除可能的原因，要堅信“凡事都是有辦法解決的”和“問題出現(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)的角度來說，每個設(shè)計最終都可以做出來，但是一個項目的成功與否，不僅僅取決于技術(shù)上的實現(xiàn)，還與完成的時間，產(chǎn)品的 質(zhì)量，團隊的配合密切相關(guān)，所以良好的團隊協(xié)作，透明坦誠的項目溝通，精細(xì)周密的研發(fā)安排，充裕的物料和人員安排，這樣才能保證一個項目的成功。 一個好的硬件工程師實際上就是一個項目經(jīng)理，他 /她需要從外界交流獲取對自己設(shè)計的需求，然后匯總，分析成具體的硬件實現(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 /她要組織同事來進行配合評審和檢查，還要和 程師一起工作來完成 此同時，還要準(zhǔn)備好 單，開始采購和準(zhǔn)備物料，聯(lián)系加工廠家完成板的貼裝。在調(diào)試的過程中他 /她要組織好軟件工程師來一起攻關(guān)調(diào)試，配合測試工程師一起解決測試中發(fā)現(xiàn)的問題，等到產(chǎn)品推出到現(xiàn)場，如果出現(xiàn)問題，還需要做到及時的支持。所以做一個硬件設(shè)計人員要鍛煉出良好的溝通能力，面對壓力的調(diào)節(jié)能力，同一時間處理多個事務(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，因為硬件設(shè)計上的一個小疏忽往往就會造成非常大的經(jīng)濟損失，比如以前碰到一塊板在 測試的時候才發(fā)現(xiàn)短路問題，但是元器件已經(jīng)都焊 接到板上了，結(jié)果造成了幾十萬的損失。所以細(xì)心和認(rèn)真的檢查，負(fù)責(zé)任的測試，不懈的學(xué)習(xí)和積累，才能使得一個硬件設(shè)計人員持續(xù)不斷的進步，而后術(shù)業(yè)有所小成。 如何設(shè)計一個合適的電源 對于現(xiàn)在一個電子系統(tǒng)來說，電源部分的設(shè)計也越來越重要，我想通過和大家探討一些自己關(guān)于電源設(shè)計的心得，來個拋磚引玉，讓我們在電源設(shè)計方面能夠都有所深入和長進。 何來評估一個系統(tǒng)的電源需求 于一個實際的電子系統(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，電源實現(xiàn)的效率，電源部分對負(fù)載變化的瞬態(tài)響應(yīng)能力，關(guān)鍵器件對電源波動的容忍范圍以及相應(yīng)的允 許的電源紋波，還有散熱問題等等。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，對于整個 系統(tǒng)的功率預(yù)算就非常有利了，對比 開關(guān)電源，開關(guān)電源的效率要高一些。同時，評估效率不僅僅是看在滿負(fù)載的時候 電源電路的效率，還要關(guān)注輕負(fù)載的時候效率水平。 至于負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)能力，對于一些高性能的 用就會有嚴(yán)格的要求，因為當(dāng) 要的啟動電流是很大的，如果電源電路響應(yīng)速度不夠，造成瞬間電壓下降過多過低，造成 行出錯。 一般來說，要求的電源實際值多為標(biāo)稱值的 5%，所以可以據(jù)此計算出允許的電源紋波，當(dāng)然要預(yù)留余量的。 散熱問題對于那些大電流電源和 說比較重要，通過計算也是可以評估是否合適的。 何選擇合適的電源實現(xiàn)電路 據(jù)分析系統(tǒng)需求得出的具體技術(shù)指標(biāo)，可以來選擇合適的電源實現(xiàn)電路了。一般對于弱電部分，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， 計最易實現(xiàn)，輸出紋波 小，但缺點是效率有可能不高，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)計靈活，效率高，但紋 波大，實現(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) 多的未使用過開關(guān)電源設(shè)計的工程師會對它產(chǎn)生一定的畏懼心理，比如擔(dān)心開關(guān)電源的干擾問題， 題，元器件的參數(shù)和類型選擇問題等。其實只要了解了，使用一個開關(guān)電源設(shè)計還是非常方便的。 一個開關(guān)電源一般包含有開關(guān)電源控制器和輸出兩部分，有些控制器會將 樣使用就更簡單了，也簡化了 計，但是設(shè)計的靈活性就減少了一些。 開關(guān)控制器基本上就是一個閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)，所以一般都會有一個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)計在于保證精確的采樣電路，還有來控制反饋深度，因為如果反饋環(huán)響應(yīng)過慢的話，對瞬態(tài)響應(yīng)能力是會有很多影響的。 而輸出部分設(shè)計包含了輸出電容，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 會增加干擾和對 開關(guān)損耗，從而效率降低。使用低的開關(guān)頻率帶來的結(jié)果則是相反的。 對于輸出電容的 數(shù)選擇也是非常關(guān)鍵的，小的 以減小輸出紋波，但是電容成本會增加，好的電容會貴嘛。開關(guān)電源控制器驅(qū)動能力也要注意，過多的 一般來說，開關(guān)電源控制器的供應(yīng)商會提供具體的計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)驗可以共享給大家 1: 電源電路的輸出輸出通過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: 一般來說開關(guān)控制器是閉環(huán)系統(tǒng)，如果輸出惡化的情況超過了閉環(huán)可以控制的范圍，開關(guān)電源就會工作不正常， 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性措施，目的是把雷電產(chǎn)生的雷擊電流通過避雷針引入到大地，從而起到保護建筑物的作用。同時，接地也 是保護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，設(shè)備的外殼就會有危險電壓產(chǎn)生，由此生成的故障電流就會流經(jīng)而起到保護作用。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)備之間信號的互連要求各設(shè)備都要有一個基準(zhǔn)地作為信號的參考地。而且隨著電子設(shè)備的復(fù)雜化，信號頻率越來越高，因此，在接地設(shè)計中，信號之間的互擾等電磁兼容問題必須給予特別關(guān)注，否則，接地不當(dāng)就會嚴(yán)重影響系統(tǒng)運行的可靠性和 穩(wěn)定性。最近，高速信號的信號回流技術(shù)中也引入了“地”的概念。 地的定義 在現(xiàn)代接地概念中、對于線路工程師來說，該術(shù)語的含義通常是線路電壓的參考點；對于系統(tǒng)設(shè)計師來說，它常常是機柜或機架；對電氣工程師來說，它是綠色安全地線或接到大地的意思。一個比較通用的定義是“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 G保護地或機殼； 流 48V(+24V)電源（電池）回流； 工作地； 字地； 擬地； 雷保護地 適的接地方式 接地有多種方式，有單點接地，多點接地以及混合類型的接地。而單點接地又分為串聯(lián)單點接地和并聯(lián)單點接地。一般來說，單點接地用于簡單電路，不同功能模塊之間接地區(qū)分，以及低頻（ 路時就要采用多點接地了或者多層板（完整的地平面層）。 號回流和跨分割的介紹 于一個電子信號來說，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 個信號回流就變得非常的關(guān)鍵。 第一，根據(jù)公式可以知道，輻射強度是和回路面積成正比的，就是說回流需要走的路徑越長，形成的環(huán)越大，它對外輻射的干擾也越大，所以， 第二，對于一個高速信號來說，提供有好的信號回流可以保證它的信號質(zhì)量，這是因為電源層）為參考來計算的，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，這樣阻抗就會發(fā)生變化，不連續(xù)的阻抗從而會影響到信號的完整性。所以，布線的 時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，為什么說布線的時候盡量不要跨電源分割，這也是因為信號跨越了不同電源層后，它的回流途徑就會很長了，容易受到干擾。當(dāng)然，不是嚴(yán)格要求不能跨越電源分割，對于低速的信號是可以的，因為產(chǎn)生的干擾相比信號可以不予關(guān)心。對于高速信號就要認(rèn)真檢查，盡量不要跨越，可以通過調(diào)整電源部分的走線。（這是針對多層板多個電源供應(yīng)情況說的） 什么要將模擬地和數(shù)字地分開，如何分開 ? 擬信號和數(shù)字信號都要回流到 地，因為數(shù)字信號變化速度快，從而在數(shù)字地上引起的噪聲就會很大，