干货:嵌入式系统设计开发大全!(万字总结)

21ic电子网 2020-10-24

出品 21ic中国电子网 付斌整理

网站:21ic.com

01

嵌入式系统设计方法变化的背景


嵌入式系统设计方法的演化总的来说是因为应用需求的牵引和IT技术的推动,随着微电子技术的不断创新和发展,大规模集成电路的集成度和工艺水平不断提高。硅材料与人类智慧的结合,生产出大批量的低成本、高可靠性和高精度的微电子结构模块,推动了一个全新的技术领域和产业的发展。

在此基础上发展起来的器件可编程思想和微处理(器)技术可以用软件来改变和实现硬件的功能。微处理器和各种可编程大规模集成专用电路、半定制器件的大量应用,开创了一个崭新的应用世界,以至广泛影响着并在逐步改变着人类的生产、生活和学习等社会活动。

计算机硬件平台性能的大幅度提高,使很多复杂算法和方便使用的界面得以实现,大大提高了工作效率,给复杂嵌入式系统辅助设计提供了物理基础。

高性能的EDA综合开发工具(平台)得到长足发展,而且其自动化和智能化程度不断提高,为复杂的嵌入式系统设计提供了不同用途和不同级别集编辑、布局、布线、编译、综合、模拟、测试、验证和器件编程等一体化的易于学习和方便使用的开发集成环境。

硬件描述语言HDL(Hardware DescrIPtion Language)的发展为复杂电子系统设计提供了建立各种硬件模型的工作媒介。它的描述能力和抽象能力强,给硬件电路,特别是半定制大规模集成电路设计带来了重大的变革。目前,用得较多的有已成为IEEE为 STD1076标准的VHDL、IEEE STD 1364标准的Verilog HDL和Altera公司企业标准的AHDL等。
  
由于HDL的发展和标准化,世界上出现了一批利用HDL进行各种集成电路功能模块专业设计的公司。其任务是按常用或专用功能,用HDL来描述集成电路的功能和结构,并经过不同级别的验证形成不同级别的IP内核模块,供芯片设计人员装配或集成选用。
  
IP(Intellectual Property)内核模块是一种预先设计好的甚至已经过验证的具有某种确定功能的集成电路、器件或部件。它有几种不同形式。IP内核模块有行为(behavior)、结构(structure)和物理(physical)3级不同程度的设计,对应有主要描述功能行为的“软IP内核(soft IP core)”、完成结构描述的“固IP内核(firm IP core)”和基于物理描述并经过工艺验证的“硬IP内核(hard IP core)”3个层次。这相当于集成电路(器件或部件)的毛坯、半成品和成品的设计技术。
  
软IP内核通常是用某种HDL文本提交用户,它已经过行为级设计优化和功能验证,但其中不含有任何具体的物理信息。据此,用户可以综合出正确的门电路级网表,并可以进行后续结构设计,具有最大的灵活性,可以很容易地借助于EDA综合工具与其他外部逻辑电路结合成一体,根据各种不同的半导体工艺,设计成具有不同性能的器件。可以商品化的软IP内核一般电路结构总门数都在5000门以上。但是,如果后续设计不当,有可能导致整个结果失败。软IP内核又称作虚拟器件。
  
硬IP内核是基于某种半导体工艺的物理设计,已有固定的拓扑布局和具体工艺,并已经过工艺验证,具有可保证的性能。其提供给用户的形式是电路物理结构掩模版图和全套工艺文件,是可以拿来就用的全套技术。
  
固IP内核的设计深度则是介于软IP内核和硬IP内核之间,除了完成硬IP内核所有的设计外,还完成了门电路级综合和时序仿真等设计环节。一般以门电路级网表形式提交用户使用。

TI,Philips和Atmel等厂商就是通过Intel授权,用其MCS51的IP内核模块结合自己的特长开发出有个性的与Intel MCS51兼容的单片机。

常用的IP内核模块有各种不同的CPU(32/64位CISC/RISC结构的CPU或8/16位微控制器/单片机)、32/64位 DSP、DRAM、SRAM、MRAM、EEPROM、Flashmemory、A/D、D/A、MPEG/JPEG、USB、PCIe、、MIPI、标准接口、网络单元、编译器、编码/解码器和模拟器件模块等。丰富的IP内核模块库为快速地设计专用集成电路和单片系统以及尽快占领市场提供了基本保证。

软件技术的进步,特别是嵌入式实时操作系统EOS(Embedded Operation System)和RTOS的推出,为开发复杂嵌入式系统应用软件提供了底层支持和高效率开发平台。

02

嵌入式系统设计方法的变化


过去擅长于软件设计的编程人员一般对硬件电路设计“敬而远之”,硬件设计和软件设计被认为是性质完全不同的技术。

随着电子信息技术的发展,电子工程出身的设计人员,往往还逐步涉足软件编程。其主要形式是通过微控制器(国内习惯称作单片机)的应用,学会相应的汇编语言编程。在设计规模更大的集散控制系统时,必然要用到已普及的PC机,以其为上端机,从而进一步学习使用C、C++、Python等高级语言编程作系统程序,设计系统界面,通过与单片机控制的前端机进行多机通信构成集中分布控制系统。

软件编程出身的设计人员则很少有兴趣去学习应用电路设计。但是,随着计算机技术的飞速发展,特别是硬件描述语言HDL的发明,系统硬件设计方法发生了变化,数字系统的硬件组成及其行为完全可以用HDL来描述和仿真。在这种情况下,设计硬件电路不再是硬件设计工程师的专利,擅长软件编程的设计人员可以借助于HDL工具来描述硬件电路的行为、功能、结构、数据流、信号连接关系和定时关系,设计出满足各种要求的硬件系统。
 
EDA工具允许有两种设计输入工具,分别适应硬件电路设计人员和软件编程人员两种不同背景的需要。让具有硬件背景的设计人员用已习惯的原理图输入方式,而让具有软件背景的设计人员用硬件描述语言输入方式。由于用HDL描述进行输入,因而与系统行为描述更接近,且更便于综合、时域传递和修改,还能建立独立于工艺的设计文件,所以,擅长软件编程的人一旦掌握了HDL和一些必要的硬件知识,往往可以比习惯于传统设计的工程师设计出更好的硬件电路和系统。所以,习惯于传统设计的工程师应该学会用HDL来描述和编程。 


为什么在大部分毕业生眼中,只有嵌入式、单片机、ARM、FPGA才是技术呢?现在的高校,几乎都开设这方面的专业,这方面固然有很多高层次人才,高待遇的,但这个东西并不是适合所有人的,大部分起点低的,或者年级偏大的,其实不应该去做这些东西。
 
现在的嵌入式都是快餐,随着大学生的不停涌入,价值越来越低,并且这些群体大部分都能做出东西来,却就是做不稳定,最后就是白菜价格也卖不出去,而根本点在于缺少对生产、质量、售后、测试、模拟基础功底的漠视。
 
中国发展这么多年,本质上讲,真正赚钱的,还是这帮搞生产,抓质量,懂销售的群体赚钱,绝对不是研发技术人员。但技术人员,总是把技术举得高高的,而支撑技术变成产品再销售出去的环节,则非常漠视,最后一辈子只能打工。相反,若抓其他几个环节,则完全可以发展出来当老板,自己聘请技术人员即可。
 
到今天为止,一个公司的倒闭,没有几个是因为技术问题导致的,大多数都是因为其他原因,比如市场、生产、品质等等。赚钱是一个体系,研发只是其中一块。

可以说,对于国内大部分公司来说,就今天来说,贸、工、技路线远比技、工、贸容易成功的多。
 
21ic援引一位标准的技术人员的话:现在我教给我同事的,大部分都是工厂的东西:一看、二想、三做、四检查。其次就是基于事实,用常理去推理分析,让他们舍去所谓的高科技,把常理用好。通过这两点来做各种事情,而不仅仅限于技术。同时,尽可能避开大家做的东西,大家都喜欢做嵌入式,那我们就做给嵌入式配套的设备,或者嵌入式群体做不了的设备,只有这样,才能获得高额的利润。


03

嵌入式系统设计的3个层次


21ic家了解到,嵌入式系统设计有3个不同层次:

第1层次:以PCB CAD软件和ICE为主要工具的设计方法

这是过去直至现在我国单片机应用系统设计人员一直沿用的方法,其步骤是先抽象后具体。
  
抽象设计主要是根据嵌入式应用系统要实现的功能要求,对系统功能细化,分成若干功能模块,画出系统功能框图,再对功能模块进行硬件和软件功能实现的分配。
  
具体设计包括硬件设计和软件设计。硬件设计主要是根据性能参数要求对各功能模块所需要使用的元器件进行选择和组合,其选择的基本原则就是市场上可以购买到的性价比最高的通用元器件。必要时,须分别对各个没有把握的部分进行搭试、功能检验和性能测试,从模块到系统找到相对优化的方案,画出电路原理图。硬件设计的关键一步就是利用印制板(PCB)计算机辅助设计(CAD)软件对系统的元器件进行布局和布线,接着是印制板加工、装配和硬件调试。
  
工作量最大的部分是软件设计。软件设计贯穿整个系统的设计过程,主要包括任务分析、资源分配、模块划分、流程设计和细化、编码调试等。软件设计的工作量主要集中在程序调试,所以软件调试工具就是关键。最常用和最有效的工具是在线仿真器(ICE)。
  
第2层次:以EDA工具软件和EOS为开发平台的设计方法

随着微电子工艺技术的发展,各种通用的可编程半定制逻辑器件应运而生。在硬件设计时,设计师可以利用这些半定制器件,逐步把原先要通过印制板线路互连的若干标准逻辑器件自制成专用集成电路(ASIC)使用,这样,就把印制板布局和布线的复杂性转换成半定制器件内配置的复杂性。

然而,半定制器件的设计并不需要设计人员有半导体工艺和片内集成电路布局和布线的知识和经验。随着半定制器件的规模越来越大,可集成的器件越来越多,使印制板上互连器件的线路、装配和调试费用越来越少,不仅大大减少了印制板的面积和接插件的数量,降低了系统综合成本,增加了可编程应用的灵活性,更重要的是降低了系统功耗,提高了系统工作速度,大大提高了系统的可靠性和安全性。
  
这样,硬件设计人员从过去选择和使用标准通用集成电路器件,逐步转向自己设计和制作部分专用的集成电路器件,而这些技术是由各种EDA工具软件提供支持的。
  
半定制逻辑器件经历了可编程逻辑阵列PLA、可编程阵列逻辑PAL、通用阵列逻辑GAL、复杂可编程逻辑器件CPLD和现场可编程门阵列FPGA的发展过程。其趋势是集成度和速度不断提高,功能不断增强,结构趋于更合理,使用变得更灵活和方便。
  
设计人员可以利用各种EDA工具和标准的CPLD和FPGA等,设计和自制用户专用的大规模集成电路。然后再通过自下而上的设计方法,把用半定制器件设计自制的集成电路、可编程外围器件、所选择的ASIC与嵌入式微处理器或微控制器在印制板上布局、布线构成系统。
  
第3层次:以IP内核库为设计基础,用软硬件协同设计技术的设计方法

20世纪90年代后,进一步开始了从“集成电路”级设计不断转向“集成系统”级设计。目前已进入单片系统SOC(System o-n a chip)设计阶段,并开始进入实用阶段。这种设计方法不是把系统所需要用到的所有集成电路简单地二次集成到1个芯片上,如果这样实现单片系统,是不可能达到单片系统所要求的高密度、高速度、高性能、小体积、低电压、低功耗等指标的,特别是低功耗要求。

单片系统设计要从整个系统性能要求出发,把微处理器、模型算法、芯片结构、外围器件各层次电路直至器件的设计紧密结合起来,并通过建立在全新理念上的系统软件和硬件的协同设计,在单个芯片上完成整个系统的功能。有时也可能把系统做在几个芯片上。因为,实际上并不是所有的系统都能在一个芯片上实现的;还可能因为实现某种单片系统的工艺成本太高,以至于失去商业价值。目前,进入实用的单片系统还属简单的单片系统,如智能IC卡等。但几个着名的半导体厂商正在紧锣密鼓地研制和开发像单片PC这样的复杂单片系统。
  
单片系统的设计如果从零开始,这既不现实也无必要。因为除了设计不成熟、未经过时间考验,其系统性能和质量得不到保证外,还会因为设计周期太长而失去商业价值。
  
为了加快单片系统设计周期和提高系统的可靠性,目前最有效的一个途径就是通过授权,使用成熟优化的IP内核模块来进行设计集成和二次开发,利用胶粘逻辑技术GLT(Glue Logic Technology),把这些IP内核模块嵌入到SoC中。IP内核模块是单片系统设计的基础,究竟购买哪一级IP内核模块,要根据现有基础、时间、资金和其他条件权衡确定。

购买硬IP内核模块风险最小,但付出最大,这是必然的。但总的来说,通过购买IP内核模块不仅可以降低开发风险,还能节省开发费用,因为一般购买IP内核模块的费用要低于自己单独设计和验证的费用。当然,并不是所需要的IP内核模块都可以从市场上买得到。为了垄断市场,有一些公司开发出来的关键IP内核模块(至少暂时)是不愿意授权转让使用的。像这样的IP内核模块就不得不自己组织力量来开发。
  
这3个层次各有各的应用范围。从应用开发角度看,在相当长的一段时间内,都是采用前2种方法。第3层次设计方法对一般具体应用人员来说,只能用来设计简单的单片系统。而复杂的单片系统则是某些大的半导体厂商才能设计和实现的,并且用这种方法实现的单片系统,只可能是那些广泛使用、具有一定规模的应用系统才值得投入研制。还有些应用系统,因为技术问题或商业价值问题并不适宜用单片实现。当它们以商品形式推出相应单片系统后,应用人员只要会选用即可。

所以,3个层次的设计方法会并存,并不会简单地用后者取代前者。初级应用设计人员会以第1种方法为主;富有经验的设计人员会以第2种方法为主;很专业的设计人员会用第3种方法进行简单单片系统的设计和应用。但所有的设计人员都可以应用半导体大厂商推出的用第3种方法设计的专用单片系统。

04

嵌入式硬件系统设计


嵌入式设计是个庞大的工程,在软件方面嵌入式ARM已经有了多次介绍,具体可以观看《 深度:嵌入式系统的软件架构设计!》一文。在硬件电路设计方面,21ic家了解到有几个注意事项,首先,咱们了解下嵌入式的硬件构架。

我们知道,CPU是这个系统的灵魂,所有的外围配置都与其相关联,这也突出了嵌入式设计的一个特点硬件可剪裁。在做嵌入式硬件设计中,以下几点需要关注。

 
第一、电源确定

电源对于嵌入式系统中的作用可以看做是空气对人体的作用,甚至更重要:人呼吸的空气中有氧气、二氧化碳和氮气等但是含量稳定,这就相当于电源系统中各种杂波,我们希望得到纯净和稳定符合要求的电源,但由于各种因素制约,只是我们的梦想。这个要关注两个方面:

a、电压
嵌入式系统需要各种量级的电源比如常见的5v、3.3v、1.8v等,为尽量减小电源的纹波,在嵌入式系统中使用LDO器件。如果采用DCDC不仅个头大,其纹波也是一个很头疼的问题。

b、电流
嵌入式系统的正常运行不但需要稳定足够的电源,还要有足够的电流,因此在选择电源器件的时候需要考虑其负载,我设计时一般留有30%的余量。

如果是多层板,电源部分在layout的时候需电源分割,这时需要注意分割路径,尽量将一定量的电源放置在一起。如果是双面板,则走线宽度需要注意,在板子允许的情况下尽量加宽。合适的退耦电容尽量靠近电源管脚。

 
第二、 晶振确定

晶振相当于嵌入式系统的心脏,其稳定与否直接关系其运行状态和通讯性能。常见的振有无源晶振,有源晶振,首先要确定其振荡频率,其次要确定晶振类型。

a、无源晶振
其匹配电容和匹配电阻的选择,这部分一般依据参考手册。在单片机设计中,经常使用插件晶振配合瓷片电容。在ARM中,为了减少空间和便于布线,经常使用四角无源晶振配合贴片电容。虽然我们对于固定晶振的匹配电路比较熟悉,但是为了达到万无一失,还是要看参考手册确定电容大小,是否需要匹配电阻等细节。

b、有源晶振
具有更好的更准确的时钟信号,但是相比之下,比无缘晶振价格高,因此这也是在硬件电路设计中需要关注的成本。

在做电路板设计时需要注意晶振走线尽量靠近芯片,关键信号远离时钟走线。在条件允许的情况下增加接地保护环。如果是多层板,也要讲关键信号远离晶振的走线。

 
第三、 预留测试IO口

在嵌入式调试阶段,在管脚资源丰富的情况下,我通常预留一个IO口连接led或者喇叭,为下一步软件的编写做铺垫。在嵌入式系统运行过程中适当控制该IO接口,从而判断系统是否正常运行。

 
第四、外扩存储设备

一个嵌入式系统如果有电源、晶振和CPU,那么这就是我们熟悉的最小系统。如果该嵌入式系统需要运行大点的操作系统,那么不但需要CPU具有 MMU,CPU还需要外接SDRAM和NANDFLASH。如果该cpu具有SDRAM和NANDFLASH控制器,那么在硬件设计上不用过多的考虑地址线的使用。如果没有相关的控制器,那么需要注意地址线的使用。

这部分在LAYOUT的时候是一个重点,究其原因就是要使相关信号线等长以确保信号的延时相等,时钟和DQS的差分信号线走线。在布线的时候各种布线技巧需要综合使用,例如与cpu对称分布,菊花链布线、T型布线,这都需要依据内存的个数多少来进行选择,一般来说个数越多,布线越复杂,但是知道其关键点,一切迎刃而解。

 
第五、功能接口

一个嵌入式系统最重要的就是通过各种接口来控制外围模块,达到设计者预设的目的。常用的接口有串口(可用来连接蓝牙,wifi和3G等模块),USB接口、 网络接口、JTAG接口、音视频接口、HDMI接口等等。由于这些接口与外部模块连接,做好电磁兼容设计是重要的一项工作。除此之外,在LAYOUT的时候注意差分线的使用。

 
第六、屏幕

这个功能之所以单独列出来,是由于其可有可无。如果一个嵌入式系统只是作为一个连接器连接外围设备模块,通过相关接口连接到电脑主机或者直接挂在网络上,那么屏幕就不需要了。但是如果做出来的是一个消费类产品,与用户交互频繁,这就不得不唠叨几句。

电容屏幕是嵌入式屏幕的首选,在电路设计中需要注意触屏连接线和显示屏连接线的布局。在走线的过程中尽量短的靠近主控cpu,同时注意配对信号走差分线,RGB控制信号走等长。各种信号走线间距遵循3W规则,避免相互干扰。在屏幕的设计中,一定要确保功率和防止干扰,以防屏幕闪屏和花屏现象的出现。

06

嵌入式产品开发流程


嵌入式产品,与普通电子产品一样,开发过程都需要遵循一些基本的流程,都是一个从需求分析到总体设计,详细设计到最后产品完成的过程。但是,与普通电子产品相比,嵌入式产品的开发流程又有其特殊之处。它包含嵌入式软件和嵌入式硬件两大部分,针对嵌入式硬件和软件的开发,在普通的电子产品开发过程中,是不需要涉及的。21ic家了解到嵌入式产品的研发流程具体如下图:

 

下面,针对嵌入式产品的开发过程中的各个阶段,我们进行详细探讨。

阶段1:产品需求


在这一个阶段,我们需要弄清楚的是产品的需求从何而来,一个成功的产品,我们需要满足哪些需求。只有需求明确了,我们的产品开发目标才能明确。在产品需求分析阶段,我们可以通过以下这些途径获取产品需求:
     
1)市场分析与调研,主要是看市场有什么需求,还有就是前沿的技术是什么(站在做一款产品的角度);
2)客户调研和用户定位,从市场广大客户那获取最准确的产品需求(要注意分析市场,产品生命周期,升级是否方便);
3)利润导向(成本预算);
4)如果是外包项目,则需要我们的客户提供产品的需求(直接从客户那获取,让客户签协议);

当一个项目做完的时候,如果客户突然又增加需求,增加功能,将导致你的项目周期严重拖延,成本剧烈上升,并且测试好的产品可能要全部重新测试,原本的设计可能将不会满足当前的要求,所以做项目之前,最好要跟客户把需求确定下来,并且签定一份协议,否则,你辛苦多少个日日夜夜,得到的将是一个无法收拾的烂摊子!

阶段2:产品规格说明


在前一个阶段,我们搜集了产品的所有需求。那么在产品规格说明阶段,我们的任务是将所有的需求,细化成产品的具体的规格,就比如一个简单的USB转串口线,我们需要确定产品的规格,包括:

1)产品的外观;
2)产品支持的操作系统;
3)产品的接口形式和支持的规范;

等等诸如此类,切记,在形成了产品的规格说明后,在后续的开发过程中,我们必须严格的遵守,没有200%的理由,不能随意更改产品的需求。否则,产品的开发过程必将是一个反复无期的过程。

《产品规格说明》主要从以下方面进行考虑:

1)考虑该产品需要哪些硬件接口;
2)产品用在哪些环境下,要做多大,耗电量如何。如果是消费类产品,还跟设计美观,产品是否便于携带,以确定板子大小的需求,是否防水;
3)产品成本要求;
4)产品性能参数的说明(例如交换机,如果是百兆的速率,用于家庭和一般公司;如果是用于整个省的交换,那设计的速率肯定数十万兆以上了)所以说,产品性能参数的不同,就会影响到我们设计考虑的不同,那么产品的规格自然就不同了;
5)需要适应和符合的国家标准,国际标准,或行业标准;

阶段3:产品总体设计方案


在完成了产品规格说明以后,我们需要针对这一产品,了解当前有哪些可行的方案,通过几个方案进行对比,包括从成本、性能、开发周期、开发难度等多方面进行考虑,最终选择一个最适合自己的产品总体设计方案。

在这一阶段,我们除了确定具体实现的方案外,我们还需要综合考虑,产品开发周期,多少人月的工作量,需要哪些资源或者外部协助,以及开发过程中可能遇到的风险及应对措施,形成整个项目的项目计划,指导我们的整个开发过程。 

阶段4:产品概要设计


产品概要设计主要是在总体设计方案的基础上进一步的细化,具体从硬件和软件两方面入手:

硬件模块概要设计

硬件模块概要设计,主要从硬件的角度出发,确认整个系统的架构,并按功能来划分各个模块,确定各个模块的的大概实现。首先要依据我们到底要哪些外围功能以及产品要完成的工作,来进行CPU选型(注意:CPU一旦确定,那么你的周围硬件电路,就要参考该CPU厂家提供的方案电路来设计)。然后再根据产品的功能需求选芯片,比如是外接AD还是用片内AD,采用什么样的通讯方式,有什么外部接口,还有最重要的是要考虑电磁兼容。

一般一款CPU 的生存周期是5-8年,你考虑选型的时候要注意,不要选用快停产的CPU,以免出现这样的结局:产品辛辛苦苦开发了1到2 年,刚开发出来,还没赚钱,CPU又停产了,又得要重新开发。很多公司就死在这个上面。

软件模块概要设计

软件模块概要设计阶段,主要是依据系统的要求,将整个系统按功能进行模块划分,定义好各个功能模块之间的接口,以及模块内主要的数据结构等。

阶段5:产品详细设计


硬件模块详细设计

主要是具体的电路图和一些具体要求,包括 PCB和外壳相互设计,尺寸这些参数。接下来,我们就需要依据硬件模块详细设计文档的指导,完成整个硬件的设计。包括原理图、PCB的绘制。
软件模块详细设计

功能函数接口定义,该函数功能接口完成功能,数据结构,全局变量,完成任务时各个功能函数接口调用流程。在完成了软件模块详细设计以后,就进入具体的编码阶段,在软件模块详细设计的指导下 ,完成整个系统的软件编码。

一定要注意需要先完成模块详细设计文档以后,软件才进入实际的编码阶段,硬件进入具体的原理图、PCB实现阶段,这样才能尽量在设计之初就考虑周全,避免在设计过程中反复修改。提高开发效率,不要为了图一时之快,没有完成详细设计,就开始实际的设计步骤。

阶段6&7:产品调试与验证


该阶段主要是调整硬件或代码,修正其中存在的问题和BUG,使之能正常运行,并尽量使产品的功能达到产品需求规格说明要求。

硬件部分:

1)目测加工会得PCB板是否存在短路,器件是否焊错,或漏焊接;
2)测试各电源对地电阻是否正常;
3)上电,测试电源是否正常;
4)分模块调试硬件模块,可借助示波器、逻辑分析仪等根据。

软件部分:

验证软件单个功能是否实现,验证软件整个产品功能是否实现。

阶段8:测试


功能测试(测试不通过,可能是有BUG);

压力测试(测试不通过,可能是有BUG或哪里参数设计不合理);

性能测试(产品性能参数要提炼出来,供将来客户参考,这个就是你的产品特征的一部分);

其他专业测试:包括工业级的测试,例如含抗干扰测试,产品寿命测试,防潮湿测试,高温和低温测试(有的产品有很高的温度或很低的温度工作不正常,甚至停止工作)。

有的设备电子元器件在特殊温度下,参数就会异常,导致整个产品出现故障或失灵现象的出现;有的设备,零下几十度的情况下,根本就启动不了,开不了机;有的设备在高温下,电容或电阻值就会产生物理的变化,这些都会影响到产品的质量。这里要引出一个话题,工业级产品与消费类产品有什么区别呢?工业级的产品就要避免这些异常和特殊问题,有的产品是在很深的海里工作,或者在严寒的山洞工作,或者火热沙漠工作,或者颠簸的设备上,比如汽车;或者是需要防止雷击;所以这就是工业级产品跟消费类产品的区别,消费类的产品就不需要做这么多的测试。

阶段9:产品


通过上一阶段完整测试验证,在此阶段,即得到我们开发成功的产品。在此阶段,可以比较实际的产品和最初的形成的产品规格说明,看经过一个完整的开发过程,是否产品完全符合最初的产品规格说明,又或者,中途发现产品规格说明存在问题,对它进行了多少修改呢?

附录:嵌入式硬件开发流程

之前,我们详细讲述了嵌入式产品的研发流程,那么在这一节,我们具体以嵌入式产品的硬件部分为例,再次讲解其开发过程,希望通过这一节,大家能对嵌入式硬件开发流程有更深刻的认识,在以后的学习和工作中,更加规范化和标准化,提高开发技能。嵌入式硬件开发流程一般如下图,分为8个阶段:

 

嵌入式产品的硬件形态各异,CPU 从简单的4 位/8位单片机到32 位的ARM处理器,以及其他专用IC。另外,依据产品的不同需求,外围电路也各不相同。每一次硬件开发过程,都需要依据实际的需求,考虑多方面的因素,选择最合适的方案来。

硬件阶段1:硬件产品需求


和普通的嵌入式产品需求一样。阶段1:产品需求。

硬件阶段2:硬件总体设计方案


一个硬件开发项目,它的需求可能来自很多方面,比如市场产品的需要或性能提升的要求等,因此,作为一个硬件设计人员,我们需要主动去了解各个方面的需求并分析,根据系统所要完成的功能,选择最合适的硬件方案。

在这一阶段,我们需要分析整个系统设计的可行性,包括方案中主要器件的可采购性,产品开发投入,项目开发周期预计,开发风险评估等,并针对开发过程中可能遇到的问题,提前选择应对方案,保证硬件的顺利完成。

硬件阶段3:硬件电路原理图设计


在系统方案确定后,我们即可以开展相关的设计工作,原理设计主要包括系统总体设计和详细设计,最终产生详细的设计文档和硬件原理图。

原理设计和PCB设计是设计人员最主要的两个工作之一,在原理设计过程中,我们需要规划硬件内部资源,如系统存储空间,以及各个外围电路模块的实现。另外,对系统主要的外围电路,如电源、复位等也需要仔细的考虑,在一些高速设计或特殊应用场合,还需要考虑EMC/EMI等。

电源是保证硬件系统正常工作的基础,设计中要详细的分析:系统能够提供的电源输入;单板需要产生的电源输出;各个电源需要提供的电流大小;电源电路效率;各个电源能够允许的波动范围;整个电源系统需要的上电顺序等等。

为了系统稳定可靠的工作,复位电路的设计也非常重要,如何保证系统不会在外界干扰的情况下异常复位,如何保证在系统运行异常的时候能够及时复位,以及如何合理的复位,才能保证系统完整的复位后,这些也都是我们在原理设计的时候需要考虑的。

同样的,时钟电路的设计也是非常重要的一个方面,一个不好的时钟电路设计,可能会引起通信产品的数据丢包,产生大的EMI,甚至导致系统不稳定。
 
原理图设计中要有“拿来主义”!现在的芯片厂家一般都可以提供参考设计的原理图,所以要尽量的借助这些资源,在充分理解参考设计的基础上,做一些自己的发挥。

硬件阶段4:PCB图设计


PCB设计阶段,即是将原理图设计转化为实际的可加工的PCB 线路板,目前主流的PCB 设计软件有PADS,Candence 和Protel几种。

PCB设计,尤其是高速PCB,需要考虑EMC/EMI,阻抗控制,信号质量等,对PCB 设计人员的要求比较高。为了验证设计的PCB是否符合要求,有的还需要进行PCB 仿真。并依据仿真结果调整PCB 的布局布线,完成整个的设计。

硬件阶段5:PCB加工文件制作与PCB打样


PCB绘制完成以后,在这一阶段,我们需要生成加工厂可识别的加工文件,即常说的光绘文件,将其交给加工厂打样PCB 空板。一般1~4层板可以在一周内完成打样。

硬件阶段6:硬件产品的焊接与调试


在拿到加工厂打样会的 PCB空板以后,接下来我们,需要检查PCB空板是否和我们设计预期一样,是否存在明显的短路或断痕,检查通过后,则需要将前期采购的元器件和PCB空板交由生产厂家进行焊接(如果PCB 电路不复杂,为了加快速度,也可以直接手工焊接元器件)。

当PCB 已经焊接完成后,在调试PCB之前,一定要先认真检查是否有可见的短路和管脚搭锡等故障,检查是否有元器件型号放置错误,第一脚放置错误,漏装配等问题,然后用万用表测量各个电源到地的电阻,以检查是否有短路,这样可以避免贸然上电后损坏单板。调试的过程中要有平和的心态,遇见问题是非常正常的,要做的就是多做比较和分析,逐步的排除可能的原因,直致最终调试成功。

在硬件调试过程中,需要经常使用到的调试工具有万用表和示波器,逻辑分析仪等,用于测试和观察板内信号电压和信号质量,信号时序是否满足要求。

硬件阶段7:硬件产品测试


当硬件产品调试通过以后,我们需要对照产品产品的需求说明,一项一项进行测试,确认是否符合预期的要求,如果达不到要求,则需要对硬件产品进行调试和修改,直到符合产品需求文明(一般都以需求说明文档作为评判的一句,当然明显的需求说明错误除外)。

硬件阶段8:硬件产品


我们最终开发的硬件成功。一个完整的,完成符合产品需求的硬件产品还不能说明一个成功的产品开发过程,我们还需要按照预定计划,准时高质量的完成。才是一个成功的产品开发过程。

以上就是本次21ic家带来的内容,如果还没有看够,可以在21ic中国电子网的嵌入式设计专栏进行查阅。

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