(一板通)硬件電路設計流程系列--方案設計

1、.平臺的選擇很多時候和系統(tǒng)選擇的算法是相關(guān)的，所以如果要提高架構(gòu)，平臺的設計能力，得不斷提高自身的算法設計，復雜度評估能力，帶寬分析能力。常用的主處理器芯片有：單片機，ASIC，RISC(DEC Alpha、ARC、ARM、MIPS、PowerPC、SPARC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)絡攝像機（HD-IPNC）的設計需求，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、Hi3515、Hi3520

2、等，NXP提供的方案有PNX1700、PNX1005等。對于HD-IPNC的主處理芯片，有幾個主要的技術(shù)指標：視頻分辨率，視頻編碼器算法，最高支持的圖像抓拍分辨率，CMOS的圖像預處理能力，以及網(wǎng)絡協(xié)議棧的開發(fā)平臺。Hi3512單芯片實現(xiàn)720P30 H.264編解碼能力，滿足高清IP Camera應用, Hi3515可實現(xiàn)1080P30的編解碼能力，持續(xù)提升高清IP Camera的性能。DM355單芯片實現(xiàn)720P30 MPEG4編解碼能力，DM365單芯片實現(xiàn)720P30 H.264編解碼能力, DM368單芯片實現(xiàn)1080P30 H.264編解碼能力。DM355是2007 Q3推出的，D

3、M365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出現(xiàn)。海思和TI的解決方案都是基于linux，對于網(wǎng)絡協(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)絡開發(fā)并不是一個技術(shù)難點，所以并不影響產(chǎn)品的推廣。作為IPNC的解決方案，在720P時代，海思的解決方案相對于TI的解決方案，其優(yōu)勢是支持了H.264編解碼算法，而TI只支持了MPEG4的編解碼算法。雖然在2008年初，MPEG4的劣勢在市場上已經(jīng)開始體現(xiàn)出來，但在當時這似乎并不影響DM355的推廣

4、。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3M Pixels5fps，DM355最高可以支持5M Pixels，雖然當時沒有成功的開發(fā)成5M Pixel的抓拍（內(nèi)存分配得有點兒問題，后來就不折騰了），但是至少4M Pixel的抓拍是實現(xiàn)了的，而且有幾個朋友已經(jīng)實現(xiàn)了2560x1920這個接近5M Pixel的抓拍，所以在這一點上DM355稍微勝出。因為在高清分辨率下，CCD傳感器非常昂貴，而CMOS傳感器像原尺寸又做不大，導致本身在低照度下就性能欠佳的CMOS傳感器的成像質(zhì)量在高分辨率時變差，于是TI在DM355處理器內(nèi)部集成了一個叫做ISP的圖像預處理模塊，它由C

5、CDC，IPIPE，IPIPEIF和H3A模塊組成，能幫助實現(xiàn)把CMOS的RAW DATA（一般是指Bayer格式數(shù)據(jù)）轉(zhuǎn)成YCbCr數(shù)據(jù)，同時實現(xiàn)包括白平衡調(diào)節(jié)，直方圖統(tǒng)計，自動曝光，自動聚焦等采用CMOS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的選擇就有局限性，它只能用OVT一些解決方案，因為OVT的部分Sensor集成了圖像預處理功能。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 sensor，比如Aptina的MT9P031。所以在圖像預處理能力方面，DM355繼續(xù)勝出。在IPNC這個領(lǐng)域，只要每臺

6、掙1個美金就可以開始跑量，所以在那個時代，很少有人會去死摳H.264和MPEG4的性能差異，而且TI已經(jīng)給了市場一個很好的預期，支持H.264的DM365很快就會面世。所以IPNC這個方案而言，當時很多企業(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，雖然你有時候會罵TI，為什么技術(shù)不搞得厲害點，在當年就一步到位，浪費了多少生產(chǎn)力。但是技術(shù)就是一點一點積累起來，對于個人來不得半點含糊，對于大企業(yè)，他們也無法大躍進。DM355的CMOS預處理技術(shù)也有很多Bug，SDK也有很多bug，有時會讓你又愛又恨，但是技術(shù)這東西總是沒有十全十美的，能在特定的歷史條件

7、下，滿足市場需求，那就是個好東西。當然海思的解決方案在DVS、DVR方面也大放異彩，一點也不遜色于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問題，那就得看個人和公司的資源運作能力了，一般找一下國內(nèi)相應芯片的總代理商，溝通一下，簽個NDA還是可以要到相應資料的。每隔一周上各IC大廠的官方主頁，關(guān)注一下芯片發(fā)展的動態(tài)這是每個電子工程師的必須課啊，這不僅為了下一個方案設計積累了足夠的資本，也為公司的產(chǎn)品策略做足了功課。芯片采購是電子電路設計過程中不可或缺的一個環(huán)節(jié)。一般情況下，在各IC大廠上尋找的芯

8、片，只要不是EOL掉的芯片，一般都能采購到。但是作為電子電路的設計者，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)濟危機，各IC廠商減產(chǎn)，導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PTH08T240WAD，4-6周就取到了貨，可是到了2009年下半年，要么是20周貨期，要么就是價格翻一番，而且數(shù)量只有幾個。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，所以導致IC廠商生產(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。3， 有些芯片廠商的代

9、理渠道控制得非常嚴格，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)量能達到一個MPQ 或者MOQ的要求，一般代理商就會幫你采購。但是如果只是要一兩個工程樣品，那么就得看你和代理商的關(guān)系了，如果你剛進入這個行業(yè)的話，那很有可能你就無法從代理商這獲得這個工程樣片。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的話，一般可以通過新加坡搞進來，如果芯片是對亞洲限售的話，那采購難度得大大的增加，采購的價格也會遠遠超出你的想象空間。先看一個芯片采購案例：之前我給一朋友推薦了一個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 X

10、C6SLX16-2CSG225C 訂貨 250.00 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 這個型號，你那天跟我定的，本來是貨期兩周的，但是這個型號屬于敏感型號，禁運國內(nèi)的，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為芯片供應商回顧一下當時發(fā)生的情形：2010-8-3，B設計好方案，確定好芯片型號后，因為芯片型號比較新，害怕芯片買不到，于是向芯片供應商A確定了一下芯片的貨源情況，當獲知價格和貨期之后，B非常高

11、興，非常滿意地跟我說，你推薦的芯片性價比真不錯，等原理圖設計完之后，就馬上去訂貨。2010-8-13，B設計完原理圖后，B要向A下單時，突然收到A的上述回復，于是他一下子就蒙了，因為2周就可以完成PCB layout，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周的時間才能開始焊接調(diào)試。（最后A這供應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周的時間才采購到，而且價格漲到了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，如果是原理圖設計好了之后遇到這種情況的話，那簡直就要哭了，如果是等PC

12、B 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，芯片詢價時獲得的價格和貨期消息有時并不一定準確，因為IC行業(yè)的數(shù)據(jù)庫的更新有時具有一定的滯后性，只有下單后等到供應商的合同確認，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稱之為紋波，紋波對系統(tǒng)有很多負面的影響，比如紋波太大會造成主處理器芯片的重啟，或者給某些AD，DA引入噪聲。一個典型的現(xiàn)象就是，如果電源的紋波疊加到音頻DA芯片的輸出上，則會造

13、成嗡嗡的雜音。下表是設計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)，這里只列舉一兩個芯片進行說明： 芯片紋波統(tǒng)計表分析系統(tǒng)主芯片的電壓上電順序要求當今的大多數(shù)電子產(chǎn)品都需要使用多個電源電壓。電源電壓數(shù)目的增加帶來了一項設計難題，即需要對電源的相對上電和斷電特性進行控制，以消除數(shù)字系統(tǒng)遭受損壞或發(fā)生閉鎖的可能性。一般這個在芯片手冊中會有詳細說明，建議遵守芯片手冊中的要求進行設計。分析系統(tǒng)所有芯片的功耗統(tǒng)計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說明，部分芯片的功耗在手冊上沒有明確寫明，比如FPGA，這時候可以根據(jù)以往設計的經(jīng)驗值

14、，或者事先將FPGA的邏輯寫好，借助EDA工具進行統(tǒng)計，比如ISE的Xpower Analyzer，下面的表格是一個功耗分析的統(tǒng)計案例。注：因為數(shù)據(jù)比較多，所以這里只選擇了3.3V的幾個芯片作為代表進行統(tǒng)計。 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。電源設計是一個細活，數(shù)據(jù)統(tǒng)計整理是一個不可缺少的工種，養(yǎng)成良好的設計習慣，是“一板通”必需的環(huán)節(jié)。電源方案的選擇，學問非常多，分析的文章更是數(shù)不勝數(shù)。在這里只列舉幾個規(guī)律性的東西。在消費級產(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的一個比較大的缺點就是紋波大，另外如果電感和電容設計不合理的話，電壓就會很不穩(wěn)定。印象非常深的就是有一次用DC/DC給FPGA供電時，根據(jù)FPGA的Power Distribution 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的設計一定要細心。大功率電路設計時，電感的選擇也非常的關(guān)鍵，參考設計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，而國