硬件開(kāi)發(fā)的基本準(zhǔn)則

1、充分了解各方的設(shè)計(jì)需求，確定合適的解決方案啟動(dòng)一個(gè)硬件開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，原始的推動(dòng)力會(huì)來(lái)自于很多方面，比如市場(chǎng)的需要，基于整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)的需要，應(yīng)用軟件部門的功能實(shí)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(gè)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者，要主動(dòng)的去了解各個(gè)方面的需求，并且綜合起來(lái)，提出最合適的硬件解決方案。比如A項(xiàng)目的原始推動(dòng)力來(lái)自于公司內(nèi)部的一個(gè)高層軟件小組，他們?cè)趯?shí)際當(dāng)中發(fā)現(xiàn)原有的處理器板IP轉(zhuǎn)發(fā)能力不能滿足要求，從而對(duì)于系統(tǒng)的配置和使用都會(huì)造成很大的不便，所以他們提出了對(duì)新硬件的需求。根據(jù)這個(gè)目標(biāo)，硬件方案中就針對(duì)性的選用了兩個(gè)高性能網(wǎng)絡(luò)處理器，然后還需要深入的和軟件設(shè)計(jì)者交流，以確定內(nèi)存大小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2、，對(duì)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(kāi)來(lái)，這樣在確定內(nèi)部數(shù)據(jù)走向的時(shí)候要慎重考慮。項(xiàng)目開(kāi)始之初是需要召開(kāi)很多的討論會(huì)議的，應(yīng)該盡量邀請(qǐng)所有相關(guān)部門來(lái)參與，好處有三個(gè)，第一可以充分了解大家的需要，以免在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上遺漏重要的功能，第二是可以讓各個(gè)部門了解這個(gè)項(xiàng)目的情況，提早做好時(shí)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(jì)之初各個(gè)部門就參與了進(jìn)來(lái)，這個(gè)項(xiàng)目就變成了大家共同的一個(gè)心血結(jié)晶，會(huì)得到大家的呵護(hù)和良好合作，對(duì)完成工作是很有幫助的。原理圖設(shè)計(jì)中要注意的問(wèn)題原理圖設(shè)計(jì)中要有“拿來(lái)主義”，現(xiàn)在的芯片廠家一般都可以提供參考設(shè)計(jì)的原理圖，所以要

3、盡量的借助這些資源，在充分理解參考設(shè)計(jì)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(jì)包括了電源，時(shí)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(jì)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；£個(gè)電源需要提供的電流大小；電源電路效率;各個(gè)電源能夠允許的波動(dòng)范圍；整個(gè)電源系統(tǒng)需要的上電順序等等。比如A項(xiàng)目中的網(wǎng)絡(luò)處理器需要1.25V作為核心電壓，要求精度在+5%3叱間，電流需要12A左右，根據(jù)這些要求，設(shè)計(jì)中采用5V的電源輸入，利用Linear的開(kāi)關(guān)電源控制器和IR的MOSF塔建了合適的電源供應(yīng)電路，精度要求決定了輸出電容的ESR先擇，并且為

4、防止電流過(guò)大造成的電壓跌落，加入了遠(yuǎn)端反饋的功能。時(shí)鐘電路的實(shí)現(xiàn)要考慮到目標(biāo)電路的抖動(dòng)等要求，A項(xiàng)目中用到了GE的PH惴件，剛開(kāi)始的時(shí)候使用一個(gè)內(nèi)部帶鎖相環(huán)的零延時(shí)時(shí)鐘分配芯片提供100MH寸鐘，結(jié)果GE連路上出現(xiàn)了丟包，后來(lái)?yè)Q成簡(jiǎn)單的時(shí)鐘Buffer器件就解決了丟包問(wèn)題，分析起來(lái)就是內(nèi)部的鎖相環(huán)引入了抖動(dòng)。芯片之間的互連要保證數(shù)據(jù)的無(wú)誤傳輸，在這方面，高速的差分信號(hào)線具有速率高，好布線，信號(hào)完整性好等特點(diǎn)，A項(xiàng)目中的多芯片間互連均采用了高速差分信號(hào)線，在調(diào)試和測(cè)試中沒(méi)有出現(xiàn)問(wèn)題。3 PCB設(shè)計(jì)中要注意的問(wèn)題PCB設(shè)計(jì)中要做到目的明確，對(duì)于重要的信號(hào)線要非常嚴(yán)格的要求布線的長(zhǎng)度和處理地環(huán)路，而

5、對(duì)于低速和不重要的信號(hào)線就可以放在稍低的布線優(yōu)先級(jí)上。重要的部分包括：電源的分割；內(nèi)存的時(shí)鐘線，控制線和數(shù)據(jù)線的長(zhǎng)度要求；高速差分線的布線等等A項(xiàng)目中使用內(nèi)存芯片實(shí)現(xiàn)了1G大小的DDRmemory,針對(duì)這個(gè)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(shí)鐘線的長(zhǎng)度差別控制等方面，在實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，根據(jù)芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)和實(shí)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(zhǎng)度相差不能超過(guò)多少個(gè)mil,每個(gè)通路之間的長(zhǎng)度相差不能超過(guò)多少個(gè)mil等等。當(dāng)這些要求確定后就可以明確要求PC瞰計(jì)人員來(lái)實(shí)現(xiàn)了，如果設(shè)計(jì)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CA

6、并的自動(dòng)布線工具軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)PC暇計(jì)，這也是在高速PC瞰計(jì)中的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。4 檢查和調(diào)試當(dāng)準(zhǔn)備調(diào)試一塊板的時(shí)候,一定要先認(rèn)真的做好目視檢查,檢查在焊接的過(guò)程中是否有可見(jiàn)的短路和管腳搭錫等故障,檢查是否有元器件型號(hào)放置錯(cuò)誤，第一腳放置錯(cuò)誤，漏裝配等問(wèn)題，然后用萬(wàn)用表測(cè)量各個(gè)電源到地的電阻，以檢查是否有短路，這個(gè)好習(xí)慣可以避免貿(mào)然上電后損壞單板。調(diào)試的過(guò)程中要有平和的心態(tài)，遇見(jiàn)問(wèn)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(jiān)信“凡事都是有辦法解決的”和“問(wèn)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(lái)說(shuō)，每個(gè)設(shè)計(jì)最終都可以做出來(lái)，但是一個(gè)項(xiàng)

7、目的成功與否，不僅僅取決于技術(shù)上的實(shí)現(xiàn)，還與完成的時(shí)間，產(chǎn)品的質(zhì)量，團(tuán)隊(duì)的配合密切相關(guān)，所以良好的團(tuán)隊(duì)協(xié)作，透明坦誠(chéng)的項(xiàng)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(gè)項(xiàng)目的成功。一個(gè)好的硬件工程師實(shí)際上就是一個(gè)項(xiàng)目經(jīng)理，他/她需要從外界交流獲取對(duì)自己設(shè)計(jì)的需求，然后匯總，分析成具體的硬件實(shí)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(lái)進(jìn)行配合評(píng)審和檢查，還要和CADT程師一起工作來(lái)完成PCBO設(shè)計(jì)。與此同時(shí)，還要準(zhǔn)備好BOMt單，開(kāi)始采購(gòu)和準(zhǔn)備物料，聯(lián)系加工廠家完成板的貼裝。在調(diào)試勺過(guò)程中他/她要組織好軟件工程師來(lái)一起攻關(guān)調(diào)試

8、，配合測(cè)試工程師一起解決測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，等到產(chǎn)品推出到現(xiàn)場(chǎng)，如果出現(xiàn)問(wèn)題，還需要做到及時(shí)的支持。所以做一個(gè)硬件設(shè)計(jì)人員要鍛煉出良好的溝通能力，面對(duì)壓力的調(diào)節(jié)能力，同一時(shí)間處理多個(gè)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?yàn)橛布O(shè)計(jì)上的一個(gè)小疏忽往往就會(huì)造成非常大的經(jīng)濟(jì)損失，比如以前碰到一塊板在PC艘計(jì)完備出制造文件的時(shí)候誤操作造成了電源層和地層連在了一起，PC噴制造完畢后又沒(méi)有檢查直接上生產(chǎn)線貼裝，到測(cè)試的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)短路問(wèn)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(wàn)的損失。所以細(xì)心和認(rèn)真的檢查，負(fù)責(zé)任的測(cè)試，不懈的學(xué)習(xí)和積累，才能使得一個(gè)硬件設(shè)計(jì)人員持續(xù)不斷的進(jìn)步，而

9、后術(shù)業(yè)有所小成。相關(guān)文章:如何設(shè)計(jì)一個(gè)合適的電源對(duì)于現(xiàn)在一個(gè)電子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，電源部分的設(shè)計(jì)也越來(lái)越重要，我想通過(guò)和大家探討一些自己關(guān)于電源設(shè)計(jì)的心得，來(lái)個(gè)拋磚引玉，讓我們?cè)陔娫丛O(shè)計(jì)方面能夠都有所深入和長(zhǎng)進(jìn)。Qt如何來(lái)評(píng)估一個(gè)系統(tǒng)的電源需求Answer:對(duì)于一個(gè)實(shí)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(shí)現(xiàn)的效率，電源部分對(duì)負(fù)載變化的瞬態(tài)響應(yīng)能力,關(guān)鍵器件對(duì)電源波動(dòng)的容忍范圍以及相應(yīng)的允許的電源紋波，還有散熱問(wèn)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(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的功率預(yù)算就非常有利了，對(duì)比LD5口

10、開(kāi)關(guān)電源，開(kāi)關(guān)電源的效率要高一些。同時(shí)，評(píng)估效率不僅僅是看在滿負(fù)載的時(shí)候電源電路的效率，還要關(guān)注輕負(fù)載的時(shí)候效率水平。至于負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)能力，對(duì)于一些高性能的CPU應(yīng)用就會(huì)有嚴(yán)格的要求，因?yàn)楫?dāng)CPUE然開(kāi)始運(yùn)行繁重的任務(wù)時(shí)，需要的啟動(dòng)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(guò)多過(guò)低，造成CPU日行出錯(cuò)般來(lái)說(shuō)，要求的電源實(shí)際值多為標(biāo)稱值的5%所以可以據(jù)此計(jì)算出允許的電源紋波，當(dāng)然要預(yù)留余量的。散熱問(wèn)題對(duì)于那些大電流電源和LDCe說(shuō)比較重要，通過(guò)計(jì)算也是可以評(píng)估是否合適的。Q2:如何選擇合適的電源實(shí)現(xiàn)電路Answer:根據(jù)分析系統(tǒng)需求得出的具體技術(shù)指標(biāo)，可以來(lái)選擇合適的電源實(shí)現(xiàn)電路了

11、。一般對(duì)于弱電部分，包括了LDO（線性電源轉(zhuǎn)換器），開(kāi)關(guān)電源電容降壓轉(zhuǎn)換器和開(kāi)關(guān)電源電感電容轉(zhuǎn)換器。相比之下，LDO設(shè)計(jì)最易實(shí)現(xiàn)，輸出紋波小，但缺點(diǎn)是效率有可能不高，發(fā)熱量大，可提供的電流相較開(kāi)關(guān)電源不大等等。而開(kāi)關(guān)電源電路設(shè)計(jì)靈活，效率高，但紋波大，實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，調(diào)試比較煩瑣等等。Q3:如何為開(kāi)關(guān)電源電路選擇合適的元器件和參數(shù)Answer:很多的未使用過(guò)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的工程師會(huì)對(duì)它產(chǎn)生一定的畏懼心理，比如擔(dān)心開(kāi)關(guān)電源的干擾問(wèn)題，PCBlayout問(wèn)題，元器件的參數(shù)和類型選擇問(wèn)題等。其實(shí)只要了解了，使用一個(gè)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)還是非常方便的。一個(gè)開(kāi)關(guān)電源一般包含有開(kāi)關(guān)電源控制器和輸出兩部分，有設(shè)計(jì)，但是

12、設(shè)計(jì)的靈活性就減少了一些。些控制器會(huì)將MOSFE!成到芯片中去，這樣使用就更簡(jiǎn)單PCB開(kāi)關(guān)控制器基本上就是一個(gè)閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)，所以一般都會(huì)有一個(gè)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(jì)在于保證精確的采樣電路，還有來(lái)控制反饋深度，因?yàn)槿绻答伃h(huán)響應(yīng)過(guò)慢的話，對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)能力是會(huì)有很多影響的。而輸出部分設(shè)計(jì)包含了輸出電容，輸出電感以及MOSFET等等，這些的選擇基本上就是要滿足一個(gè)性能和成本的平衡，比如高的開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率會(huì)增加干擾和對(duì)MOSF的開(kāi)關(guān)損耗，從而效率降低。使用低的開(kāi)關(guān)頻率帶來(lái)的結(jié)果則是相反的。對(duì)于輸出電

13、容的ES尋口MOSF的Rds_on參數(shù)選擇也是非常關(guān)鍵的，小的ESR可以減小輸出紋波，但是電容成本會(huì)增加，好的電容會(huì)貴嘛。開(kāi)關(guān)電源控制器驅(qū)動(dòng)能力也要注意，過(guò)多的MOSFET是不能被良好驅(qū)動(dòng)的。一般來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)電源控制器的供應(yīng)商會(huì)提供具體的計(jì)算公式和使用方案供工程師借鑒的。Q4:如何調(diào)試開(kāi)關(guān)電源電路Answer：有一些經(jīng)驗(yàn)可以共享給大家1: 電源電路的輸入輸出通過(guò)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(kāi)后面電路的影響。2: 一般來(lái)說(shuō)開(kāi)關(guān)控制器是閉環(huán)系統(tǒng)，如果輸出惡化的情況超過(guò)了閉環(huán)可以控制的范圍，開(kāi)關(guān)電源就會(huì)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

14、路。特別是如果采用了大ESR值的輸出電容，會(huì)產(chǎn)生很多的電源紋波，這也會(huì)影響開(kāi)關(guān)電源的工作的。接地技術(shù)的討論Q1:為什么要接地？Answer:接地技術(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(hù)性措施，目的是把雷電產(chǎn)生的雷擊電流通過(guò)避雷針引入到大地，從而起到保護(hù)建筑物的作用。同時(shí)，接地也是保護(hù)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(shí)，設(shè)備的外殼就會(huì)有危險(xiǎn)電壓產(chǎn)生，由此生成的故障電流就會(huì)流經(jīng)PE線到大地，從而起到保護(hù)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(hào)

15、的互連要求各設(shè)備都要有一個(gè)基準(zhǔn)地'作為信號(hào)的參考地。而且隨著電子設(shè)備的復(fù)雜化，信號(hào)頻率越來(lái)越高，因此，在接地設(shè)計(jì)中，信號(hào)之間的互擾等電磁兼容問(wèn)題必須給予特別關(guān)注，否則，接地不當(dāng)就會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。最近，高速信號(hào)的信號(hào)回流技術(shù)中也引入了“地”的概念。Q2接地的定義Answer:在現(xiàn)代接地概念中、對(duì)于線路工程師來(lái)說(shuō),該術(shù)語(yǔ)的含義通常是線路電壓的參考點(diǎn)；對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，它常常是機(jī)柜或機(jī)架；對(duì)電氣工程師來(lái)說(shuō)，它是綠色安全地線或接到大地的意思。一個(gè)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”。一Q3常見(jiàn)的接地符號(hào)Answer:PE,PG

16、ND,FG保護(hù)地或機(jī)殼；BGN或DC-RETUN直流48V（+24V）電源（電池）回流；GND工作地；DGNDH數(shù)字地；AGN-模擬地；LGNH防雷保護(hù)地Q4合適的接地方式Answer:接地有多種方式，有單點(diǎn)接地，多點(diǎn)接地以及混合類型的接地。而單點(diǎn)接地又分為串聯(lián)單點(diǎn)接地和并聯(lián)單點(diǎn)接地。一般來(lái)說(shuō)，單點(diǎn)接地用于簡(jiǎn)單電路，不同功能模塊之間接地區(qū)分，以及低頻（f<1MHZ電子線路。當(dāng)設(shè)計(jì)高頻（f>10MHZ電路時(shí)就要采用多點(diǎn)接地了或者多層板（完整的地平面層）。Q5:信號(hào)回流和跨分割的介紹Answer:對(duì)于一個(gè)電子信號(hào)來(lái)說(shuō)，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(gè)信號(hào)回流

17、就變得非常的關(guān)鍵。第一，根據(jù)公式可以知道，輻射強(qiáng)度是和回路面積成正比的，就是說(shuō)回流需要走的路徑越長(zhǎng)，形成的環(huán)越大，它對(duì)外輻射的干擾也越大，所以，PCE板的時(shí)候要盡可能減小電源回路和信號(hào)回路面積。第二，對(duì)于一個(gè)高速信號(hào)來(lái)說(shuō)，提供有好的信號(hào)回流可以保證它的信號(hào)質(zhì)量，這是因?yàn)镻CE±傳輸線的特性阻抗一般是以地層（或電源層）為參考來(lái)計(jì)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(méi)有了地參考，這樣阻抗就會(huì)發(fā)生變化，不連續(xù)的阻抗從而會(huì)影響到信號(hào)的完整性。所以，布線的時(shí)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

18、。第三，為什么說(shuō)布線的時(shí)候盡量不要跨電源分割，這也是因?yàn)樾盘?hào)跨越了不同電源層后，它的回流途徑就會(huì)很長(zhǎng)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(duì)于低速的信號(hào)是可以的，因?yàn)楫a(chǎn)生的干擾相比信號(hào)可以不予關(guān)心。對(duì)于高速信號(hào)就要認(rèn)真檢查，盡量不要跨越，可以通過(guò)調(diào)整電源部分的走線。（這是針對(duì)多層板多個(gè)電源供應(yīng)情況說(shuō)的）Q6:為什么要將模擬地和數(shù)字地分開(kāi)，如何分開(kāi)？Answer:模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)都要回流到地，因?yàn)閿?shù)字信號(hào)變化速度快，從而在數(shù)字地上引起的噪聲就會(huì)很大，而模擬信號(hào)是需要一個(gè)干凈的地參考工作的。如果模擬地和數(shù)字地混在一起，噪聲就會(huì)影響到模擬信號(hào)一般來(lái)說(shuō)，模擬地和數(shù)字地要分開(kāi)處理，然后通過(guò)細(xì)的走線連在一起，或者單點(diǎn)接在一起。總的思想是盡量阻隔數(shù)字地上的噪聲竄到模擬地上。當(dāng)然這也不是非常嚴(yán)格的要求模擬地和數(shù)字地必須分開(kāi)，如果模擬部分附近的數(shù)字地還是很干凈的話可以合在一起。Q7:單板上的信號(hào)如何接地？Answer:對(duì)于一般器件來(lái)說(shuō)，就近接地是最好的，采用了擁有完整地平面的多層板設(shè)計(jì)后，對(duì)于一般信號(hào)的接地就非常容易了，基本原則是保證走線的連續(xù)性，減少過(guò)孔數(shù)量；靠近地平面或者電源平面，等等。Q8單板的接口器件如何接地？Answer:有些單板會(huì)有對(duì)外的輸入輸出接口，比如串口連接器，網(wǎng)口RJ45連接器等等，如果對(duì)它們的