比人心还复杂的是硬件开发？

巧学模电数电单片机 2023-04-10 13:14

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注 | 好好学习吖

今天我具体以嵌入式产品的硬件部分为例，讲解其开发过程，希望通过这篇文章，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。

嵌入式产品的硬件形态各异，CPU 从简单的4/8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。

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。

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至4层板可以在一周内完成打样。

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。

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