原理图设计规范

硬件笔记本 2023-09-13 07:40

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1.1 目的

　　原理图设计是产品设计的理论基础，设计一份规范的原理图对设计PCB、跟机、做客户资料具有指导性意义，是做好一款产品的基础。原理图设计基本要求: 规范、清晰、准确、易读。

　　因此制定此《规范》的目的和出发点是为了培养硬件开发人员严谨、务实的工作作风和严肃、认真的工作态度，增强硬件开发人员的责任感和使命感，提高工作效率和开发成功率，保证产品质量。

1.2 基本原则

1.2.1 确定需求：详细理解设计需求，从需求中整理出电路功能模块和性能指标要求等

1.2.2 确定核心CPU：根据功能和性能需求制定总体设计方案，对CPU进行选型，CPU选型有以下几点要求：

性价比高
容易开发：硬件调试工具种类多，参考设计多，软件资源丰富，成功案例多
可扩展性好

1.2.3 参考成功案例：　　

　　针对已经选定的CPU芯片，选择一个与我们需求比较接近的成功参考设计，一般CPU生产商或他们的合作方都会对每款CPU芯片做若干开发板进行验证，厂家公开给用户的参考设计图虽说不是产品级的东西，也应该是经过严格验证的，否则也会影响到他们的芯片推广应用，纵然参考他们设计的外围电路有可推敲的地方，CPU本身的管脚连接使用方法也绝对是值得我们信赖的，当然如果万一出现多个参考设计某些管脚连接方式不同，可以细读CPU芯片手册和勘误表，或者找厂商确认。

　　另外在设计之前，最好我们能外借或者购买一块选定的参考板进行软件验证，如果没问题那么硬件参考设计也是可以信赖的，但要注意一点，现在很多CPU都有若干种启动模式，我们要选一种最适合的启动模式，或者做成兼容设计。

官网资料：http://www.nordicsemi.com/eng/Products/Bluetooth-Smart-Bluetooth-low-energy/nRF51822/

官方论坛：https://devzone.nordicsemi.com/questions/

......

1.2.4 对外围器件选型：

　　根据需求对外设功能模块进行元器件选型，元器件选型应该遵守以下原则：

普遍性原则：所选的元器件要被广泛使用验证过的尽量少使用冷偏芯片，减少风险；
高性价比原则：在功能、性能、使用率都相近的情况下，尽量选择价格比较好的元器件，减少成本；
采购方便原则：尽量选择容易买到，供货周期短的元器件；
持续发展原则：尽量选择在可预见的时间内不会停产的元器件；
可替代原则：尽量选择pin to pin兼容种类比较多的元器件；
向上兼容原则：尽量选择以前老产品用过的元器件；
资源节约原则：尽量用上元器件的全部功能和管脚。

1.2.5 设计外围电路

　　对选定的CPU参考设计原理图外围电路进行修改，修改时对于每个功能模块都要找至少3个相同外围芯片的成功参考设计，如果找到的参考设计连接方法都是完全一样的，那么基本可以放心参照设计，但即使只有一个参考设计与其他的不一样，也不能简单地少数服从多数，而是要细读芯片数据手册，深入理解那些管脚含义，多方讨论，联系芯片厂技术支持，最终确定科学、正确的连接方式，如果仍有疑义，可以做兼容设计。这是整个原理图设计过程中最关键的部分，我们必须做到以下几点：

对于每个功能模块要尽量找到更多的成功参考设计，越难的应该越多，成功参考设计是“前人”的经验和财富，我们理当借鉴吸收，站在“前人”的肩膀上，也就提高了自己的起点；
要多向权威请教、学习，但不能迷信权威，因为人人都有认知误差，很难保证对哪怕是最了解的事物总能做出最科学的理解和判断，开发人员一定要在广泛调查、学习和讨论的基础上做出最科学正确的决定；
如果是参考已有的老产品设计，设计中要留意老产品有哪些遗留问题，这些遗留问题与硬件哪些功能模块相关，在设计这些相关模块时要更加注意推敲，不能机械照抄原来设计。

1.2.6 设计时遵循的基本原则

　　硬件原理图设计还应该遵守一些基本原则，这些基本原则要贯彻到整个设计过程，虽然成功的参考设计中也体现了这些原则，但因为我们可能是“拼”出来的原理图，所以我们还是要随时根据这些原则来设计审查我们的原理图，这些原则包括：

数字电源和模拟电源分割；
数字地和模拟地分割，单点接地，数字地可以直接接机壳地（大地），机壳必须接大地；
各功能块布局要合理, 整份原理图需布局均衡. 避免有些地方很挤,而有些地方又很松, 同PCB 设计同等道理；
可调元件(如电位器), 切换开关等对应的功能需标识清楚；
重要的控制或信号线需标明流向及用文字标明功能；
元件参数/数值务求准确标识. 特别留意功率电阻一定需标明功率值, 高耐压的滤波电容需标明耐压值；
保证系统各模块资源不能冲突，例如：同一I2C总线上的设备地址不能相同，等等；
阅读系统中所有芯片的手册（一般是设计参考手册），看它们的未用输入管脚是否需要做外部处理，如果需要一定要做相应处理，否则可能引起芯片内部振荡，导致芯片不能正常工作；
在不增加硬件设计难度的情况下尽量保证软件开发方便，或者以小的硬件设计难度来换取更多方便、可靠、高效的软件设计，这点需要硬件设计人员懂得底层软件开发调试，要求较高；
功耗问题；
产品散热问题，可以在功耗和发热较大的芯片增加散热片或风扇，产品机箱也要考虑这个问题，不能把机箱做成保温盒，电路板对“温室”是感冒的；还要考虑产品的安放位置，最好是放在空间比较大，空气流动畅通的位置，有利于热量散发出去。

1.2.7 原理图审核

　　硬件原理图设计完成之后，设计人员应该按照以上步骤和要求首先进行自审，自审后要达到有95%以上把握和信心，然后再提交他人审核，其他审核人员同样按照以上要求对原理图进行严格审查，如发现问题要及时进行讨论分析，分析解决过程同样遵循以上原则、步骤。

1.2.8 设计基本要求

　　只要开发和审核人员都能够严格按以上要求进行电路设计和审查，我们就有理由相信，所有硬件开发人员设计出的电路板一版成功率都会很高的，所以提出以下几点：

设计人员自身应该保证原理图的正确性和可靠性，要做到设计即是审核，严格自审，不要把希望寄托在审核人员身上，设计出现的任何问题应由设计人员自己承担，其他审核人员不负连带责任；
其他审核人员虽然不承担连带责任，也应该按照以上要求进行严格审查，一旦设计出现问题，同样反映了审核人员的水平、作风和态度；
普通原理图设计，包括老产品升级修改，原则上要求原理图一版成功，最多两版封板，超过两版将进行绩效处罚；
对于功能复杂，疑点较多的全新设计，原则上要求原理图两版内成功，最多三版封板，超过三版要进行绩效处罚；
原理图封板标准为：电路板没有任何原理性飞线和其他处理点；
每张原理图都需有公司的标准图框,并标明对应图纸的功能,文件名,制图人名/确认人名, 日期, 版本号；
对于重点设计的相关模拟电路产品，没有主用芯片、外围芯片以及芯片与芯片之间的连接方面的问题。所以，元器件的选项尤为重要，对于硬件设计的一些基本原则一定要注意。