嵌入式系统硬件设计与实践（开发过程）

Posted 2023-03-09 嵌入式-老费

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          如果把电路设计看成是画板子的，这本身其实是狭隘了。嵌入式硬件设计其实是嵌入式系统中很重要的一个部分。里面软件做的什么样，这是看不出来的，但是硬件做的好不好，一般都比较容易发现。所以，很多时候嵌入式硬件是人们真正愿意去付费买单的东西。

        当然，不管是软件还是硬件，本身都是为系统服务，而系统又是为产品服务的，所以市场是所有产品的出发点和落脚点。

1、市场调研

        作为嵌入式硬件开发的同学，一定要有市场意识。即，当前做的这个产品主要的客户在哪里，他们拿这个硬件去做什么，自己做的这个硬件有什么特色，能解决什么问题。这一步很重要，某种意义上说，它比你怎么把这个硬件设计出来还重要。如果方向错了，后面的一切工作很有可能都是徒劳。

        如果这个时候，大家对市场还是没有概念的话，可以去电商网站上看，什么产品好卖，相关价格是多少，不同地方的人喜欢什么产品等等。这其实就是最简单的市场调研方法。

2、原理图绘制

        原理图看上去就是很多的符号堆在一起。这里面有电源、晶振、复位、输入、输出、传感器等等。当然，原理图本身就是对真实硬件的抽象，这个抽象还是十分有必要的。绘制的时候可以多分几页，按模块划分，明白相关电路的输入、输出接口是什么，工作条件是什么。

        有些同学说，自己的电路知识可能还停留在初高中的水平，没有办法做原理图绘制。这个时候，我的建议就是去模仿。别人做好的原理图，自己再做一遍，不要怕麻烦，画错了也不要紧。一遍又一遍的画，每一遍都会有新的认识。

3、原理图重新确认

        有的同学绘制完原理图，就直接导入到pcb了。其实，这中间少了一部分确认工作。这个时候其实有很多事情可以做，比如确认线路有没有画反、封装有没有选对、模块有没有注释说明等等。在绘制pcb之前，重新确认下电路原理图还是非常有必要的。不要怕麻烦，前面每做的每一次修改，其实都是为了减少后续的麻烦。

4、pcb布局

        pcb拉线之前，很重要的一步就是pcb的布局。布局当然有一些基本的规则，比如先放重要的芯片、连接器放在边缘、模数分开、高频和低频分开等等。但布局最最重要的，还是要根据原理图中的模块来进行布局。一个模块相连的芯片、电阻、电容、电感要靠在一起，这样也方便连线，另外对于后续的贴片、封装也是非常有利的。

        pcb布局好了，连线就简单了。当然 这需要经验的积累，不断地练习才能越做越好。

5、pcb连线

        连线的时候，可以先把电源线连上，线宽一点。接着，把相连、靠近的连线连上。一时没有办法解决的连线可以先搁置。这中间，可能还会微调器件的位置，比如位置颠倒、左右移动等，甚至于还要取消之前已经连好的网络，这都是难免的。连线的时候，尽量走同一层，没有办法了再选择过孔。电源旁边的电容尽量挨着芯片，晶振下面不要走线，网络、485、usb走差分等等，这些都可以遇到的时候边用边学。

        刚开始学的时候，板子选2层、还是4层，可以提前设计好。一开始的时候，板子大一点、层数多一些，这都是可以的，没必要苛责自己。比如说，4层多了VCC、GND，自然布线就比较轻松。完全等到后续经验多了，层数就可以压低了，自然而然就可以走线越来越好了。

        同样一块板子，可以多尝试走线几次，比如第一次、第二次、第三次，看上去好像是在做重复的工作，但是实际上每一次自己都会有新的收获，对线路也会理解的越来越深刻。我们满足的不仅仅是线布通、通过drc测试，而是说要简单、整洁、大方、合理。

        多层板有信号层和内电层两种。信号层就是普通的走线，而内电层和信号层相反，它本身是一块铜板，走线的地方反而是被分割的地方，这是需要注意的。

6、pcb信号确认

        绘制完pcb，不要着急打板。每个信号重新确认下，添加合理的丝印，相关器件的封装再看一遍，只要没有生产，一切都还来得及，花费的代价也小。

7、购买器件，pcb生产

        pcb本身要想完成，一方面需要购买各种元器件，另外一方面就是pcb生产。元器件可以通过电商网站解决，pcb生产现在也有很多的工厂可以帮助解决，比如某创、某配。这个时候有一个问题，就是电路板中可能存在很多的电容、电阻、电感，它们如果比较小，达到0201，其实焊接时比较麻烦的。建议大家一开始设计的时候，还是用0603这样大一点的贴片器件来设计，这样方便自己练手焊接。如果不想自己弄，只想焊接一些大的连接器，完全可以使用厂商的smt服务，就是多一些钢网的费用、贴片的费用，这也无可厚非。

8、焊接

        拿到厂家的pcb板子之后，即使smt贴片之后，这个时候一般还需要自己焊接一些连接器，比如排针、usb、rj45、电源插口等等。焊接可以和测试同步进行，一遍测试、一边焊接。有的设计不对的地方，可能还需要飞线，实际操作的时候注意用电安全即可。

9、测试

        实际测试，是和焊接同步进行的。一般先焊接上电源，确保没有短路、芯片不发热。接着把最小系统焊接上，除了之前说的晶振、复位、芯片那些，还需要把下载电路焊接上。如果这一步没问题，就需要慢慢测试其他电路了，比如按键、flash、网络、pwm等等。焊接一个，测试一个。这中间肯定会出现问题，有硬件的、有软件的。这个时候最好有一个第三方稳定的开发板，这样可以分清楚，是软件的问题，还是硬件的问题。

        对于调试过程中出现的硬件问题，还需要重新修改原理图、重新pcb设计、重新打样，这都是难免的。所以前期打样的时候，都可以5片、5片这样的去打样，没必要打样太多，等到真正稳定后，可以慢慢提高数量。小错误导致的打样失败，成本尚且可控，但是如果数量多了，就得不偿失了。

        所以，这里对于硬件发生的任何变更，一定要把之前做过的测试重新再做一次，不要怕麻烦。因为现在做的每一步，都是在给自己降低风险、节约成本。软件错了，升级一下版本就可以了。但是硬件的错误，很多时候是需要用真金白银来买单的。