嵌入式微處理器系統及應用 第七章嵌入式硬件系統開發流程 概述 嵌入式系統產品都是軟硬件的結合體 嵌入式系統開發的最大特點就是需要軟硬件綜合開發 并且嵌入式軟件是針對相應的嵌入式硬件開發的 是專用的 因此嵌入式系統硬件的設計開發是嵌入式系統開發中的一個環節 或組成部分 需要在各個階段與系統的總體設計相結合 綜合考慮 并處理好與軟件開發的關系 概述 嵌入式系統的總體開發流程概述 主要內容 嵌入式硬件系統開發流程32位嵌入式系統的設計原則 嵌入式硬件系統開發流程 嵌入式硬件系統開發流程 硬件分配需求硬件分配需求通常是嵌入式系統的產品部門根據客戶或者市場的需求 確定的有關產品硬件方面的功能和特性 其內容一般包括 1 外部接口的種類 比如USB接口 串口 網絡接口等 2 接口特性 比如USB應符合USB1 1規范還是USB2 0規范 串口采用RS232還是RS422 網絡接口是10Mbps還是100Mbps或者甚至是1000Mbps 3 外設的型號 規格 比如LCD顯示屏的型號是什么 分辨率是多少 是彩色還是單色 以及支持的顏色數等 鍵盤是4 4的矩陣 還是8 8的矩陣 打印機的型號是什么 是噴墨式 針式還是熱敏式 等等 嵌入式硬件系統開發流程 電路圖規劃根據硬件分配需求的要求 對器件資源進行規劃 并編寫 硬件規格書 確定微處理器的接口資源是否滿足需要確定微處理器對ROM RAM容量和速度的支持是否滿足需要微處理器通用輸入輸出接口分配中斷分配微處理器外圍芯片規劃 嵌入式硬件系統開發流程 器件選型根據該系統對功能和性能的需求 尋找符合功能的器件 一般每個公司都會有自己的器件庫 如果所用器件已經存在于數據庫中 則可以直接選取 如果沒有 則可以通過咨詢代理商 經銷商 互聯網查詢等方式來選擇需要的器件 在這個過程中 首先要選擇的是硬件系統的核心 嵌入式微處理器 之后再根據選定的處理器的情況來選擇其他器件 嵌入式硬件系統開發流程 原理圖設計原理圖的設計原則主要遵從先整體 后局部的原則 先確定需要分成哪些模塊 然后再進行細化 這樣不但能使系統結構清晰 獨立的模塊也可以為以后的設計所使用 從而提高工作效率 嵌入式硬件系統開發流程 原理圖設計 常用工具PADSlogicDxdesignerOrcadcaptureProtel99 嵌入式硬件系統開發流程 原理圖復查設計正確性 檢查各器件的連線是否正確 外圍器件是否有遺漏 模塊之間的連接關系是否正確 器件之間的網絡名是否一致設計完整性 檢查需要的功能是否都已實現設計的可靠性 檢查選擇器件的參數是否滿足實際要求 如電容耐壓值 電阻功率值 二三極管電流值 存儲器工作速度等選擇是否合理 避免出現過熱 過壓 超頻等問題 導致系統失效電磁兼容的考慮 檢查是否有針對電磁兼容增加或預留部分器件 以幫助解決電磁兼容問題 比如電源部分是否采用磁珠進行濾波 芯片電源引腳是否放置去耦電容 微處理器地址線 控制線是否添加串聯電阻等 嵌入式硬件系統開發流程 PCB圖設計PCB的設計需要遵從先復雜后簡單的原則進行設計 先將設計中最復雜的部分或者難度最大的部分現行設計 這樣可以保證布局 走線最合理 性能也能夠達到最優化 例如一個設計中的CPU部分 包括CPU 外部存儲器等 就應該優先進行設計 嵌入式硬件系統開發流程 PCB圖設計 常用工具PADSlayoutOrcadLayoutplusProtel99 嵌入式硬件系統開發流程 PCB圖設計步驟確定PCB機構尺寸從原理圖設計軟件生成網絡表并導入PCB設計軟件器件布局 采用先核心器件 后外圍器件的原則進行布線 對于核心器件和高速信號要優先進行布線后處理 主要包括修改不合理的走線或者多余的走線 電源層平面分割 鋪銅 排列文字 添加各種表示符號等 嵌入式硬件系統開發流程 PCB圖復查布局 比如器件之間的間距是否過小或過大 器件距離板邊是否過近 芯片和其他器件的布局是否利于焊接維護 接口器件的方向是否正確 相關器件是否放置較為靠近等走線 走線是否有直角 走線上是否有多余的過孔或不必要的轉角 走線是否根據電流的不同而更改粗細 走線分叉部分是否盡量短 多顆芯片共用走線是否盡量以菊花鏈的方式連接等 嵌入式硬件系統開發流程 PCB制板PCB圖經過檢查無誤后 生成gerber文件 然后將此文件發送給PCB廠商進行PCB制作 生成gerber文件的作用一是可以對原設計文件進行保密 二是在該文件中各項設計參數的標注是明確的 避免引起PCB廠商對設計的誤解 嵌入式硬件系統開發流程 器件采購 備料在PCB的制作過程中 可同時根據原理圖生成相應的BOM BillOfMaterial 即原材料清單 然后根據BOM清單進行器件采購工作 之后再根據所需的數量進行器件的備料 等待PCB板制作完成后即可進行焊接工作BOM清單中包含了器件的詳細信息 包括器件名稱 說明 以前采購的價格及供應商名稱等 另外在焊接時可對照BOM清單進行器件焊接 清晰 直觀 不易出錯 嵌入式硬件系統開發流程 BOM清單示例 嵌入式硬件系統開發流程 PCB焊接及調試PCB制作完成后 硬件工程師需要對PCB板進行初步的檢查 主要是檢查電源是否存在短路問題 特別是對設計后第一次制作的PCB板更應注意 接下來首先焊接電源部分并檢查電壓是否正常 如沒有問題則可以進行其他器件的焊接 焊接完成后需要再次進行檢查 主要是看系統的各種電壓是否與設計值一致 時鐘是否正常 復位信號是否正常 編寫簡單的硬件驅動軟件 也可以對硬件是否正常工作進行測試 此時需要對整個系統的信號完整性進行分析測量 確保各個器件的實際工作電壓 電流值在設計規定的范圍之內 器件的工作時序滿足要求等 主要內容 嵌入式硬件系統開發流程32位嵌入式系統的設計原則 32位嵌入式系統的設計原則 要有明確的需求 采用自上而下的方法進行設計采用模塊化設計方法 對功能模塊進行劃分選擇器件需要從性能 可靠性 成本等方面進行考慮可靠性設計可根據需要 采用器件參數降額使用或者采用冗余設計等方法來提高和保證 小結 嵌入式硬件系統的設計開發是一項系統性的工作 本章主要概括地介紹了嵌入式硬件系統的開發流程 需要掌握的主要原則以及一些需要特別注意的事項 這些問題在嵌入式硬件系統的設計過程中是非常重要的 往往會決定設計的