硬件开发简介--对嵌入式硬件开发工作的内容、流程做了大致的描述.pdf

硬件开发简介硬件开发简介一、硬件开发过程简介1、产品硬件项目的开发首先要明确硬件总体需求情况，如 CPU 处理能力、存储容量及速度，I/O 端口的分配、接口要求、电平要求等；2、根据需求分析指定硬件总体方案，寻求关键器件的技术资料、技术途径、技术支持，要比较充分地考虑技术可能性、可靠性以及成本控制，并对开发调试工具提出明确要求。关键器件索取样片。3、总体方案确定后，做硬件电路的详细设计：包括各种器件的选型、采购，电路原理图和PCB 图的设计。4、编写底层驱动软件。5、领回 PCB 和元器件后，焊制 1-2 块试验板，对原理设计中的各种功能进行调测，必要时修改原理图并做好记录。6、软硬件系统联调，一般地经过调试后在原理和 PCB 布线等方面有些调整，需第二次投板。7、内部验收转中试，硬件项目完成开发过程。二、开发流程1.硬件需求分析2.硬件系统设计3.硬件开发及过程控制4.系统联调5.文档归档及验收申请1.硬件需求分析硬件开发立项后，项目组就有了一些例如产品规格说明书、系统需求说明书之类的已经进行过评审的文件。项目组首先要做的就是根据这些文件的要求进行硬件需求分析。一项产品的性能往往是由软件和硬件共同完成的，哪些由硬件完成，哪些由软件完成，项目组必须在进行需求分析时加以细致考虑。主要包括以下内容：1.1 运行环境、互连方法及其基本配置；1.2 硬件整体系统的基本功能和主要性能指标；1.3 硬件功能模块的划分；1.4 关键技术的攻关；1.5 外购硬件的名称、生产单位、主要技术指标；1.6 主要仪器设备；1.7 电源、工艺结构设计；1.8 可靠性、稳定性、电磁兼容讨论；2.硬件系统设计包括三大部分：2.1 电路原理图设计；2.2 PCB 设计；2.3 底层驱动程序设计。2.1 电路原理图设计2.1.1 工具：protel99se，protel DXP,ORCAD 等等2.1.2 分块设计 举例2.1.3 电路仿真 电路仿真软件 PSPICE，protel99SE 等2.1.4 常用数字信号输入/输出电路2.1.4.1 I/O 资源及扩展 8455/8156 8255 等2.1.4.2 开关信号输入/输出方式2.1.4.3 发光二极管驱动电路2.1.4.4 光电耦合器件接口电路2.1.4.5 MCU 与继电器接口电路其它电路：gps gprs2.2 PCB 设计2.2.1 PCB 设计的一般原则;2.2.2 布线的原则2.2.3 PCB 及电路抗干扰措施2.3 底层驱动程序设计汇编 和 C 语言印制电路板设计原则和抗干扰措施印制电路板设计原则和抗干扰措施摘自电子世界制电路板(PC8)是电子产品中电路元件和器件的支撑件它提供电路元件和器件之间的 电气连接。随着电于技术的飞速发展，PGB 的密度越来越高。PCB 设计的好坏对抗干扰 能力影响很大因此，在进行 PCB 设计时必须遵守 PCB 设计的一般原则，并应符合抗干扰设计的要求。PCBPCB 设计的一般原则设计的一般原则要使电子电路获得最佳性能，元器件的布且及导线的布设是很重要的。为了设计 质量好、造价低的 PCB应遵循以下一般原则：1.布局 首先，要考虑 PCB 尺寸大小。PCB 尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪 声能力下降，成本也增加；过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。在确定PCB 尺寸后再确定特殊元件的位置。最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元 器件进行布局。在确定特殊元件的位置时要遵守以下原则：(1)尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁 干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。(2)某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放 电引出意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。(3)重量超过 15g 的元器件、应当用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件，不宜装在印制板上，而应装在整机的机箱底板上，且应考虑散热 问题。热敏元件应远离发热元件。(4)对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑 整机的结构要求。若是机内调节，应放在印制板上方便于调节的地方；若是机外 调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。(5)应留出印制扳定位孔及固定支架所占用的位置。根据电路的功能单元对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则：(1)按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使 信号尽可能保持一致的方向。(2)以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在 PCB 上尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。(3)在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观而且装焊容易易于批量生产。(4)位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于 2mm。电路板的最佳形状矩形。长宽比为 3：2 成 4：3。电路板面尺寸大于 200 x150mm 时应考虑电路板所 受的机械强度。2布线 布线的原则如下：(1)输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行。最好加线间地线，以免发生反馈藕合。(2)印制摄导线的最小宽度主要由导线与绝缘基扳间的粘附强度和 流过它们的电流值决定。当铜箔厚度为 0.05mm、宽度为 1 15mm 时 通过 2A 的电流，温度不会高于 3，因此导线宽度为 1.5mm 可满足要求。对于集成电路，尤其是数字电路，通常选 0.020.3mm 导线宽度。当然，只要允许，还是尽可能用宽线尤其是电源线和地线。导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。对于集成电路，尤其是数字电路，只要工艺允许，可使间距小至 58mm。(3)印制导线拐弯处一般取圆弧形，而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。此外，尽量避免使用大面积铜箔，否则长时间受热时，易发生铜箔膨胀和脱落 现象。必须用大面积铜箔时，最好用栅格状这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。3.焊盘 焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些。焊盘太大易形成虚焊。焊盘外径 D一般不小于(d+1.2)mm，其中 d 为引线孔径。对高密度的数字电路，焊盘最小直径 可取(d+1.0)mm。PCBPCB 及电路抗干扰措施及电路抗干扰措施印制电路板的抗干扰设计与具体电路有着密切的关系，这里仅就PCB 抗干扰设计的 几项常用措施做一些说明。1.电源线设计 根据印制线路板电流的大小，尽量加租电源线宽度，减少环路电阻。同时、使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。2地线设计 地线设计的原则是：(1)数字地与模拟地分开。若线路板上既有逻辑电路又有线性电路，应使它们尽量 分开。低频电路的地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分串联后 再并联接地。高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而租，高频元件周围尽量用 栅格状大面积地箔。(2)接地线应尽量加粗。若接地线用很纫的线条，则接地电位随电流的变化而变化，使抗噪性能降低。因此应将接地线加粗，使它能通过三倍于印制板上的允许电流。如有可能，接地线应在 23mm 以上。(3)接地线构成闭环路。只由数字电路组成的印制板，其接地电路布成团环路大多 能提高抗噪声能力。3.退藕电容配置 PCB 设计的常规做法之一是在印制板的各个关键部位配置适当的 退藕电容。退藕电容的一般配置原则是：(1)电源输入端跨接 10 100uf 的电解电容器。如有可能，接100uF 以上的更好。(2)原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01pF 的瓷片电容，如遇印制板空隙 不够，可每 48 个芯片布置一个 1 10pF 的但电容。(3)对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件，如 RAM、ROM 存储器件，应在芯片 的电源线和地线之间直接接入退藕电容。(4)电容引线不能太长，尤其是高频旁路 电容不能有引线。此外，还应注意以下两点：(1）在印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时操作它们时均会产生较大火花放电，必须采用附图所示的 RC 电路 来吸收放电电流。一般 R 取 1 2K，C 取 2.2 47UF。(2)CMOS 的输入阻抗很高，且易受感应，因此在使用时对不用端要接地或接正电源。硬件抗干扰及调试经验总结硬件抗干扰及调试经验总结在印刷电路板(PCB)的设计过程中应注意以下抗干扰问题29：(1)地线要有一定宽度，应在 13mm 以上；接地线应构成闭环回路，避免地线间形成电压差；在 PCB 电路中将不同功能的电路进行分区：如将 220V 的高压区与 12V 以下的低压区分开，将模拟部分和数字部分分开，特别要注意将模拟部分和数字部分集中并联一点接地。(2)给重要的单元配置去耦电容。若分块制作 PCB，则每个 PCB 板的入口处的电源线和地线之间并接退耦电容；并接的电容应为一个大容量的电解电容(10100F)和一个非电解电容(0.010.1F)。其中，并接大电容是为了去掉低频干扰成分，并接小电容是为了去掉高频干扰成分。集成芯片也要去耦，每个集成芯片的去耦电容(0.1uF 的陶瓷电容器)必须安装本集成芯片的电源和地线上。(3)PCB 板的布线要采取一定的抗干扰措施。电源线除尽量加宽外，注意采取使电源线、地线的走向和数据信息传递的方向一致；导线的距离要尽量加大，且导线拐弯时应尽量走 135 度的斜线或弧线，尽量避免小于等于 90 度的拐角出现；对于双面板，应使两面布线垂直交叉，以减少磁场耦合；为更好地抗干扰，可在PCB 板上铺铜，但不要在 PCB 板上留下空白的铜箔块，必须使它们接地，避免其成为高频信号的发射和接收天线。在本文的电力载波终端设计和调试过程中总结经验如下：(1)确定电路板尺寸时，除了考虑元件数量及其排列方式外，还应考虑其成品封装盒的大小。(2)应将PCB上的元器件按功能分块布置。把密切相关的元器件靠近放置，数字部分和模拟部分尽量分开，并按照功能划分成块，如功率放大电路、耦合电路、接收电路和存储电路等；这样不仅避免了各部分信号间的互相耦合，有利于硬件抗干扰，更有利于调试过程中故障的查找。(3)在制作耦合线圈时要注意选用耐高温线，或用漆包线绕制，耦合线圈在焊接时应尽可能减少热量输入，以防绝缘线被损。在系统接工频上电前要注意检查原、副边是否产生短路。(4)在图4.3.1.1中，功率放大三极管N2、P2的管脚封装顺序和普通三极管的有所不同，在设计PCB选择封装时，要特别注意；在这方面的疏忽很可能导致放大电路无法正常工作，N1和P1接错甚至会导致芯片烧损。(5)在陶瓷滤波器布线中，3脚的接线应尽量采用短粗线，并且使其接近退耦电容。