嵌入式系统硬件原理设计与审核

以下是我根据10多年电路设计与调试经历总结出的一点经验和感想，姑且叫它“电路原理图设计审核规范”吧，只是一家之言，摘录到这里仅供读者参考。
1）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。
2）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：
a）性价比高；
b）容易开发：体现在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；
c）可扩展性好。
3）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芯片做若干款开发板进行验证，比如AMCC的PPC440EP就有yosemite和bamboo两款开发版。厂家最后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，否则将会影响到他们的芯片推广应用。纵然参考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的情况，我们可以细读CPU芯片手册和勘误表，或者找厂商确认。另外在设计之前，最好能外借或者购买一块选定的参考板进行软件验证，如果软件验证没有问题，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，我们要自己选一种最适合的启动模式，或者做成兼容设计。
4）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：
a）普遍性原则：所选的元器件要是被广泛使用验证过的，尽量少使用冷门、偏门芯片，减少开发风险。
b）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，降低成本。
c）采购方便原则：尽量选择容易买到、供货周期短的元器件。
d）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。
e）可替代原则：尽量选择pin to pin兼容芯片品牌比较多的元器件。
f）向上兼容原则：尽量选择以前老产品用过的元器件。
g）资源节约原则：尽量用上元器件的全部功能和管脚。
5）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，也不能简单地按少数服从多数的原则，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：
a）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，成功的参考设计是“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。
b）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，很难保证对哪怕是自己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。
c）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，比如我们老产品中的IDE经常出问题，经过仔细斟酌，广泛讨论和参考其他成功设计，发现我们的IDE接口有两个管脚连线方式确实不规范。还有，针对FGPI通道丢失视频同步信号的问题，可以在硬件设计中引出硬件同步信号管脚，以便进一步验证，更好发现问题的本质。
6）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，但因为是“拼”出来的原理图，所以我们还要随时根据这些原则来设计审查原理图，这些原则包括：
a）数字电源和模拟电源分割。
b）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），机壳必须接地，以保护用护人身安全。
c）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。
d）阅读系统中所有芯片的手册（一般是设计参考手册），看它们未用的输入管脚是否需要做外部处理，是要上拉、下拉，还是悬空，如果需要上拉或下拉，则一定要做相应处理，否则可能引起芯片内部振荡，导致芯片不能正常工作。
e）在不增加硬件设计难度的情况下尽量保证软件开发方便，或者以较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。
f）功耗问题，设计时尽量降低功耗。
g）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。
7）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，自审后要有95%以上的把握和信心，然后再提交给他人审核，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和步骤。
8）只要开发和审核人员都能够严格按照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第一版成功率都会很高的，所以我提出以下几点：
a）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。
b）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。
c）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。
d）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。
e）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。
9）制定上述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，增强他们的责任感和使命感，提高工作效率和开发成功率，保证产品质量。希望年轻的硬件开发人员能在磨练中迅速成长起来。
对于复杂的PCB板设计，如高频多层板一般都请专人布线，因为复杂的PCB板涉及电磁兼容和电磁干扰方面的问题，这是一门高深的学问，除了一些基本的注意事项外还有一些特殊的防护措施，比如设计时使用一些专门的电磁兼容芯片等，感兴趣的读者可以看一些电磁理论方面的书籍。

本文节选自王洪辉老师的《嵌入式系统Linux内核开发实战指南(ARM平台)》一书。