第3节 - 基于项目需求的设计及流程

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第3节 - 基于项目需求的设计及流程

脑图

第3节 - 基于项目需求的设计及流程

上一节：电子产品的系统构成及关键元器件的选用

3.1 产品设计流程 - 规范化、时间节点

设计流程本质上是一个将概念变成实际的、能够工作的系统的过程

硬件工程师的设计目标是一个PCB板

产品设计的流程框图

硬件工程师要掌握很多技能，不仅掌握每个环节的设计技能，还要有与此节点相关的专业知识

除了硬件设计技能之外，还可能需要相关的逻辑编程、软件编程、工业设计的能力

3.2 头脑风暴

思想无禁忌，各种可能性都欢迎

所有相关人员一起参与、贡献想法、讨论

专业知识面和搜寻资料的能力非常重要

可以以框图/草稿的方式进行方案的设计、汇总

熟悉各种元器件的属性，做相应的电路设计，可以参考分销商网站的产品和方案信息，获取设计灵感

3.3 方案评估

从众多的方案、创意中根据项目的关键需求以及设计原则确定出最佳的方案

目标 - 选出最佳的方案

用“需求”和“限制”来进行评估

满足项目的需求

功能 - 是否能实现项目要求的所有功能

性能 - 是否能够达到每项功能所需要的性能指标？

可用性 - 在满足了系统功能和性能指标的前提下，是否符合用户的使用习惯？

可靠性 - 作为产品要在市场上长期使用，需要长期稳定可靠

可维护性 - 方便后期的维护和升级

对项目方案选型的“限制”

时间节点

最终产品上市的时间来确定前面每个环节需要的时间以及需要的资源

人力资源

参与项目的研发人员以及可供调动的外部资源，包括项目外包等

预算 - 产出比、性价比，考虑到各种成本

研发人员的人力成本

物料采购成本

测试认证成本

业务沟通成本

市场营销成本

通过现有的条件和手段对各种方案进行充分的仿真、验证

面包板等

低频、穿孔器件进行功能、原理性验证，方便快捷

开发板/功能模块

原厂或其IDH提供，让客户进行性能评估和辅助开发，配有一系列的测试端口和开发接口

仿真软件/工具

不需要实际的物理电路板

在电脑上加载相关器件的设计参数信息，查看其输出结果进行评估

对于模拟电路的器件选择、FPGA的资源使用、IC设计等都非常必要

常用的电路设计/仿真/测试工具

需要考虑的其它因素

性价比

开发成本、产品单价

对器件或工具的熟练程度

熟悉的器件和工具降低学习成本和使用风险，新的器件和工具可能带来新的功能、未来更高的性价比和竞争优势，但风险也较高

备用方案

不确定性永远存在，需要有Plan B，核心器件和配套的测试工具都需要有备用的方案

3.4 方案设计及器件选型

将概念变成系统框图

清晰表达出信号的流程

每个功能模块的内部构成

各个功能模块之间的连接关系

将框图中的每一个模块细化为具体的器件型号

可以确定系统能够实现的功能、达到的性能指标

系统的成本估算

交货周期、上市时间

设计方法

自上而下 - Top Down

从高层次开始设计，逐级分解成多个独立但互相连接的子系统或模块

明确定义各个子系统的功能、性能及重要参数

明确定义各个子系统相互连接的接口方式、传递的参数等

自下而上 - Bottom Up

基于以前的成熟设计，从子系统（模块）开始逐级集成

在模块之间通过Glue Logic进行连接，最后构成完整的系统

组合方式

适用于子系统风险较高的复杂设计，有的部分自上而下，有的部分自下而上，是个组合过程

一些需要权衡的重要因素：

信号的处理是采用模拟还是数字？

系统供电是3.3V还是5V？

是采用高集成度的单芯片还是多个器件组合？

是追求高分辨率还是低功耗？

同样的供电系统是追求较高的速率还是较长的传输距离？

后期的一个改变可能会影响到整个系统

尽可能避免这种设计

在复杂的、高度优化的系统中很难实现

3.5 PCB设计

PCB设计的主要环节

逻辑设计 - 原理图

是根据器件的特性和参数进行的逻辑设计

主要步骤

创建一个新的原理图

添加所用到的器件的符号

通过“连线”将器件的管脚连接起来，这种连线是理想化的直接连接

进行ERC检查，确保元器件之间的连接完备且准确

物理实现 - PCB布局、布线

设定尺寸、层数的PCB板上实现电路设计

元器件布局 + 管脚之间连线

考虑到器件之间、走线之间的相互影响，主要是电磁干扰

考虑到后期生产、加工、调试、维护的实际需要 - DFX

主要步骤：

根据项目需求设定板子的物理尺寸

导入基于原理图生成网表（netlist - 连接关系）

加载netlist中所有元器件的封装，缺少正确对应封装的器件，需要自行创建该器件的封装

布局 - 基于一系列的考虑合理摆放各个元器件的位置

布线 - 在尽可能保证性能的前提下通过实际的“连线”完成元器件管脚之间的电气连接

导出适合生产加工的Gerber文件

导出用于备料的物料清单BOM文件

设计中要考虑的因素：

“约束”会影响到板子的大小、元器件的放置位置、电路板层数的选择等

在布局的时候要根据“约束条件”来设定规则，限定板子的布局和布线

同其它板卡或系统连接的需求 - 板卡尺寸、定位孔、接插件的位置

制板厂的加工工艺要求 - 线宽、间距、过孔孔径等

成本要求

关键元器件的空间要求

符合标准规范

3.6 系统调试

焊接、调试

系统集成

软件

装配

测试、报告

3.7 成本优化、产品化

Cost Down

小批量试产

测试、认证

大规模生产

3.8 布置作业

焊接电路板，需要具备的文档

对文档的要求体会如何？

3.9 时间：3月25日

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硬禾发布

2020-03-25

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