硬件设计规范.docx
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硬件设计规范
第一章概述
第一节硬件开发过程简介
§1.1.1硬件开发的基本过程
产品硬件项目的开发，
第一、是要明确硬件总体需求情况，如设计使用寿命、CPU处理能力、存储容量及速度、I/O端口的分配、CPU资源的使用，接口的要求、电平要求、特殊电路（如逆变电路）要求等等。
撰写需求分析。
第二、根据需求分析指定硬件总体方案，寻求关键器件及电路的技术资料、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的要求。
关键器件索取样品。
第三、总体方案确定后，作硬件和单板软件的详细设计，包括绘制硬件原理图、单板软件功能框图及编码、PCB布线，同时完成明细表编写、新器件件号申请、缺料采购。
第四、领回PCB板及物料后由焊工焊好1—2块单板，作单板调试，对原理设计中的各功能进行调测，必要时修改原理图并作记录。
第五、软硬件系统联调，一般的单板需要硬件人员、单板软件人员的配合，特殊的单板（如带CAN总线系统）需要与上位机联合开发，参与联调的软件人员更多。
一般地，经过单板调试后在原理及PCB布线方面有些调整，需第二次发板。
第六、内部调试合格后需与客户一起联调。
取得客户的认可报告后方可完成硬件的开发。
§1.1.2硬件开发的规范化
硬件开发涉及到技术的应用、器件的选择等，必须遵照相应的规范化措施才能达到质量保障的要求。
这主要表现在，技术的采用要经过总体组的评审，器件和厂家的选择要参照物料认证部的相关文件，开发过程完成相应的规定文挡，另外，常用的硬件电路要采用通用的标准设计。
第二节硬件工程师职责与基本技能
§1.2.1硬件工程师的职责
一个技术领先、运行可靠的硬件平台是公司产品质量的基础，硬件工程师职责神圣，责任重大。
1、硬件工程师应勇于常识新的先进技术之应用，在产品硬件设计中大胆创新。
2、坚持采用开放式的硬件架构，把握硬件技术的主流和未来发展，在设计中考虑将来的技术升级。
3、充分利用公司现有的成熟技术，保持产品技术上的继承性。
4、在设计中考虑成本，控制产品的性能价格比达至最优。
5、技术开放，资源共享，促进公司整体技术提升。
§1.2.2硬件工程师基本素质与技术
硬件工程师应掌握如下基本技能：
第一、由需求分析至总体方案、详细设计的设计创造能力；
第二、熟练运用设计工具，设计原理图、PCB、并且具备调试程序的能力；
第三、运用仿真设备、示波器、逻辑分析仪调测硬件的能力；
第四、掌握常用的标准电路的设计能力，如保护电路、WDT电路、
型滤波电路、高速信号传输线的匹配电路等；
第五、故障定位、解决问题的能力；
第六、文档的写作技能；
第七、接触供应商、保守公司机密的技能。
第二章硬件开发规范化管理
第一节硬件开发流程
§2.1.1硬件开发流程文件介绍
在公司的规范化管理中，硬件开发的规范化是一项重要内容。
硬件开发流程是指导硬件工程师按规范化方式进行开发的准则，规范了硬件开发的全过程。
硬件开发流程制定的目的是规范硬件开发过程控制，硬件开发质量，确保硬件开发能按预定目的完成。
硬件开发流程小但规范化了硬件开发的全过程，同时也从总体上，规定了硬件开发所应完成的任务。
作为一名硬件工程师深刻领会硬件开发流程中各项内容，在日常工作中自觉按流程办事，是非常重要的，否则若大一个公司就会走向混乱。
所有硬件工程师应把学流程、按流程办事、发展完善流程、监督流程的执行作为自己的一项职责，为公司的管理规范化做出的贡献。
§2.1.2硬件开发流程详解
硬件开发流程对硬件开发的全过程进行了科学分解，规范了硬件开发的五大任务。
.技术条件，功能描述
.硬件系统设计
.硬件开发及过程控制
.系统联调
.文档归档及验收申请。
硬件开发真正起始应在立项后，即接到立项任务书后，但在实际工作中，许多项目在立项前已做了大量硬件设计土作。
立项完成后，项目组就已有了产品规格说明书，系统需求说明书及项目总体方案书，这些文件都已进行过评审。
项目组接到任务后，首先要做的硬件开发工作就是要进行技术条件撰写。
技术条件在整个产品开发过程中是非常重要的一环，硬件工程师更应对这一项内容加以重视。
一项产品的性能往往是由软件和硬件共同完成的，哪些是由硬件完成，哪些是由软件完成，项目组必须在需求时加以细致考虑。
技术条件还可以明确硬件开发任务。
并从总体上论证现在的硬件水平，包括公司的硬件技术水平是否能满足需求。
技术条件主要有下列内容。
工作环境
硬件整体系统的基本功能和主要性能指标
功能模块的划分
关键技术的攻关
外购硬件的名称型号、生产单位、主要技术指标
主要仪器设备
内部合作，对外合作，国内外同类产品硬件技术介绍
可靠性、稳定性、电磁兼容讨论
电源、工艺结构设计
硬件测试方案
从上可见，硬件开发总体方案，把整个系统进一步具体化。
硬件开发总体设计是最重要的环节之一。
总体设计不好，可能出现致命的问题，造成的损失有许多是无法挽回的。
另外，总体方案设计对各个单板的任务以及相关的关系进一步明确，单板的设计要以总体设计方案为依据。
（有些产品不需要与外部联调，单板方案即为总体方案）。
而产品的好坏特别是系统的设计合理性、科学性、可靠性、稳定性与总体设计关系密切。
技术条件和硬件总体设计完成后，研发部要对其进行评审。
一个好的产品，特别是需要多方联调的复杂产品，总体方案进行反复论证是小可缺少的。
只有经过多次反复论证的方案，才可能成为好方案。
进行完技术条件评审后，撰写的技术条件书，不但给出项目硬件开发总的任务框架，也引导项目组对开发任务有更深入的和具体的分析，更好地来制定开发计划。
技术条件完成后，项目组即可进行硬件总体设计。
硬件总体设计的主要任务就是从总体上进一步划分各单板的功能以及硬件的总体结构描述，规定各单板间的接口及有关的技术指标。
硬件总体设计主要有下列内容:
系统功能及功能指标
系统总体结构图及功能划分
单板命名
系统逻辑框图
组成系统各功能块的逻辑框图，电路结构图及单板组成
单板逻辑框图和电路结构图
关键技术讨论
关键器件
总体审查包括两部分:
一是对有关文档的格式，内容的科学性，描述的准确性以及详简情况进行审查；再就是对总体设计中技术合理性、可行性等进行审查。
如果评审不能通过，项目组必须对自己的方案重新进行修订。
修订完后再次进行评审，直至评审通过后，进行下一步工作。
硬件总体设计方案通过后，即可着手关键器件的申购，主要工作由项目组来完成，关键元器件往往是一个项目能否顺利实施的重要目标。
关键器件落实后，即要进行单板设计。
单板设计需要项目与结构设计配合完成。
单板设计过程中，对电路板的布局应与结构设计配合完成、走线的速率、线间干扰以及EMI等的设计参考《奥联PCB设计规范》。
单板总体设计完成后，出单板总体设计方案书。
总体设计主要包括下列内容:
单板在整机中的位置:
单板功能描述
单板尺寸
单板逻辑图及各功能模块说明
单板软件功能描述
单板软件功能模块划分
接口定义及与相关板的关系
重要性能指标、功耗及采用标准
开发用仿真器，仪器仪表等设备
每个单板都要有设计方案，并且要同过研发部评审。
否则要重新设计。
只有单板设计方案通过后，才可以进行单板详细设计。
单板详细设计包括两大部分:
单板软件详细设计
单板硬件详细设计
单板软、硬件详细设计，要遵守公司的硬件设计技术规范，必须对物料选用，以及成本控制等上加以注意。
本规范其他章节的大部分内容都是与该部分有关的，希望大家在工作中不断应用，不断充实和修正，使木书内容更加丰富和实用。
不同的单板，硬件详细设计差别很大。
但应包括下列部分:
单板整体功能的准确描述和模块的精心划分。
接口的详细设计。
关键元器件的功能描述及评审，元器件的选择。
符合规范的原理图及PCB图。
对PCB板的测试及调试计划。
单板详细设计要撰写单板详细设计报告。
并经过研发部评审。
如果审查通过，方可进行PCB板设计，如果通不过，则需要重新进行单板设计。
这样做的目的在于让项目组重新审查一下，某个单板详细设计通不过，是否会引起项目整体设计的改动。
如单板详细设计报告通过，项目组一边要与采购处配合准备单板物料申购，一方面进行PCB板设计。
PCB板设计需要项目组与结构室配合进行。
PCB投板有专门的PCB样板流程。
PCB板设计完成后，就要进行单板硬件过程调试，调试过程中要注意多记录、总结，勤于整理，写出单板硬件过程调试文档。
当单板调试完成，项目组要把单板放到相应环境进行单板硬件测试，并撰写硬件测试文档。
如果PCB测试不通过，要重新投板。
在单板软硬件都已完成开发后，就可以进行联调，撰写系统联调报告。
联调是整机性能提高，稳定的重要环节，认真周到的联调可以发现各单板以及整体设计的不足，也是验证设计目的是否达到的唯一方法。
因此，联调必须预先撰写联调计划，并对整个联调过程进行详细记录。
只有一对各种可能的环节验证到才能保证机器走向市场后工作的可靠性和稳定性。
联调后，必须对联调结果进行评审，看是否是符合设计要求。
如果不符合设计要求将要返回去进行优化设计。
如果联调通过，项目要进行文件归档，把应该归档的文件准备好，有质量部（标准化部）进行文件审核，如果通过，才可进行验收。
总之，硬件开发流程是硬件工程师规范日常开发工作的重要依据，全体硬件工程师必须认真学习。
第二节硬件开发文档规范
§2.2.1更件开发文档规范文件介绍
为规范硬件开发过程中文档的编写，明确文档的格式和内容，规定硬件开发过程中所需文档清单，与《硬件开发流程》对应制定了《硬件开发文档编制规范》。
开发人员在写文档时往往会漏掉一些该写的内容，编制规范在开发人员写文档时也有一定的提示作用。
《硬件开发文档编制规范》适用于中央研究部立项项目硬件系统的开发阶段及测试阶段的文档编制。
规范中共列出以下文档的规范:
.硬件需求说明书
.硬件总体设计报告
.单板总体设计方案
.单板硬件详细设计
.单板软件详细设计
.单板硬件过程调试文档
.单板软件过程调试文档
.单板系统联调报告
.单板硬件测试文档
.单板软件归档详细文档
.单板软件归档详细文档
.硬件总体方案归档详细文档
.硬件单板总体方案归档详细文档
.硬件信息库
§2.2.2硬件开发文档编制规范详解
1、硬件需求说明书
硬件需求说明书是描写硬件开发目标，基本功能、基本配置，主要性能指标、运行环境，约束条件以及开发经费和进度等要求，它的要求依据是产品规格说明书和系统需求说明书。
它是硬件总体设计和制订硬件开发计划的依据，
具体编写的内容有:
系统工作环境、硬件整体系统的基木功能和主要性能指标、硬件分系统的基木功能和主要性能指标以及功能模块的划分等。
2、硬件总体设计报告
硬件总体设计报告是根据需求说明书的要求进行总体设计后出的报告，它是硬件详细设计的依据。
编写硬件总体设计报告应包含以下内容:
系统总体结构及功能划分，系统逻辑框图、组成系统各功能模块的逻辑框图，电路结构图及单板组成，单板逻辑框图和电路结构图，以及可靠性、安全性、电磁兼容性讨论和硬件测试方案等。
3、单板总体设计方案
在单板的总体设计方案定下来之后应出这份文档，单板总体设计方案应包含单板版本号，单板在整机中的位置、开发目的及主要功能，单板功能描述、单板逻辑框图及各功能模块说明，单板软件功能描述及功能模块划分、接口简单定义与相关板的关系，主要性能指标、功耗和采用标准。
4、单板硬件详细设计
在单板硬件进入到详细设计阶段，应提交单板硬件详细设计报告。
在单板硬件详细设计中应着重体现:
单板逻辑框图及各功能模块详细说明，各功能模块实现方式、地址分配、控制方式、接口方式、存贮器空间、中断方式、接口管脚信号详细定义、时序说明、性能指标、指示灯说明、外接线定义、可编程器件图、功能模块说明、原理图、详细物料清单以及单板测试、调试计划。
有一时候一块单板的硬件和软件分别由两个开发人员开发，因此这时候单板硬件详细设计便为软件设计者提供了一个详细的指导，因此单板硬件详细设计报告至关重要。
尤其是地址分配、控制方式、接口方式、中断方式是编制单板软件的基础，一定要详细写出。
5、单板软件详细设计
在单板软件设计完成后应相应完成单板软件详细设计报告，在报告中应列出完成单板软件的编程语言，编译器的调试环境，硬件描述与功能要求及数据结构等。
要特别强调的是:
要详细列出详细的设计细节，其中包括中断、主程序、子程序的功能、入口参数、出口参数、局部变量、函数调用和流程图。
在有一关通讯协议的描述中，应说明物理层，链路层通讯协议和高层通讯协议由哪些文档定义。
6、单板硬件过程调试文档
开发过程中，每次所投PCB板，工程师应提交一份过程文档，以便管理阶层了解进度，进行考评，另外也给其他相关工程师留下一份有参考价值的技术文档。
每次所投PCB板时应制作此文档。
这份文档应包括以下内容:
单板硬件功能模块划分，单板硬件各模块调试进度，调试中出现的问题及解决方法，原始数据记录、系统方案修改说明、单板方案修改说明、器件改换说明、原理图、PCB图修改说明、可编程器件修改说明、调试工作阶段总结、调试进展说明、下阶段调试计划以及测试方案的修改。
7、单板软件过程调试文档
每月收集一次单板软件过程调试文档，或调试完毕（指不满一月）收集，尽可能清楚，完整列出软件调试修改过程。
单板软件过程调试文档应当包括以下内容:
单板软件功能模块划分及各功能模块调试进度、单板软件调试出现问题及解决、下阶段的调试计划、测试方案修改。
8、单板系统联调报告
在项目进入单板系统联调阶段，应出单板系统联调报告。
单板系统联调报告包括这些内容:
系统功能模块划分、系统功能模块调试进展、系统接口信号的测试原始记录及分析、系统联调中出现问题及解决、调试技巧集锦、整机性能评估等。
9、单板硬件测试文档
在单板调试完之后，申请内部验收之前，应先进行自测以确保每个功能都能实现，每项指标都能满足。
自测完毕应出单板硬件测试文档，单板硬件测试文档包括以下内容:
单板功能模块划分、各功能模块设计输入输出信号及性能参数、各功能模块测试点确定、各测试参考点实测原始记录及分析、板内高速信号线测试原始记录及分析、系统I/O口信号线测试原始记录及分析，整板性能测试结果分析。
10、硬件信息库
为了共享技术资料，我们希望建立一个共享资料库，每一块单板都希望将它的最有价值最有特色的资料归入此库。
硬件信息库包括以下内容:
典型应用电路、特色电路、特色芯片技术介绍、特色芯片的使用说明、驱动程序的流程图、源程序、相关硬件电路说明、PCB布板注意事项、单板调试中出现的典型及解决、软硬件设计及调试技能。
第三节与硬件开发相关的流程文件介绍
与硬件开发相关的流程主要有下列几个:
项目立项流程
项目实施管理流程
软件开发流程
系统测试工作流程
中试接口流程
内部接收流程
§2.3.1项目立项流程:
是为了加强立项管理及立项的科学性而制定的。
其中包括立项的论证、审核分析，以期做到合理进行开发，合理进行资源分配，并对该立项前的预研过程进行规范和管理。
立项时，对硬件的开发方案的审查是重要内容。
§2.3.2项目实施管理流程:
主要定义和说明项目在立项后进行项目系统分析和总体设计以及软硬件开发和内部验收等的过程和接口，;}指出了开发过程中需形成的各种文档。
该流程包含着硬件开关、软件开发、结构开发、物料申购并各分流程。
§2.3.3软件开发流程:
与硬件开发流程相对应的是软件开发流程，软件开发流程是对软件开发规范化管理文件，流程目的在对软件开发实施有一效的计划和管理，从而进一步提高软件开发的工程化、系统化水平，提高公司软件产品质量和文档管理水平，以保证软件开发的规范性和继承性。
软件开发与硬件结构密切联系在一起的。
一个系统软件和硬件是相互关联着的。
§2.3.4系统测试工作流程:
该流程规定了在开发过程中系统测试过程，描述了系统测试所要执行的功能，输入、输出的文件以及有关的检查评审点。
它规范了系统测试工作的行为，以提高系统测试的可控性，从而为系统质量保证提供一个重要手段。
项目立项完成，成立项目组的同时要成立对应的测试项目组。
在整个开发过程中，测试可分为三个阶段，单元测试、集成测试、系统测试。
测试的主要对象为软件系统。
§2.3.5内部验收流程
制定的目的是加强内部验收的规范化管理，加强设计验证的控制，确保产.品开发尽快进入中试和生产并顺利推向市场。
项目完成开发工作和文档及相关技术资料后，首先准各测试环境，进行自测，并递交《系统测试报告》及项目验收申请表，审核同意项目验收申请后，要求项目组确定测试项目，并编写《测试项目手册》。
测试项目手册要通过总体办组织的评审，然后才组成专家进行验收。
由上可见，硬件开发过程中，必须提前准各好文档及各种技术资料，同时在产品设计时就必须考虑到测试。
第三章：
空调控制器常用接口电路设计
§3.1、电源电路
电源部分的设计需要考虑以下几个问题：
a）输入电压，电流，以及通道
b）输出电压，电流，以及通道
c）系统功耗，过流，过压保护
d）EMC设计
上图的电源部分的设计中，主电源芯片采用TLE4470芯片，该芯片提供2路5V输出，一路350mA，另一路170mA。
能满足绝大部分电路对电源的需求。
同时，该芯片还提供外部复位电路，以及过流，过压保护。
唯一不足的是价格较贵。
在成本要求很严的系统上，可直接采用78L05（100mA）或者SIPEX3819（500mA）来实现电源处理。
去藕电容和旁路电容：
对于典型电压校准电路（如78**）适当的去耦电容应尽可能放置在校准电路的输入、输出位置；在校准电路输入输出中加上0.1uF的去耦电容可以避免可能的内波振动和过滤高平噪声；为了减少输出脉动需要添加一个相对打的旁路电容（10uF/A）
电源部分选用二极管，以及保险丝。
需要考虑整个系统的最大工作电流。
必须保证二极管、保险丝等再正常工作时不被损坏。
防止瞬间高压对整个系统产生的破坏，可在电源跟地之间加一个TVS管抑制瞬间高压。
一般TVS限制电压在36V以上。
防止过电流造成系统不稳定，需要在电源上串连一电感，一般100uH以上。
防止系统电源产生对外界的高频干扰，需要再电源跟地上串连一磁珠。
EMC设计的参数随实际系统的变化而变化。
这里就不阐述了。
可在测试中对参数进行调节。
§3.2、A/C电路
其中，控制电压AC_REQUEST_CTL高电平为5V，低电平为0V，通过Q7控制Q11的通断，Q11导通时，AC_OUT具有12V输出。
实际因二极管，三极管有压降，AC_OUT输出电压只有11V左右。
在9V输入时尤其要考虑这个问题。
以上电路采用了热敏电阻来实现短路保护功能。
正常最大输出电流为100mA。
当AC_OUT短路时，电流达到500mA以上，这时热敏电阻开始动作。
电阻急剧上升，从而达到保护的目的。
另外，短路时需要保证Q11三极管不被烧坏，最大工作电流必须大于500mA这里选用SS8550，最大工作电流可达1.5A。
处于器件允许工作电流范围内。
功耗也在SS8550工作范围内。
根据实际AC_OUT工作电流，选用合适的热敏电阻。
可以得到想要的工作电流。
如实际电路工作电流较小。
可以用一贴片电阻取代热敏电阻RT2。
比如使用1206电阻510R。
这个时候电路工作电流只有20mA左右。
§3.3、电机驱动电路
电机驱动根据实际使用的转向器种类不同，也分为两种。
一种为不带反馈线的电机。
此中电机驱动典型电路如下：
模式电机驱动电流一般在100mA左右。
采用达林顿管ULN2003驱动。
当达林顿管输出电路与12V短路时，RC-MODEDLJC电平拉低，通过检测RC-MODEDLJC的电平，当检测到短路时关闭电机驱动输出。
其中采样电阻R60,R61需要根据实际电机选择。
比如H13项目中R61只需1R。
电阻大了会造成电路误动作，实际设计时必须留有足够的余量。
另一种带反馈线的电机，该电路根据输出控制电压范围的不同实现各种不同的控制功能。
其典型驱动电路如下：
4207：
4208：
9997：
以上三种驱动都能实现功能，可根据成本以及占用板子空间进行选择。
注意短路检测管脚的使用。
§3.4、传感器电路
其中，D1为钳位二极管，当TOP_EVP与12V短路时，将单片机输入电压钳位在5.7V，从而起到保护单片机的作用。
§3.5、I/O扩展电路
该电路采用带输出锁存的串入－并出寄存器74HC595。
该芯片可级联，轻松实现4扩16功能。
因时间仓促，文中错误在所难免。
希望大家批评指正。
以后有最新电路增加附页。
附录1：
风机闭环反馈电路：
其中，WIND_ADJ为PWM输出。
FJFK为风机反馈信号。
风量越大，反馈电压越小。
R104,R105需根据实际反馈电压调节。
再H13项目的设计中，该电阻调为200K可以防止风档为0时风机自转。
V3项目中，该电阻调节为180K。
该电路还能满足短路试验要求。
只接电源跟地线时。
输出短路符合1分钟不损坏的要求。
特别说明：
产品的整体匹配设计，以及功耗设计。
在以往的设计中，三极管的工作状态（放大，饱和等），二极管的类型，额定工作电流，集成电路的输入输出特性，相应时间以及CPU的输入输出能力，整体功耗最小化，留有足够的设计余量等基本设计理念未能贯穿到整个设计以及验证过程中，日后的设计中务必注意此方面的问题。
原理图评审时针对每一个功能电路都必须达到100%审核。
并非以前用过或者没有出过问题之类的理由即可放过。
新增的电路尤其如此！
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