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第一章概述

第一节系统开发过程简介

1.1.1系统开发的基本过程

1.1.2系统开发的规范化

系统开发中涉及到技术的应用、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，技术的采用要经过系统组的评审，器件和厂家的选择要经过对比，开发过程完成相应的规定文档，另外，常用的硬件电路要采用通用的标准设计。

第二节系统开发工程师职责与基本技能

1.2.1系统开发工程师职责

一个技术领先、运行可靠的系统平台是产品质量的基础，系统开发工程师职责神圣，责任重大。

1）系统开发工程师应勇于尝试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，促进公司整体的技术提升。

1.2.2系统开发工程师的基本素质与技能

系统开发工程师应掌握如下基本技能：

1）由需求分析至总体方案、详细设计的设计创造能力；

2）熟练运用设计工具，设计原理图、PCB和单板程序编写调试的能力；

3）运用仿真设备、示波器、逻辑分析仪调测硬件的能力；

4）掌握常用的标准电路的设计能力；

5）故障定位、解决问题的能力；

6）文档的写作技能；

7）接触供应商、保守公司机密的技能。

第二章系统开发开发规范化管理

第一节系统开发流程

2.1.1系统开发流程文件介绍

系统开发流程是指导系统开发工程师按规范化方式进行开发的准则，规范了系统开发的全过程。

系统开发流程制定的目的是规范系统开发过程控制，系统开发质量，确保系统开发能按预定目的完成。

系统开发流程不但规范化了硬件开发的全过程，同时也从总体上，规定了系统开发所应完成的任务。

2.1.2系统开发流程

系统开发主要有五大任务。

1）系统需求分析；

2）系统设计；

3）开发及过程控制；

4）系统联调；

5）文档归档及验收申请。

部门系统开发主要包括公司立项项目和市场项目。

对于公司立项项目，系统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软硬件设计工作。

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；对于市场项目，项目组接到任务后，首先要做的工作就是要进行硬件需求分析，撰写硬件需求规格说明书。

硬件需求分析在整个产品开发过程中是非常重要的一环，系统开发工程师更应对这一项内容加以重视，全面深入地开展客户需求调研。

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。

硬件需求分析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。

硬件需求分析主要有下列内容。

1）系统工程组网及使用说明；

2）基本配置及其互连方法；

3）运行环境；

4）硬件整体系统的基本功能和主要性能指标；

5）硬件分系统的基本功能和主要功能指标；

6）功能模块的划分；

7）关键技术的攻关；

8）外购硬件的名称型号、生产单位、主要技术指标；

9）主要仪器设备；

10）内部合作，对外合作，国内外同类产品硬件技术介绍；

11）可靠性、稳定性、电磁兼容讨论；

12）电源、工艺结构设计；

13）硬件测试方案。

进行完硬件需求分析后，撰写的硬件需求分析书，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。

硬件需求分析完成后，项目组即可进行硬件总体设计，并撰写硬件总体方案书。

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：

1）系统功能及功能指标；

2）系统总体结构图及功能划分；

3）单板命名；

4）系统逻辑框图；

5）组成系统各功能块的逻辑框图，电路结构图及单板组成；

6）单板逻辑框图和电路结构图；

7）关键技术讨论；

8）关键器件。

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。

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。

硬件需求分析和硬件总体设计完成后，系统开发室和系统应用组要对其进行联合评审。

一个好的产品，特别是大型复杂产品，总体方案进行反复论证是不可缺少的。

只有经过多次反复论证的方案，才可能成为好方案。

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。

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因素。

关键器件落实后，即要进行结构电源设计、单板总体设计。

单板总体设计过程中，对电路板的布局、走线的速率、线间干扰以及EMI等的设计应充分考虑。

并利用相应分析软件进行辅助分析。

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：

1）单板在整机中的的位置：

单板功能描述；

2）单板尺寸；

3）单板逻辑图及各功能模块说明；

4.单板软件功能描述；

5.单板软件功能模块划分；

6.接口定义及与相关板的关系；

7.重要性能指标、功耗及采用标准；

8.开发用仪器仪表等。

每个单板都要有总体设计方案，且要经系统组评审，否则要重新设计。

只有单板总体方案通过后，才可以进行单板详细设计。

单板详细设计包括两大部分：

1）单板软件详细设计；

2）单板硬件详细设计。

单板软、硬件详细设计中必须对物料选用，以及成本控制等上加以注意。

本书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，使本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：

1）单板整体功能的准确描述和模块的精心划分；

2）接口的详细设计；

3）关键元器件的功能描述及评审，元器件的选择；

4）符合规范的原理图及PCB图；

5）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。

单板软硬件的详细设计报告都要有系统组进行进行审查，如果审查通过，方可进行PCB板设计。

如单板详细设计报告通过，项目组一方面准备单板物料申购，另一方面进行PCB板设计。

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。

在结构电源，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目的唯一方法。

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。

只有对各种可能的环节验证到才能保证产品走向市场后工作的可靠性和稳定性。

联调后，必须经系统组对联调结果进行评审，看是不是符合设计要求。

如果不符合设计要求就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，经综合保障室评审，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，阶段性的输出文档在开发人员写文档时也有一定的提示作用。

适用于部门所有项目硬件系统的开发阶段及测试阶段的文档编制，一般性的输出文档如下（具体项目输出的文档以项目要求为准）：

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：

系统工程组网及使用说明、硬件整体系统的基本功能和主要性能指标、硬件分系统的基本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，以便记录工作进度，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。

每次改投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

每周收集一次单板软件过程调试文档，或调试完毕收集，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，部门建立了一个FTP共享资料库，将项目开发过程中的典型应用电路、特色电路、特色芯片技术介绍、特色芯片的使用说明、驱动程序及相关硬件电路说明等共享。

第三节与硬件开发相关的流程简介

2.3.1项目立项

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、可行性分析等，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，具体文档按研发中心要求输出。

2.3.2项目实施管理

该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，并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、结构和电源开发、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，软件开发流程是对系统软件开发规范化管理文件，流程目的在对软件开发实施有效的计划和管理，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。

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。

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。

2.3.5项目验收流程

项目完成开发工作和文档及相关技术资料后，首先准备测试环境，进行自测，并向研发中心提交项目验收申请，项目组确定测试项目，编写《测试规范》和《测试报告》。

测试项目手册要通过研发中心的评审，然后才组织专家进行验收。

由上可见，系统开发全过程中，必须提前准备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。

第三章硬件设计技术规范

第一节常用的接口及总线设计

3.1.1接口标准

常用的接口类型，接物理电气特性划分，大致可分为以下几类：

1）TTL电平接口：

最通用的接口类型，常用做板内及相连板间接口信号标准。

其信号速度一般限制在二、三十兆HZ以内。

驱动能力一般为几毫安到几十毫安，产品设计特别是总线设计时必须考虑负载能力。

2）CMOS电平接口：

速度范围与TTL相仿，驱动能力要弱一些。

3）EIL电平接口：

为高速电气接口，速率可达几百兆，但相应功耗较大，电磁辐射与干扰与较大。

4）RS-232电平接口：

为低速串行通信接口标准，电平为12V，用于DTE与DCE之间的连接。

5）差分平衡电平接口：

能实现较远距离，较高速率的传输，2MHZ信号在匹配适当地情况下，传输距离在15m以上。

6）光隔离接口：

能实现电气隔离，允许信号带宽一般在10M以内，更高速率的器件价格较昂贵。

7）线圈耦合接口：

电气隔离特性好，但允许信号带宽有限。

3.1.2并口及总线设计

总线设计的几个主要注意事项如下：

1）总线驱动能力设计；根据实际应用中可能接入总线的板卡板，应使系统线具有足够的驱动能力。

2）总线隔离挂接在总线上的各单板应使用总线隔离器件。

一方面减轻时总线的负载要求，另一方面对故障进行隔离，另外也确保信号是总线方式而非星形方式传送。

3）时延考虑：

各类总线都有一个速率限制范围，这就限制了总线的物理尺寸、设计时应考虑这点。

另外，在底板尺寸较大时，地址、数据、控制，总线任一槽位的时延确保其时序联系正确。

4）防串扰考虑：

总线设计时，应尽量避免总线长距离相邻走线，如PCB板尺寸允许，线线之间应加入保护隔离地线。

3.1.3RS-232接口总线

RS-232总线是采用按位串行的通讯总线，但它并不限制所传送的数据类型和数据帧长。

可用于同步通信也用于异步通讯。

RS-232对其所传输的数据格式约定为：

信息起始位、数据块停止位、奇偶校验位及若干数据位。

RS-232为了增加抗干扰能力，采用负逻辑电路，其逻辑电平范围：

逻辑0（+5V至+15V）、逻辑1（-15V至-5V），不稳定区（-5V至+5V）。

RS-232的电气接口：

微机接口及内部电路是采用TTL和CMOS型电路。

这些电路都不能直接与RS-232相连，中间必须要进行电平转换，常用的转换芯片有MC1488、MC1489、MAX232等。

MC1488、MC1489需接12V的电源，其中MC1488用在通讯设备的发送端，MC1489用在通讯设备的接收端。

MAX232是单5V供电。

片内集成有升压电路产生12V的电压，使用时片外需匹配相应的电容。

RS-232传输的速率有300、600、1200、2400、4800、9600等标准的波特率。

RS-232最大传输距离是30m，如果要以较高的波特率传输较远的距离，则可选用RS-485，其传输距离可达1500m。

3.1.4RS-485标准接口与联接方法

RS-485的电气特性：

逻辑“1”以两线间的电压差为+（2—6）V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（2—6）V表示。

接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。

RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好，RS-485的数据最高传输速率为10Mbps，最大传输距离标准值为4000英尺（约1219米），实际上可达3000米，另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。

而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。

即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。

因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。

因为RS485接口组成的半双工网络一般只需二根连线，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。

RS485接口连接器采用DB-9的9芯插头座，与智能终端RS485接口采用DB-9（孔），与键盘连接的键盘接口RS485采用DB-9（针）。

第二节硬件电路设计

3.2.1电源设计

1）电源设计的一般原则：

单板上的电源线及地线按其提供给哪部分电路使用可分为模拟电源线及地线和数字电源线及地线。

如果数字部分存在较高频的信号，则必然在电源线和地线上产生毛刺，有可能对模拟电路部分造成干扰，使模拟电路部分噪音增大，指标变差，或工作不正常，所以通常的原则是模拟电源线及地线与数字电源及地线分别相连，两者再在板口相连，即通常所说的“一点接地”如图3.1（对电源线同样适用），以减少相互间的干扰。

板口相连

图3.1一点接地示意图

2）电源的滤波：

电源的常用滤波方法有电容滤波、LC滤波、π型滤波，分述如下：

A.电容滤波

仅采用电容滤波是最简单的滤波方式，通常采用的组合方式是10uF的电解电容并0.1uF的独石电容。

B.LC滤波

LC滤波也是较常采用的电源滤波方式，设计中应注意L、C值的选取，若选取不当不仅不能保护电路，反而会对电路造成损坏。

其电路如下：

图3.2RC滤波及其等效频域电路

R为L内阻及电源的内阻和，电路的传输函数

公式3.1

其中，

，成为LC电路的特征频率，

，成为LC电路的阻尼系数。

若

>1，传输函数H（S）有两不相等负实根，若

<1，传输函数H（S）有两共轭复

根，则在两种情况下，电路对阶跃冲击的响应分别如下图所示：

图3.3电路阶跃响应示意图

由以上分析，可知：

若

<1，LC电路在阶跃冲击下会产生振荡（对应于单板带电插拔），产生比电源供电电压更高的瞬间过冲，对电路中IC造成不良影响，所以在设计时应避免出现此类现象。

C.π型滤波

于单板的电源输入侧，出于上电特性及热插拔的需要，需要加π型滤波电路，基本的电路形式为图3.4所示。

图3.4电源π型滤波

其中，C1为输入侧的输入电容，L1为输入电感，C2为π型滤波电路的输出侧电容；C1的主要目的是为了限制上电瞬间的电压上升率，并滤除输入侧电路由电源引入的纹波，因此，C1一般是由直流电容及交流电容组成的并联电容组，其中直流电容的主要作用是去除电容中的纹波，而交流电容的主要作用是为了去耦。

从参数及器件选择上，输入侧一般选取钽电容，去耦电容的值为0.01uf~1uf之间，针式或贴片均可，但从生产工艺的角度，则以选取贴片为佳，推荐的参数为直流电容10uf，交流电容0.1uf。

电感的作用为抑制电流变化率，电感越大，抑制效果越好，但同时电感太大时的上电特性不好，上电及下电时，电感两端会产生反电势，这样会对后面的负载产生影响，故参数不宜过大，因而推荐的参数为10uH。

输出侧的电容不仅要完成去耦及滤纹波的作用，而且还须维持滤波后电平不受电感反电势的影响，兼顾考虑板内负载大小及板内其他去耦电容的数量，推荐参数为直流电容10uf，交流电容0.01~1uf。

π型滤波

π型滤波仅适用于负载输出较平稳，工作电流小，电流变化不大的情况。

从实验效果看，对电流有0～2A间变化的电路电感采用10uH，电容用220uF能有较好的滤波效果。

2.IC的电源去耦：

经过π型滤波电路的瞬态电压特性会有较大改善，但由于负载及非线形器件的影响，使得电源纹波不可能完全被消除，且分布特性对于电源的特性影响较大，因此，在器件两端应加去耦电容，以改善板内IC侧的电源特性。

器件选择同1所述，推荐的参数为直流电容10uf，交流电容推荐0.01~1uf。

3.2.2常用过流过压防护器件介绍

1）过流防护

A.熔丝：

选用熔点低的金属丝作为过流防护器件，一旦线路中出现瞬间过电流，则金属丝熔断，将外线的过电流切断，以保证其不对单板造成损坏，使用熔丝不会对线路的传输性能造成任何影响，这是它的优点，但熔丝一旦在过电流作用下断开，则须人工进行恢复，在线路条件下不好的地区，维护的工作量非常大。

B.热敏电阻（PTC）：

热敏电阻的可自复性能使其得到越来越广泛的应用。

热敏电阻常温下呈现一电阻特性（几欧到几十欧），当其中流过一定电流时，所产生的热量使热敏电阻的温度升高，热敏电阻的阻值也缓慢升高，或温度上升至超过特定温度点（称为热敏电阻的居里点）。

热敏电阻阻值会急剧增大至几十到几百千欧，从而达到阻断过电流的目的。

热敏电阻呈高阻态后，还会有少量漏电流流过以维持热敏电阻继续发热。

过电流消失后，热敏电阻值又会随温度的逐步下降而恢复常温阻值。

所以热敏电阻不需要更换，免除了维护人员的工作量。

热敏电阻又分两种：

陶瓷型PTC及高分子型PTC。

陶瓷型PTC优点是易做大阻值，稳定性好，缺点是动作速度不及高分子PTC，动作后表面温度高，耐高压性能不如高分子PTC；高分子PTC动作速度快，动作后表面温度低，耐高压性能较好，做小阻值易做，缺点是稳定性差，多次动作后回不到原阻值，有时候阻值差别过大