產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程究竟有哪些？來(lái)看看資深硬件工程師怎么說(shuō)的

　　硬件設(shè)計(jì)就是根據(jù)產(chǎn)品經(jīng)理的需求PRS(Product Requirement Specification)，在COGS(Cost of Goods Sale)的要求下，利用目前業(yè)界成熟的芯片方案或者技術(shù)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成符合PRS功能、性能、電源設(shè)計(jì)、功耗、散熱、噪音、信號(hào)完整性、電磁輻射、安規(guī)、器件采購(gòu)、可靠性、可測(cè)試性、可生產(chǎn)性等要求的硬件產(chǎn)品。

　　可以看到，一個(gè)成功的硬件設(shè)計(jì)，主要功能的實(shí)現(xiàn)只是所有環(huán)節(jié)中的一小部分，而且基本來(lái)說(shuō)，主要功能的實(shí)現(xiàn)主要是依靠芯片廠商提供的套片方案，一般來(lái)說(shuō)為了降低風(fēng)險(xiǎn)，主要是參考套片方案的參考設(shè)計(jì)完成，芯片廠商也會(huì)提供包括器件封裝、參考設(shè)計(jì)、仿真模型、PCB參考等等全部資料，在芯片功能越來(lái)越復(fù)雜的今天，一個(gè)片子動(dòng)不動(dòng)就幾百上千個(gè)PIN，對(duì)于一個(gè)新項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，是沒(méi)有時(shí)間一頁(yè)頁(yè)去吃透每個(gè)PIN，每個(gè)輸入輸出的具體功能，電氣參數(shù)的，尤其是對(duì)于高速設(shè)計(jì)，比如DDR3接口、XAUI接口等等。

　　一般來(lái)說(shuō)芯片廠商提供的參考設(shè)計(jì)就是他們經(jīng)過(guò)開(kāi)發(fā)，驗(yàn)證，測(cè)試的最佳方案了，很多情況就是你必須按照參考設(shè)計(jì)來(lái)做，否則硬件可能就有問(wèn)題，一般來(lái)說(shuō)就是信號(hào)完整性問(wèn)題或者EMC問(wèn)題。

　　芯片廠商提供越來(lái)越周到的服務(wù)，看起來(lái)硬件工程師HW的價(jià)值越來(lái)越低了，畢竟一個(gè)產(chǎn)品的核心功能或者技術(shù)一般都在ASIC或者FPGA里面了，HW一般沒(méi)有能力進(jìn)行核心邏輯設(shè)計(jì)IC design， 畢竟這是跟HW設(shè)計(jì)并行的另一項(xiàng)工作，另一項(xiàng)也很復(fù)雜的工作。

　　對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，我也曾經(jīng)困惑過(guò)，總是感覺(jué)硬件設(shè)計(jì)沒(méi)有什么好搞的了，不就是抄抄參考設(shè)計(jì)，就跟組裝一臺(tái)電腦一樣組裝一個(gè)單板嘛。當(dāng)然隨著項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的增多，尤其從事現(xiàn)在硬件系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的角色，感覺(jué)原來(lái)自己考慮更多是從一名原理圖設(shè)計(jì)工程師的角度考慮問(wèn)題。

　　就像開(kāi)始說(shuō)的，一個(gè)成功的硬件設(shè)計(jì)，功能Function只是一小部分，至于其他的因素和能力，一個(gè)HW的能力取決于能考慮因素越多，越深入，就越是一個(gè) 優(yōu)秀的HW工程師。

　　1、成本Cost：任何一個(gè)賣硬件產(chǎn)品的公司的主要盈利一般來(lái)說(shuō)就是銷售價(jià)格-COGS，而COGS90%取決于設(shè)計(jì)，剩下就是生產(chǎn)成本了，這個(gè)價(jià)格一般來(lái)說(shuō)比較透明，代工廠也很多，競(jìng)爭(zhēng)激烈。雖然說(shuō)設(shè)計(jì)成本60%也取決于主要芯片的價(jià)格(這個(gè)主要要靠公司高層跟芯片廠商談判的結(jié)果了，HW的作用有限，更多是系統(tǒng)工程師做決策用什么芯片能符合產(chǎn)品需求和軟件功能需求)，但是剩下的電阻，電容，電感，二極管，三極管，保護(hù)器件，接口器件，邏輯芯片，邏輯功能，小芯片，電源電路全都是HW做主了，當(dāng)然有參考設(shè)計(jì)，不過(guò)一般來(lái)說(shuō)參考設(shè)計(jì)為了更好體現(xiàn)芯片的良好性能，一般會(huì)選用比較貴的，性能更好的器件，這就要結(jié)合公司的器件庫(kù)進(jìn)行取舍了。 我的經(jīng)驗(yàn)是多看看公司的同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)，看看大家主流是用什么器件，畢竟對(duì)于元器件來(lái)說(shuō)，價(jià)格跟購(gòu)買量有很大關(guān)系，不同的采購(gòu)量導(dǎo)致的價(jià)格可能相差幾倍。

　　2、信號(hào)完整性：主要影響兩方面：EMC和時(shí)序Timing，不好的SI設(shè)計(jì)會(huì)有很強(qiáng)的過(guò)沖over/undershoot，尖峰Spike，這會(huì)造成對(duì)應(yīng)頻率N諧振頻率的發(fā)射;不好的SI設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致High/low不穩(wěn)定，或者上升時(shí)間/下降時(shí)間Rising Time/Falling Time占數(shù)據(jù)周期過(guò)長(zhǎng)，或者時(shí)鐘不穩(wěn)定，都會(huì)導(dǎo)致在接收端采樣Sample時(shí)出現(xiàn)誤判斷，實(shí)際上，接收端不會(huì)出錯(cuò)，出錯(cuò)的只是信號(hào)。 SI設(shè)計(jì)在原理圖設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，主要從阻抗匹配(串行電阻)上來(lái)解決，輔以適當(dāng)?shù)耐笋顬V波電容;跟主要是在PCB上，一般來(lái)說(shuō)PCB層數(shù)越多，SI會(huì)更好，當(dāng) 然這里要跟Cost 進(jìn)行一個(gè)取舍了。

　　3、電源設(shè)計(jì)：雖然一般大些的公司都有專門的電源設(shè)計(jì)工程師，不過(guò)對(duì)于HW來(lái)說(shuō)，基本的Power設(shè)計(jì)能力還是很重要的，從道理上來(lái)說(shuō)，任何電路都是一種電源，任何電路問(wèn)題都可以歸結(jié)于一種電源問(wèn)題，只有對(duì)于電源電路理解深入了，才能對(duì)于電路板理解跟深入，尤其是對(duì)于模擬電路問(wèn)題，才能想到用模擬電路來(lái)設(shè)計(jì)一些簡(jiǎn)單電路，而不是費(fèi)力用邏輯電路來(lái)搭。

　　4、安規(guī)：對(duì)于接口電路來(lái)說(shuō)，主要成本都在與安規(guī)器件，這個(gè)接口究竟要抗多大的電壓，電流打擊?這就要好好考慮用什么器件了，fuse? PTC? TVS?高壓電容?

　　5、電磁兼容： 主要是針對(duì)各個(gè)國(guó)家的相應(yīng)規(guī)范(安規(guī)也是)，對(duì)于各種可能產(chǎn)生輻射的信號(hào)都充分考慮好退耦，濾波，對(duì)于歐盟來(lái)說(shuō)一般是EN55022/EN55024，對(duì)于美國(guó)一般是FCC Part 15， 歐盟和美國(guó)的輻射標(biāo)準(zhǔn)略有不同，歐盟的標(biāo)準(zhǔn)稍微嚴(yán)格一些。

　　6、功耗：現(xiàn)在都提倡環(huán)保，運(yùn)營(yíng)商也是，HW也必須考慮省電，比如用效率更高的電源電路，用PWM替代LDO，效率更高的轉(zhuǎn)換拓?fù)洹?/p>

　　7、散熱：芯片集成度越來(lái)越高，單芯片的功耗從幾瓦到現(xiàn)在的幾十瓦，散熱就是一個(gè)大問(wèn)題，而且伴隨著接口的速率提高，接口芯片的功耗也在提高，造成整個(gè)系統(tǒng)就是：熱!這就需要好好考慮散熱問(wèn)題，從PCB的布局，到散熱片Heatsink的使用，到風(fēng)扇的使用，都有很多考慮。

　　8、噪音：風(fēng)扇是散熱最好的辦法，但是帶來(lái)的問(wèn)題就是噪聲，ITU對(duì)于通信設(shè)備的噪聲也有明確的規(guī)范，這就需要平衡風(fēng)扇數(shù)量，轉(zhuǎn)速，風(fēng)向，控制等因素。

　　9、器件采購(gòu)：HW選用的器件必須得是Sourcing部門能夠采購(gòu)到的，而且一般也要考慮second source的問(wèn)題，和lead time的問(wèn)題，不能說(shuō)選用一個(gè)只有一個(gè)小公司生產(chǎn)的稀有器件，萬(wàn)一這個(gè)器件EoL了，你是怎么辦?只能修改設(shè)計(jì)了，這就損失大了!

　　10、可靠性：整個(gè)系統(tǒng)MTBF的數(shù)值多少?風(fēng)險(xiǎn)最大的器件是什么?每個(gè)器件的工作Margin是百分之多少?

　　11、可測(cè)試性/可生產(chǎn)性：主要針對(duì)于工廠的考慮，必須考慮到方便工廠的生產(chǎn)測(cè)試，方便生產(chǎn)，如果你的測(cè)試很復(fù)雜，會(huì)大大降低生產(chǎn)線的產(chǎn)能和良率，進(jìn)而影響供貨以及生產(chǎn)成品。

　　對(duì)于參考設(shè)計(jì)，我感覺(jué)最有用的地方主要是供電電路，退耦濾波電路以及Layout設(shè)計(jì)，至于總線連接，復(fù)位電路，時(shí)鐘電路，接口電路等等，一般來(lái)說(shuō)都需要根據(jù)公司器件庫(kù)，設(shè)計(jì)案例以及業(yè)界主流器件/方案進(jìn)行修改。所以千萬(wàn)不要迷信參考電路，那只是參考，過(guò)分迷信參考設(shè)計(jì)，自己還沒(méi)搞清楚芯片具體功能/參數(shù)呢，就COPY過(guò)來(lái)，即使能夠工作，肯定在成本方面，生產(chǎn)方面有很多問(wèn)題。

　　硬件設(shè)計(jì)制造流程

　　這兩年硬件的大潮席卷中國(guó)，什么智能硬件、什么硬件開(kāi)源等等，層出不窮。

　　原理設(shè)計(jì)，只有原理上行得通，理論上才行得通。原理設(shè)計(jì)，也叫系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要全盤考慮把需求變成實(shí)際的產(chǎn)品。很多情況下這個(gè)不是難點(diǎn)，難得是怎么把系統(tǒng)想的全面。充分的考慮今后會(huì)發(fā)生什么事。因?yàn)閺脑砩蠣砍兜胶芏嗍虑?，物料，價(jià)格，產(chǎn)品大小，系統(tǒng)穩(wěn)定性，安全防護(hù)等等。一個(gè)好的原理設(shè)計(jì)者會(huì)讓硬件項(xiàng)目事半功倍，而不好的就會(huì)不斷出問(wèn)題，不斷的重新設(shè)計(jì)。這也是硬件工程師越老越吃香的原因，因?yàn)橐粋€(gè)老工程師的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)會(huì)讓項(xiàng)目少走很多彎路，節(jié)省時(shí)間和研發(fā)費(fèi)用。

　　PCB設(shè)計(jì)(電路板設(shè)計(jì))。現(xiàn)在的硬件都是完成在電路板上的，只有電路板做的好，才能完全發(fā)揮原理上的功能和穩(wěn)定性。PCBlayout其實(shí)是一門技術(shù)苦力活，學(xué)起來(lái)不是很難，但是要做好久確很不容易，注意的事太多，一不小心就弄錯(cuò)。要很好的空間感，要細(xì)心。

　　這里我只提一下幾個(gè)容易出問(wèn)題的地方，PCB與結(jié)構(gòu)，阻抗設(shè)計(jì)，電源走向。

　　生產(chǎn)制造。中國(guó)現(xiàn)在已經(jīng)成為全球最大的電子生產(chǎn)基地。很多產(chǎn)品都是在中國(guó)里面完成制造的。一個(gè)產(chǎn)品在工廠生產(chǎn)出來(lái)只是一部分，還需要包括測(cè)試，組裝，庫(kù)存等方面。這其中的學(xué)問(wèn)還是很深的。比如完成那些測(cè)試，怎么測(cè)試，在什么環(huán)境測(cè)試都是一門學(xué)問(wèn)。

　　那么實(shí)際設(shè)計(jì)的步驟是怎樣?

　　1.硬件需求分析。

　　2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)，原理圖設(shè)計(jì)。

　　3.PCB設(shè)計(jì)。

　　4.樣機(jī)制作。

　　5.測(cè)試檢驗(yàn)。

　　6.如果滿足需求，準(zhǔn)備轉(zhuǎn)批量生產(chǎn)，如果不滿足需求，又要從2重新開(kāi)始。

　　7.量產(chǎn)開(kāi)始。

　　這中間其實(shí)還涉及到原材料采購(gòu)等等。為什么很多硬件設(shè)計(jì)不斷跳票，是因?yàn)樗麄児嫉臅r(shí)間點(diǎn)很多是理想的時(shí)間點(diǎn)，量產(chǎn)開(kāi)始后產(chǎn)量也不是一下就上去的，有很多因素制約著產(chǎn)量，特別是原材料的采購(gòu)周期。一般的芯片的采購(gòu)周期是6到8周，而且沒(méi)有預(yù)定或者備貨的話，芯片的量也不會(huì)很多。所以說(shuō)那些開(kāi)始限購(gòu)的產(chǎn)品，但是如果幾個(gè)月或者半年都還在限制銷售的話，這就不得不懷疑這個(gè)公司的誠(chéng)意了。