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2021-12-22 06:37:09
嵌入式硬件電路設計基本功
2021-12-22 06:37:09 來源: 電子產品世界
我走的電子開發道路其實和大多數人說的一樣，基本的路線為模擬電子(熟練)→數字電路設計(掌握)→單片機(項目開發)→ARM硬件設計(項目開發)→linux學習→linux驅動學習→ARM&linux底層開發(項目開發)→ARM&linux頂層開發(項目開發)→項目經理。我現在還在路上折騰，現在將我的教訓和心得拿來給大家分享，希望對于新手有借鑒。
嵌入式設計是個龐大的工程，今天就說說硬件電路設計方面的幾個注意事項，首先，咱們了解下嵌入式的硬件構架。
我們知道，CPU是這個系統的靈魂，所有的外圍配置都與其相關聯，這也突出了嵌入式設計的一個特點硬件可剪裁。在做嵌入式硬件設計中，以下幾點需要關注。
第一、電源確定
電源對于嵌入式系統中的作用可以看做是空氣對人體的作用，甚至更重要：人呼吸的空氣中有氧氣、二氧化碳和氮氣等但是含量穩定，這就相當于電源系統中各種雜波，我們希望得到純凈和穩定符合要求的電源，但由于各種因素制約，只是我們的夢想。這個要關注兩個方面：
a、電壓
嵌入式系統需要各種量級的電源比如常見的5v、3.3v、1.8v等，為盡量減小電源的紋波，在嵌入式系統中使用LDO器件。如果采用DCDC不僅個頭大，其紋波也是一個很頭疼的問題。
b、電流
嵌入式系統的正常運行不但需要穩定足夠的電源，還要有足夠的電流(其實就是功率達到要求)，因此在選擇電源器件的時候需要考慮其負載，我設計時一般留有30%的余量。
如果是多層板，電源部分在layout的時候需電源分割，這時需要注意分割路徑，盡量將一定量的電源放置在一起。如果是雙面板，則走線寬度需要注意，在板子允許的情況下盡量加寬。合適的退耦電容盡量靠近電源管腳。
第二、 晶振確定
晶振相當于嵌入式系統的心臟，其穩定與否直接關系其運行狀態和通訊性能。常見的振有無源晶振，有源晶振，首先要確定其振蕩頻率，其次要確定晶振類型。
a、無源晶振
其匹配電容和匹配電阻的選擇，這部分一般依據參考手冊。在單片機設計中，經常使用插件晶振配合瓷片電容。在ARM中，為了減少空間和便于布線，經常使用四角無源晶振配合貼片電容。雖然我們對于固定晶振的匹配電路比較熟悉，但是為了達到萬無一失，還是要看參考手冊確定電容大小，是否需要匹配電阻等細節。
b、有源晶振
具有更好的更準確的時鐘信號，但是相比之下，比無緣晶振價格高，因此這也是在硬件電路設計中需要關注的成本。
在做電路板設計時需要注意晶振走線盡量靠近芯片，關鍵信號遠離時鐘走線。在條件允許的情況下增加接地保護環。如果是多層板，也要講關鍵信號遠離晶振的走線。
第三、 預留測試IO口
在嵌入式調試階段，在管腳資源豐富的情況下，我通常預留一個IO口連接led或者喇叭，為下一步軟件的編寫做鋪墊。在嵌入式系統運行過程中適當控制該IO接口，從而判斷系統是否正常運行。
第四、外擴存儲設備
一個嵌入式系統如果有電源、晶振和CPU，那么這就是我們熟悉的最小系統。如果該嵌入式系統需要運行大點的操作系統，那么不但需要CPU具有MMU，CPU還需要外接SDRAM和NANDFLASH。如果該cpu具有SDRAM和NANDFLASH控制器，那么在硬件設計上不用過多的考慮地址線的使用。如果沒有相關的控制器，那么需要注意地址線的使用。
這部分在LAYOUT的時候是一個重點，究其原因就是要使相關信號線等長以確保信號的延時相等，時鐘和DQS的差分信號線走線。在布線的時候各種布線技巧需要綜合使用，例如與cpu對稱分布，菊花鏈布線、T型布線，這都需要依據內存的個數多少來進行選擇，一般來說個數越多，布線越復雜，但是知道其關鍵點，一切迎刃而解。
第五、功能接口
一個嵌入式系統最重要的就是通過各種接口來控制外圍模塊，達到設計者預設的目的。常用的接口有串口(可用來連接藍牙，wifi和3G等模塊)，USB接口、 網絡接口、JTAG接口、音視頻接口、HDMI接口等等。由于這些接口與外部模塊連接，做好電磁兼容設計是重要的一項工作。除此之外，在LAYOUT的時候注意差分線的使用。
第六、屏幕
這個功能之所以單獨列出來，是由于其可有可無。如果一個嵌入式系統只是作為一個連接器連接外圍設備模塊，通過相關接口連接到電腦主機或者直接掛在網絡上，那么屏幕就不需要了。但是如果做出來的是一個消費類產品，與用戶交互頻繁，這就不得不嘮叨幾句。
電容屏幕是嵌入式屏幕的首選，在電路設計中需要注意觸屏連接線和顯示屏連接線的布局。在走線的過程中盡量短的靠近主控cpu，同時注意配對信號走差分線，RGB控制信號走等長。各種信號走線間距遵循3W規則，避免相互干擾。 在屏幕的設計中，一定要確保功率和防止干擾，以防屏幕閃屏和花屏現象的出現。
以上就是我做嵌入式板子設計中的一些經驗，有些經驗是經過沉痛教訓獲得的。希望對你有所啟發。
linux操作系統文章專題：linux操作系統詳解（linux不再難懂）
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