硬件设计怎么才能做好

Ber_thaw99

说起硬件工程师，是大部分学电子技术的人员都向往从事的工作。对于不了解这个行业的人眼里，从事硬件设计工作需要了解的知识点很多，但是当真正从事这个职业之后会逐渐发现，硬件工程师有时候会处在一种相对难受的处境。这是因为在整个设计工作的过程中，硬件工程师最大的工作量在于对文档的编写以及对流程进行沟通，主要体现在原理图的设计和调试，但是这两个工作环节却未能体现太多的技术含量，部分硬件工程师在工作的过程中会觉得自己懂得东西越来越少，产生职场焦虑感。那么作为硬件工程师应该如何认清在职场的未来呢？' u) f- K. V8 H" n, a
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为了更好的回答这个问题，本文从“什么是硬件”、“硬件工程师的职场困惑”、“成功的硬件设计需要的是什么”这三个方面进行深入剖析。

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2 L! }  }: U+ T9 T什么是硬件
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百度百科定义硬件是物理层面的，至少是你能看得到摸得着的东西，它是一种物质载体，物质基础。广义来说人类都是生活在物质基础之上，你可以把所有你能看到的东西都统称为硬件。而从狭义的角度，一般我们所说的软件和硬件指的是电子领域的。' [5 W( e3 {( f* P, X0 v2 H- M
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. e& u8 H( z2 K4 x/ \" i软件代码也是人编写的，我们所熟知的语言比如C、C++等都是通过编译器翻译成汇编语言，然后汇编语言通过汇编器翻译成二进制机器语言，机器语言操控门电路完成相应的动作。硬件是软件的载体，个人觉得，没有硬件，软件就没有存在的意义，硬件是一切的基础，这里可以看出硬件设计是多重要。
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硬件工程师的职场困惑5 A& v: h+ L4 H5 l/ C8 V, a7 P
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可能大部分刚刚接触硬件工程师岗位的人们对于整体化设计很感兴趣，会花大量的时间参与项目中软硬件以及产品的结构设计。但是在经过一段时间的工作之后发现，硬件工程师的工作核心其实不是实际的细节，硬件电路板的细节你可以找各种专业的专门的人去完成，而是更应该专注的是整体。; y. y' c3 |9 i4 |8 d, O


最开始可能会因为电平匹配的问题、信号频率问题大伤脑筋，但是当做过五个、十个项目以后，只要善于总结就会发现最重要的其实是整体设计。
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这个时候会发现做好硬件工程师的工作需要不断地充实自己，不断学习、完善，因为硬件工程师需要的只是纷繁复杂。
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4 Y' k1 z% ?9 f' i9 K, u% s举个具体的例子，例如在进行一个蓝牙设计的项目时，你需要知道天线、馈线的设计,最后到阻抗匹配、矢量分析仪的使用。所有的每一个分支、天线设计、射频电子线路、仪器仪表的使用都是一个可以学习很久的领域，甚至一辈子都学不完。, `$ B, o9 w' a4 R

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蓝牙又分为硬件部分和软件部分。而软件部分又分为协议栈、os部分以及驱动等，这些都是我们需要不断地扩展充实的。4 l( d& t, d. i/ r6 O- ]
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, c; S0 w: v8 T, ]  r, d* g. F& m作为一个硬件工程师，你需要不断的扩展自己的视野，了解整个完整的体系，沟通各个方面的工程师以让自己更清楚产品的整体。3 [' K* w% O+ s# o  t% W, O
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成功的硬件设计需要的是什么
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3 r8 U% }# n6 C一个成功的硬件设计，硬件工程师要从整体的角度进行思考，需要重点考虑以下几点：3 [; \0 v. T* h! m% P& h9 e
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（1）成本：任何一个卖硬件产品的公司的主要盈利一般来说就是销售价格，而销售价格的90%取决于设计，剩下就是生产成本了，这个价格一般来说比较透明，代工厂也很多，竞争激烈。虽然说设计成本60%也取决于产品主要芯片的价格（这个主要要靠公司高层跟芯片厂商谈判的结果了，硬件工程师的作用有限，更多是系统工程师做决策用什么芯片能符合产品需求和软件功能需求），但是剩下的电阻，电容，电感，二极管，三极管，保护器件，接口器件，逻辑芯片，逻辑功能，小芯片，电源电路全都是硬件工程师做主，当然有参考设计，不过一般来说参考设计为了更好体现芯片的良好性能，一般会选用比较贵的，性能更好的器件，这就要结合公司的器件库进行取舍。从本人的经验出发是多看看公司的同类产品设计，看看大家主流是用什么器件，毕竟对于元器件来说，价格跟购买量有很大关系，不同的采购量导致的价格可能相差几倍。
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  a* d) V7 o. N; Y4 g7 u6 p( b（2） 信号完整性Signal Integrity：主要影响包含两方面EMC和时序Timing，不好的SI设计会有很强的过冲over/undershoot，尖峰Spike，这会造成对应频率N谐振频率的发射；不好的SI设计会导致High/low不稳定，或者上升时间/下降时间Rising Time/Falling Time占数据周期过长，或者时钟不稳定，都会导致在接收端采样Sample时出现误判断，实际上，接收端不会出错，出错的只是信号。SI设计在原理图设计来说，主要从阻抗匹配（串行电阻）上来解决，辅以适当的退耦滤波电容；跟主要是在PCB上，一般来说PCB层数越多，SI会更好，当然这里要跟Cost 进行一个取舍。
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: r" M, u. u" A, F; h（3）电源设计Power Supply：虽然一般大些的公司都有专门的电源设计工程师，不过对于HW来说，基本的Power设计能力还是很重要的，从道理上来说，任何电路都是一种电源，任何电路问题都可以归结于一种电源问题，只有对于电源电路理解深入了，才能对于电路板理解跟深入，尤其是对于模拟电路问题，才能想到用模拟电路来设计一些简单电路，而不是费力用逻辑电路来搭。


（4）安规Safety和电磁兼容EMC/EMI：对于接口电路来说，主要成本都在与安规器件，这个接口究竟要抗多大的电压，电流打击？这就要好好考虑用什么器件了。而在电磁兼容方面，主要是针对各个国家的相应规范（安规也是），对于各种可能产生辐射的信号都充分考虑好退耦，滤波，对于欧盟来说一般是EN55022/EN55024，对于美国一般是FCC Part 15， 欧盟和美国的辐射标准略有不同，欧盟的标准稍微严格一些。　' Q5 m4 Q* H; r7 Y

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( R. z0 L8 o6 w0 I( r1 n3 @: l（5）功耗和散热：处于对环境的考虑，硬件工程师也必须考虑省电，比如用效率更高的电源电路，用PWM替代LDO，效率更高的转换拓扑。而散热则是考虑在产品设计的过程中芯片集成度越来越高，单芯片的功耗从几瓦到现在的几十瓦，散热就是一个大问题，而且伴随着接口的速率提高，接口芯片的功耗也在提高，这就需要好好考虑散热问题，从PCB的布局，到散热片Heatsink的使用，到风扇的使用，都有很多考虑。& B, q% R. H$ z0 J" B6 D" m
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. Y1 k7 d$ }' [2 |1 q" x（6）可靠性和可测试性：整个系统MTBF的数值多少？风险最大的器件是什么？每个器件的工作Margin是百分之多少？这些都是需要详细考虑的问题。而可测试性则是主要针对于工厂的考虑，必须考虑到方便工厂的生产测试，方便生产，如果你的测试很复杂，会大大降低生产线的产能和良率，进而影响供货以及生产成品。
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