硬件系统工程师宝典 - (EPUB全文下载)

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硬件系统工程师宝典
第1章　需求分析
第2章　概要设计及开发平台
第3章　信号完整性（SI）分析方法
第4章　电源完整性（PI）分析方法
第5章　EMC/EMI分析方法
第6章　DFX分析方法
第7章　硬件系统原理图详细设计
第8章　硬件系统PCB详细设计
第9章　PCB设计后处理及Gerber输出
附录A　Orcad PSpice仿真库（\capture\library\pspice和capture\library\pspice\advanls目录）
附录B　Cadence Allegro调试错误及解决方法
附录C　Allegro错误代码对应表
参考文献
封底
第1章　需求分析
生活中我们完成一件事情，主要包含几个方面：做事情的目标、做事情具备的条件、做事情的过程、事情做完后的效应。就如同修路一样，需要确定所修路的起点和终点、路的级别要求、修路的过程所需要的人力和物力、路修好后所带来的经济效应等。同样，硬件系统设计作为系统工程中的一份子，在设计之初就需要勾绘出系统设计的“鹰眼蓝图”，即所谓的需求分析。
需求分析是硬件系统设计的第一步，在系统设计的环节中起着举足轻重的作用。需求分析做得好，才能够使设计的产品满足市场需求，有了明确的需求才能够确定产品的ID设计方案、结构设计方案、硬件设计方案和软件方案等。硬件系统由硬件电路构成，硬件电路由各种电子元件的实体依据电路设计者有目的的创造行为连接组合而成，本章就产品设计中的硬件系统设计展开论述。
1.1　功能需求
功能需求明确了设计的硬件系统所具备的功能，明确了功能就可以针对要完成的功能选择不同厂家的芯片来实现所需功能。硬件系统常见的功能需求有：供电方式及防护、输入与输出信号类别及处理、无线通信功能等。
1.1.1　供电方式及防护
需要确定硬件系统的供电是采用内置电源板直接从市电供电还是采用外置直流稳压电源供电。采用内置电源板供电，一般需要单独设计开关电源板，针对不同的应用行业开关电源的设计规格不同，需要根据不同的行业标准进行设计。采用外置直流稳压电源供电，能够简化硬件系统电源部分的设计，但需要一个外置的电源。
有些工控类设备或医疗设备需要采用PoE（Power Over Ethernet）供电。PoE指的是在现有的以太网Cat.5布线基础架构不做任何改动的情况下，在为一些基于IP的终端（如IP电话机、无线局域网接入点AP、网络摄像等）传输数据信号的同时，还能为此类设备提供直流供电的技术。PoE技术能在确保现有结构化布线安全的同时保证现有网络的正常运作，最大限度地降低成本。IEEE 802.3af（输出电压为44～57V，输出功率为15.4W）成为首个PoE供电标准，它规定了以太网供电标准，是现在PoE应用的主流实现标准。IEEE802.3at（输出电压为50～57V，输出功率为25.5W）应大功率终端的需求而诞生，在兼容802.3af的基础上，提供更大的供电需求，以满足新的需求。
有些工控类设备或医疗设备要求一部分功能电路的失效不会影响到整个硬件系统的稳定运转，因此对于此类需求的硬件系统需要设计彼此隔离的供电和输入/输出电路模块。对各部分电路的供电可以选用不同规格的电源隔离 IC，对各部分电路的数据输入/输出可以采用数据通信隔离IC。
1.1.2　输入与输出信号类别
硬件与软件的交互完成对信号的处理，硬件的健壮是系统稳定运行的基础，软件赋予产品智能。在硬件系统的需求分析中，需要根据硬件系统所要处理的输入信号及输出信号来选定硬件设计的主方案及外围器件。例如，某医疗系统的中心控制器要求输入信号为外围12种医疗设备采集的数据，中心控制器对输入的信号进行处理后，把输出信号统一以Socket包的形式通过RJ45 以太网口发送到中心服务器，外围医疗设备的接口有USB接口形式TTL电平的UART口、USB接口和RS232串口。输入与输出信号类别的确定侧重于软件分析各接口协议的实现及各部分的有机组合，需要解释各输入/输出数据的类型，并逐项说明其媒体、格式、数据范围、精度和编码方式等。对于硬件系统的设计，需要根据设备输入与输出信号的接口类型和系统处理数据的能力来选定设计方案，并通过与软件系统设计方案的反复迭代来选定硬件的设计平台。
1.1.3　无线通信功能
在进行硬件系统设计时，需要确定该系统的应用领域，确定该系统是否需要具备无线通信功能。在工控类和消费类电子领域，按照通信协议，目前的无线通信方式有：3G无线通信（移动最新推出4G LTE通信技术）、GPRS、WiFi、ZigBee、Bluetooth、IrDA、NFC、UWB、CSS和RFID。在进行产品设计方案选型时，需要根据硬件系统无线通信的方式进行设计选型。
1．3G无线通信
3G无线通信的方式有中国移动的 TD-SCDMA、中国联通的 WCDMA 和中国电信的CDMA2000。采用运营商提供的网络进行无线通信，通信速率快、信号质量高，能够保证通信的质量，节省组网的开支，但是需要提供额外的使用费用。目前在工控类、消费类电子领域采用3G无线通信方式的产品主要有3G手机、3G车载硬盘录像机、3G车载摄像机、行业应用3G平板电脑等。该类产品和技术方案提供商有华为海思科技、中兴、浙江大华、海康卫视、山东卡尔电气等。
2．GPRS
GPRS是通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service）的简称，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。GPRS可以说是GSM的延续。GPRS和以往连续在信道传输的方式不同，是以封包（Packet）方式来传输的，因此使用者所负担的费用以其传输资料的单位计算，并非使用其整个信道，理论上较为便宜。GPRS的传输速率可提升至56～114Kbps。
在产品开发中，一般都采用成熟的GPRS模块，GPRS模块的通信接口一般都采用RS232 COM口，在硬件系统设计中为GPRS模块预留一个RS232串口就可以了，GPRS通信软件的开发依据串口通信方式进行。
3．WiFi
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