硬件电路设计流程系列--方案设计.docx

硬件电路设计流程系列-方案设计 平台的选择很多时候和系统选择的算法是相关的，所以如果要提高架构，平台的设计能力，得不断提高自身的算法设计，复杂度评估能力，带宽分析能力。 常用的主处理器芯片有：单片机，ASIC，RISC(DEC Alpha、ARC、ARM、MIPS、PowerPC、SPARC和SuperH )，DSP和FPGA等，这些处理器的比较在网上有很多的文章，在这里不老生常谈了，这里只提1个典型的主处理器选型案例。 比如市场上现在有很多高清网络摄像机（HD-IPNC）的设计需求，而IPNC的解决方案也层出不穷，TI的解决方案有DM355、DM365、DM368等，海思提供的方案则有Hi3512、Hi3515、Hi3520等，NXP提供的方案有PNX1700、PNX1005等。 对于HD-IPNC的主处理芯片，有几个主要的技术指标：视频分辨率，视频编码器算法，最高支持的图像抓拍分辨率，CMOS的图像预处理能力，以及网络协议栈的开发平台。 Hi3512单芯片实现720P30 编解码能力，满足高清IP Camera应用, Hi3515可实现1080P30的编解码能力，持续提升高清IP Camera的性能。 DM355单芯片实现720P30 MPEG4编解码能力，DM365单芯片实现720P30 编解码能力, DM368单芯片实现1080P30 编解码能力。 DM355是2022 Q3推出的，DM365是2022 Q1推出的，DM368是2022 Q2推出的。海思的同档次解决方案也基本上与之同时出现。 海思和TI的解决方案都是基于linux，对于网络协议栈的开发而言，开源社区的资源是没有区别的，区别的只在于芯片供应商提供的SDK开发包，两家公司的SDK离产品都有一定的距离，但是linux的网络开发并不是一个技术难点，所以并不影响产品的推广。 作为IPNC的解决方案，在720P时代，海思的解决方案相对于TI的解决方案，其优势是支持了编解码算法，而TI只支持了MPEG4的编解码算法。虽然在2022年初，MPEG4的劣势在市场上已经开始体现出来，但在当时这似乎并不影响DM355的推广。 对于最高支持的图像抓拍分辨率，海思的解决方案可以支持支持JPEG抓拍3M Pixels5fps，DM355最高可以支持5M Pixels，虽然当时没有成功的开发成5M Pixel的抓拍（内存分配得有点儿问题，后来就不折腾了），但是至少4M Pixel 的抓拍是实现了的，而且有几个朋友已经实现了2560x1920这个接近5M Pixel 的抓拍，所以在这一点上DM355稍微胜出。 因为在高清分辨率下，CCD传感器非常昂贵，而CMOS传感器像原尺寸又做不大，导致本身在低照度下就性能欠佳的CMOS传感器的成像质量在高分辨率时变差， 于是TI在DM355处理器内部集成了一个叫做ISP的图像预处理模块，它由CCDC，IPIPE，IPIPEIF和H3A模块组成，能帮助实现把CMOS的RAW DATA（一般是指Bayer格式数据）转成YCbCr数据，同时实现包括白平衡调节，直方图统计，自动曝光，自动聚焦等采用CMOS解决方案所必须的功能，故DM355处理器就可以无缝的对接各种图像传感器了。而海思的解决方案对于CMOS的选择就有局限性，它只能用OVT一些解决方案，因为OVT的部分Sensor集成了图像预处理功能。但是DM355不仅可以接OVT的解决方案，还可接很多其他厂家的CMOS sensor，比如Aptina的MT9P031。所以在图像预处理能力方面，DM355继续胜出。 在IPNC这个领域，只要每台挣1个美金就可以开始跑量，所以在那个时代，很少有人会去死抠和MPEG4的性能差异，而且TI已经给了市场一个很好的预期，支持的DM365很快就会面世。所以IPNC这个方案而言，当时很多企业都选择了DM355的方案。有些朋友现在已经从DM355成功过渡到DM365、DM368，虽然你有时候会骂TI，为什么技术不搞得厉害点，在当年就一步到位，浪费了多少生产力。但是技术就是一点一点积累起来，对于个人来不得半点含糊，对于大企业，他们也无法大跃进。DM355的CMOS预处理技术也有很多Bug，SDK也有很多bug，有时会让你又爱又恨，但是技术这东西总是没有十全十美的，能在特定的历史条件下，满足市场需求，那就是个好东西。 当然海思的解决方案在DVS、DVR方面也大放异彩，一点也不逊色于TI的解决方案。 其它芯片的选型则可以参考各芯片厂商官方网站的芯片手册，进行PK，目前大部分芯片厂商的芯片手册都是免NDA下载的，如果涉及到NDA问题，那就得看个人和公司的资源运作能力了，一般找一下国内相应芯片的总代理商，沟通一下，签个NDA还是可以要到相应资料的。每隔一周上各IC大厂的官方主页，关注一下芯片发展的动态这是每个电子工程师的必须课啊，这不仅为了下一个方案设计积累了足够的资本，也为公司的产品策略做足了功课。 芯片采购是电子电路设计过程中不可或缺的一个环节。一般情况下，在各IC大厂上寻找的芯片，只要不是EOL掉的芯片，一般都能采购到。但是作为电子电路的设计者，很少不在芯片采购问题上栽过。常见的情况有以下几种： 1，遇到经济危机，各IC厂商减产，导致芯片供货周期变长，有些IC厂商甚至提出20周货期的订货条件。印象很深的2022年上半年订包PTH08T240WAD，4-6周就取到了货，可是到了2022年下半年，要么是20周货期，要么就是价格翻一番，而且数量只有几个。 2，有些芯片虽然在datasheet上写明了有工业级产品，但是由于市场上用量非常少，所以导致IC厂商生产非常少，市场供货也非常紧缺，这就让要做宽温工业级产品的企业或者军工级产品的企业付出巨大的代价。 3，有些芯片厂商的代理渠道控制得非常严格，一些比较新的芯片在一般的贸易商那采购不到，只能从代理商那订。如果数量能达到一个MPQ 或者MOQ的要求，一般代理商就会帮你采购。但是如果只是要一两个工程样品，那么就得看你和代理商的关系了，如果你刚进入这个行业的话，那很有可能你就无法从代理商这获得这个工程样片。 4，有些芯片是有限售条件，如果芯片是对中国限售而不对亚洲限售的话，一般可以通过新加坡搞进来，如果芯片是对亚洲限售的话，那采购难度得大大的增加，采购的价格也会远远超出你的想象空间。先看一个芯片采购案例： 之前我给一朋友推荐了一个FPGA芯片，他后来给我发了一段聊天记录，如下：2022-8-3 9:13:12 A B XC6SLX16-2CSG225C 订货 2022-8-3 9:22:10 B A 订货多久呢 2022-8-3 9:22:37 A B 2周 2022-8-13 14:22:47 A B XC6SLX16-2CSG225C 这个型号，你那天跟我定的，本来是货期两周的，但是这个型号属于敏感型号，禁运国内的，我们要第三方去代购，所以现在货期要5周左右，你看能接受吗 注：B为芯片采购商，A为芯片供应商 回顾一下当时发生的情形： 2022-8-3，B设计好方案，确定好芯片型号后，因为芯片型号比较新，害怕芯片买不到，于是向芯片供应商A确定了一下芯片的货源情况，当获知价格和货期之后，B非常高兴，非常满意地跟我说，你推荐的芯片性价比真不错，等原理图设计完之后，就马上去订货。 2022-8-13，B设计完原理图后，B要向A下单时，突然收到A的上述回复，于是他一下子就蒙了，因为2周就可以完成PCB layout，1周就可以完成PCB加工生产。也就意味着B即使2022-8-13下单，也得干等2周的时间才能开始焊接调试。（最后A这供应商又获知这芯片是对中国禁售的，没有办法帮B搞定，最后B 从另外一家芯片贸易商那花了5周的时间才采购到，而且价格涨到了450） 耽误2周可能还算是少的了，遇到其他特殊情况，芯片搞不到也都是有可能的，如果是原理图设计好了之后遇到这种情况的话，那简直就要哭了，如果是等PCB layout好了之后再遇到这种情况的话，那就是欲哭无泪了。 所以建议在芯片方案确定之后，就马上下单采购芯片，芯片询价时获得的价格和货期消息有时并不一定准确，因为IC行业的数据库的更新有时具有一定的滞后性，只有下单后等到供应商的合同确认，那才算尘埃落定。 分析系统主芯片对纹波的要求 由于直流稳定电源一般是由交流电源经整流稳压等环节而形成的，这就不可避免地在直流稳定量中多少带有一些交流成份，这种叠加在直流稳定量上的交流分量就称之为纹波，纹波对系统有很多负面的影响，比如纹波太大会造成主处理器芯片的重启，或者给某些AD，DA引入噪声。一个典型的现象就是，如果电源的纹波叠加到音频DA芯片的输出上，则会造成嗡嗡的杂音。下表是设计中所使用芯片对纹波的要求，以及电源芯片能够提供的纹波范围，纹波是选择电源芯片的重要参数，这里只列举一两个芯片进行说明： 芯片纹波统计表 分析系统主芯片的电压上电顺序要求 当今的大多数电子产品都需要使用多个电源电压。电源电压数目的增加带来了一项设计难题，即需要对电源的相对上电和断电特性进行控制，以消除数字系统遭受损坏或发生闭锁的可能性。一般这个在芯片手册中会有详细说明，建议遵守芯片手册中的要求进行设计。 分析系统所有芯片的功耗 统计板卡上用到的所有芯片的功耗，大部分芯片的功耗在芯片手册上都有详细说明，部分芯片的功耗在手册上没有明确写明，比如FPGA，这时候可以根据以往设计的经验值，或者事先将FPGA的逻辑写好，借助EDA工具进行统计，比如ISE 的Xpower Analyzer，下面的表格是一个功耗分析的统计案例。注：因为数据比较多，所以这里只选择了的几个芯片作为代表进行统计。 论证选择的电源方案能否满足以上的所有要求 根据对上电顺序的要求，纹波以及功耗的分析，选择正确的电源方案。电源设计是一个细活，数据统计整理是一个不可缺少的工种，养成良好的设计习惯，是“一板通”必需的环节。 电源方案的选择，学问非常多，分析的文章更是数不胜数。在这里只列举几个规律性的东西。 在消费级产品里面，由于成本非常敏感，散热要求比较高，所以一般倾向于DC/DC 的解决方案，而且现在越来越多倾向于Power Management Multi-Channel IC （PMIC）的解决方案。DC/DC的一个比较大的缺点就是纹波大，另外如果电感和电容设计不合理的话，电压就会很不稳定。 印象非常深的就是有一次用DC/DC给FPGA供电时，根据FPGA的Power Distribution System (PDS)分析，加了足够多的330uF钽电容，结果DC/DC就经常出问题，所以DC/DC的设计一定要细心。大功率电路设计时，电感的选择也非常的关键，参考设计中很多电感型号在北京中发电子市场或者深圳赛格广场上都是买不到的，而国内市场上的替代品往往饱和电流要小于参考设计中电感的要 求值，所以建议设计时也要先买到符合要求的电感之后，再开始做电感的Footprint。 在非消费品领域， LDO、电源模块用得相对较多，因为电源纹波小，设计简单。我初学电路的时候，当时就特怵DC/DC的设计，所以当时一直用的LDO和电源模块，直到后来开始设计消费级产品，因为成本的考虑，才不得不开始设计DC/DC，不过现在IC设计厂商已经基本上都把MOSFET集成到芯片里面去了，所以DC/DC 的设计的复杂度也变小了。