硬件工程师必杀技之, 7 种武器

2023-08-12 16:20:04 来源：个人图书馆-TopSemic嵌入式

软件是个坑，硬件是大坑。

对于刚刚毕业的学生们来说，选硬件还是写软件，可能一直是个比较纠结的问题。硬件工程师似乎从来不像软件工程师那么风光。大家一想到搞硬件的，可能马上出现的形象是，一个不修边幅的老兄，笨手笨脚地手捏电烙铁，在电路板上一阵乱戳，表达他的热爱。而这热爱的对象有时候并不那么领情，时不时在通电后滋滋怪响，然后冒出一缕青烟，作为对这种单相思的轻蔑。

嗯，每次新板子做好，上电瞬间，可以祈祷的就是千万别冒烟。这可不是杜撰，看一看群里兄弟们，谁没碰到过呢？

(资料图片)

其实软件也有很囧的时候，下面是我一个程序猿朋友的亲身经历：

我是个程序猿，一天我坐在路边一边喝水一边苦苦检查bug。这时一个乞丐在我边上坐下了，开始要饭，我觉得可怜，就给了他1块钱，然后接着调试程序。他可能生意不好，就无聊的看看我在干什么，然后过了一会，他幽幽的说，这里，少了个分号。。。分号。。。分号。。。

嗯，此笑话来源于网络。开完玩笑，还得聊点儿正事儿。作为一个硬件工程师，怎样才能设计出好的产品。

硬件工程师，不容易

有一个看法是现在芯片厂家，或者方案商都会提供比较完整的参考设计，硬件工程师只要比照着抄一下就可以了。持这种看法的人，一定是没做过硬件的吧？就拿最简单的点个LED灯来说，咱们长时间观察，能长期稳定运行的真不多。拿LED做栗子的好处，是它容易暴露问题，而且这种产品出问题也没什么大不了的，最多赔点钱了事儿。无图无真相，上图：

还有一些产品，不像这样能一眼看出来，有的在运行几年后出问题，或者某种不常见的条件下，才会触发，这种就更难处理了。如何能设计出性价比高，又长期运行可靠的产品，对硬件工程师确实是一大挑战。

硬件工程师之7种武器

除了数电，模电，C语言，C++，计算机原理，操作系统，数据结构，算法，画原理图，布PCB板，焊接，调试这些基本技能，硬件工程师还要从多角度考虑问题，下面我们从7个方面聊一下。

需求分析

这个不太受重视，实际上是非常重要的第一步。从项目管理的角度，第一个任务就是要跟客户深入沟通，需要哪些功能，要比客户考虑的更多。往往客户只会提出主要功能，而忽视很多细节，等产品交到用户手里，才发现很多要改，这是特别不希望发生，然而经常发生的事情。所以要重视这第一步，比如要卖到哪些地方，哪些国家？当地气候条件怎么样，要通过哪些测试？有没有强制认证要求？最后形成文档。才能开始设计，越到后面，更改起来越费劲儿，代价越大。

功耗设计

如今设备的节能特性越来越受重视，一般每种产品都有节能标准。我们在设计产品时，要从整体考虑，不能看单一指标，要看待机功耗，运行功耗，然后根据待机时间和运行时间，计算出总的平均功耗。这样对于电池供电的设备，可以增加电池使用寿命。对于交流供电设备，虽然不像电池供电设备那么敏感，但是如果省电，产品卖得贵一些也，从电费上可以节省更多。另外功耗降低，板子的热量也会变低，元器件的寿命会增长。

EMC性能

EMC是个永远绕不过去的话题。有很多设备在实验室怎么测试都是好的，一到现场就出问题，EMC不过关是一个重要的因素。设计产品的每一个环节，都要考虑在内。很多技巧，做项目的时候没准儿就忘掉了。拿单片机来说，并不是跑得越快越好，速度跑太快，EMI会比较严重。在完成功能的同时，我们要尽量降低MCU的频率。GPIO引脚也是如此，翻转频率越慢越好，有的单片机引脚可以设置不同的上升速率，设置成比较低的上升沿，可以有效降低电磁辐射。有条件的可以在布PCB之前完成电路完整性仿真，EMC仿真。

成本控制

这个不用强调，特别是对于大批量生产的。我们需要考虑的就是不能单看物料成本。还要考虑设计成本，制造成本，测试时间成本。所以也不能埋头设计，需要跟其他部门多沟通才行。比如，尽量减少引入新元件种类，我们需要知道公司产品已经使用的元件种类。举例来说，如果要用到少量20K的电阻，公司从来没用过，那是不是可以用两个已有的10K的，串联起来用呢？哪些电阻可以用接近的阻值？可以动脑筋的地方挺多的，再比如哪些功能可以用软件实现，串口，IIC，SPI是不是可以用GPIO模拟？DAC是不是可以用PWM替代？

产品稳定性

玩过硬件的兄弟姐们们都知道，在测试的时候死机不会死人，设备安装到现场后，出问题才会要命。而影响稳定性的因素，可以说是五花八门。比如高低温，震动，盐雾，雷击，防水，灰尘的积累等等，所以在设计时也要有对应的考虑。选择元器件要降额使用，如果功率比较高要和结构一起做散热设计，PCB打样阶段用红外测温仪，或可以贴到PCB的温度传感器，看有没有温度过高的地方。高低温，震动，浪涌，防水这些一定要实际测试，不能抱有侥幸心理。

可制造性，可维修性

在做产品设计时，充分考虑工厂的加工能力。比如拿PCB来说，最大尺寸可以多大，多厚，线宽和线间距最小能做多小，过孔的标准尺寸，最小孔径。元件布局合理吗，对回流焊接有哪些影响，是否能方便地装配？举个小例子，很多IC底部都有一个散热焊盘，这个焊盘是做成一个整体好呢，还是分割成小块儿比较好？这个问题就有专门的文章分析讨论。

美观，方便操作

直男们的最大弱点，却是用户最直接的体验。

以上每个方面都很重要，但往往又是相互冲突的，这就是对每一个工程师的最大挑战，需要我们做出平衡取舍，在较短的时间内和合理的成本控制下，把产品设计做到接近完美。最后，作为硬件工程师，不能纸上谈兵，看文章有用，但还要在实践中多磨炼，多交流学习。

参考文章：

初始化串口后，低功耗模式下电流高是怎么回事？

如何在低功耗模式下debug MCU？

EMC 标准介绍

上市公司，为什么由于ESD而损失惨重

关于静电ESD防护，我们怎样才能免遭毒手

啥叫旁路电容？啥叫去耦？可以不再争论了吗

关于静电ESD防护，为什么记住100条规则也没啥鸟用

EMC基本概念之电流环路 (Current Loop)