我的得意之作 | 一塊通信卡耗盡兩年心血，德國人顛覆了我的設(shè)計(jì)理念

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序言：“2017 年工程師節(jié)”今天正式拉開序幕，本屆工程師節(jié)的主題圍繞“技能”二字。身為電子人，無論行走江湖的老者，還是初入此圈的新人，總一兩個(gè)技能傍身、總有一兩個(gè)得意之作。

自 05 年本科畢業(yè)參加工作至今，已有十多個(gè)年頭，而我一直從事嵌入式硬件開發(fā)的工作（必要時(shí)也做一些軟件開發(fā)），所設(shè)計(jì)的硬件電路和模塊不下百種，有簡單的也有復(fù)雜的。其中不乏有讓自己付出極大心血和精力的，這可以認(rèn)為是自己的得意之作，故取其之一來展示。

與德國人打交道，心累也心喜

12 年進(jìn)入一家世界 500 強(qiáng)的外資企業(yè)工作，從事嵌入式硬件開發(fā)工作，負(fù)責(zé)的是 XX 型號設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)中的通信卡的硬件設(shè)計(jì)。該監(jiān)測系統(tǒng)針對的是大型的旋轉(zhuǎn)類設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測，實(shí)時(shí)采集該設(shè)備各個(gè)測試點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，包括旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)加速度、振動參數(shù)、同軸偏心度參數(shù)、旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)溫度參數(shù)等等。通過放置在各個(gè)測試點(diǎn)的傳感器來進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換，然后通過測量板卡將傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過背板上總線傳遞給通信板卡，最后將數(shù)據(jù)傳輸到遠(yuǎn)端的監(jiān)控室和服務(wù)器端。各個(gè)測量板卡和通信板卡之間采用的是標(biāo)準(zhǔn)的 RS485 總線通信方式，通信板卡和遠(yuǎn)端采用的是以太網(wǎng)通信。

雖說公司屬于美資企業(yè)，但是和我們打交道的卻是德國人，我們平時(shí)的所有工作都是向他們匯報(bào)。眾所周知，德國人的細(xì)心和耐心是出了名的，尤其是在研發(fā)工作當(dāng)中，對任何事情都是精益求精。從和他們開始接觸的第一天開始，他們就表明了他們對待研發(fā)工作的態(tài)度，并制定了一系列在研發(fā)工作當(dāng)中應(yīng)該嚴(yán)格遵守的準(zhǔn)則和標(biāo)準(zhǔn)（和公司制度無關(guān)）。首先就是文檔的書寫，不需要長篇大論，能說明問題即可，文檔中不能出現(xiàn)省略號（……）、等（and so on）這些字眼，所有有關(guān)的項(xiàng)目都必須羅列出來；對待結(jié)論性的東西只能出現(xiàn) true or false/yes or no,不能出現(xiàn)模棱兩可的描述；研發(fā)過程中允許出錯(cuò)，但必須要有足夠的正當(dāng)理由；任何工作必須先寫文檔，以文檔為指導(dǎo)；研發(fā)工作必須要有階段性成果，便于討論；任何測試結(jié)果都必須以數(shù)據(jù)說話；任何設(shè)計(jì)都要留有余量……。要求我們必須按照這些口頭的制度來合理安排自己的工作。

一塊通信卡的故事

我們所要開發(fā)的這個(gè)通信板卡的前身是采購自第三方的 ODM 模塊，因此所有的技術(shù)信息對我們來說都是保密的，我們能做的就是知道怎么用，出問題了我們也不知道怎么去維護(hù)，因此在市場占有率提高以后我們顯得非常被動，公司高層最終決定自主研發(fā)，掌握主動權(quán)，進(jìn)一步提高市場占有率和產(chǎn)品利潤。

因此我們針對此通信板卡的研發(fā)是在保留其目前功能接口的前提下（目的是要和現(xiàn)有市場上的設(shè)備兼容）進(jìn)行技術(shù)升級，也就是在涵蓋他們所提供的功能的基礎(chǔ)上添加了自己的功能，包括提高數(shù)據(jù)處理速度、數(shù)據(jù)通信速度、添加操作系統(tǒng)等等。

因此從某種意義上來說，完全是一個(gè)全新的設(shè)計(jì)。

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德國人對這次研發(fā)看得非常重，光針對通信卡的技術(shù)需求就有好幾十頁，細(xì)化到每一個(gè)接口和功能，我們必須在此技術(shù)需求文檔的基礎(chǔ)之上進(jìn)行研發(fā)。

為了更好的了解該產(chǎn)品的特性和工作原理，我們兩個(gè)人公費(fèi)被派往德國參觀和學(xué)習(xí)了一個(gè)半月，實(shí)地去學(xué)習(xí)該產(chǎn)品生產(chǎn)過程以及該監(jiān)測系統(tǒng)的功能。同時(shí)也去學(xué)習(xí)德國人在產(chǎn)品研發(fā)上的每一步工作是如何做的，參觀了德國的高標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)車間。給我印象最深刻的就是車間內(nèi)的工人師傅都是 4、50 歲的年齡比較大的，還有一位負(fù)責(zé)組裝傳感器頭的師傅有 60 多歲了，對于這種非常敏感的傳感器頭，經(jīng)驗(yàn)比技術(shù)更重要。

這一趟德國行不僅完全掌握了該系統(tǒng)的整體功能細(xì)節(jié)，同時(shí)也感受到了發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)之處和美景美食，受益匪淺啊。

回來后第一步就是針對主 MCU 的選型。我在主 MCU 的選型上就花了將近一個(gè)月的時(shí)間，在這一個(gè)月的時(shí)間里，我看了各大半導(dǎo)體廠商的主流 MCU 芯片的資料，而且全是英文版，除了了解各個(gè) MCU 的特點(diǎn)和功能之外,我還要從中選取 3 到 4 種進(jìn)行橫向比較。

我制作了一個(gè)表格,將這幾種 MCU 的特點(diǎn)都羅列出來,從中選擇最接近我們技術(shù)需求的 MCU,同時(shí)還要性價(jià)比高。主要參數(shù)包括:MCU 主頻、Flash 容量、RAM 容量、對外都有哪些接口、封裝形式、供電電壓、最大功耗、所支持的操作系統(tǒng)、芯片的生命周期等等，這些參數(shù)足足有十幾頁。

最后不僅要給德國人提供這個(gè)表格，還要給出意向 MCU，并陳述理由。德國人根據(jù)表格里的數(shù)據(jù)和我陳述的理由，同意了我的選擇為 ST 的一款 MCU。

主 MCU 選定后，外圍器件根據(jù)接口形式很快就選好了，并根據(jù)要求有些通用新品最少選兩個(gè)廠商，留有足夠的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)備份。

遵循德國人訂立的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，我在主 MCU 和外圍接口芯片選好以后，就開始編寫硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)文檔，包括板卡供電、外圍器件、以太網(wǎng) PHY 芯片、串口擴(kuò)展芯片、RS485 接口芯片等，以及初步的硬件原理圖和芯片工作原理簡介。

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針對原理圖的繪制和審查，德國人都有一套嚴(yán)格的流程，一人設(shè)計(jì)交叉審查。還有原理圖中的器件標(biāo)號不能出現(xiàn)有歧義的地方，包括字體的格式、大小等都有嚴(yán)格的規(guī)定。很快我就將第一版的原理圖繪制完成，然后和德國人開會討論了好幾次才最終定稿。關(guān)于 PCB 尺寸是標(biāo)準(zhǔn)的歐式板卡尺寸（160mm*100mm），用的也都是歐式插座，用于和背板的連接。同樣，針對 PCB 的設(shè)計(jì)布線，德國人也有一套嚴(yán)格的規(guī)定，包括不同的信號類型使用不同的線寬和線距，以及 PCB 的標(biāo)注。

德國人做事非常嚴(yán)謹(jǐn)，但是節(jié)奏非常慢，針對這個(gè)通信板卡的整體設(shè)計(jì)，預(yù)計(jì)時(shí)間周期為 2 年，包括軟硬件，硬件工作主要集中在前段，因?yàn)楸仨毺峁?shí)現(xiàn)軟件測試的硬件平臺。

經(jīng)過兩個(gè)月的艱苦奮戰(zhàn)，第一版的 PCB 終于完成，在進(jìn)行打板之前，必須經(jīng)過德國人的審核后才能發(fā)給板廠制作。

PCB 加工完成后，并不是急于進(jìn)行元器件焊接，而是先檢查 PCB 裸板。一方面檢查制作工藝，另一方面也檢查是否存在短路現(xiàn)象，避免焊接元器件后不方便檢查。而且最后還要填寫 CheckList 報(bào)告。

PCB 裸板檢查無誤后才開始進(jìn)行焊接，雖然制作數(shù)量比較少（每次在 10PCS 左右），但是照樣使用 SMT 工藝進(jìn)行器件焊接，禁止手工焊接，避免手工焊接所帶來的問題會被誤認(rèn)為是設(shè)計(jì)缺陷。SMT 結(jié)束后，并不急于上電，而是先檢查焊接質(zhì)量，包括器件焊接正確性、擺放位置、錫的飽滿度等，無誤后進(jìn)行 PCB 清洗，利用專用的清洗劑進(jìn)行超聲波清洗，清洗后進(jìn)行高溫烘干，靜置 24 小時(shí)后準(zhǔn)備上電。

上電之前必須事先設(shè)置好供電電壓，第一步先測總電流，電流正常了再測 PCB 上各個(gè)輸出電壓，都正常后才開始給 MCU 燒寫軟件代碼，進(jìn)行軟件驗(yàn)證。此時(shí)燒寫的并不是最終運(yùn)行的代碼，而是接口驅(qū)動代碼，用來驗(yàn)證各個(gè)接口是否滿足要求。

此時(shí)，針對設(shè)計(jì)需求中硬件部分，必須進(jìn)行模塊劃分，而且最終根據(jù)各個(gè)模塊進(jìn)行單獨(dú)測試，必須事先寫測試流程，包含每一個(gè)步驟以及用到哪些測試工具、怎樣操作、需要測試哪些內(nèi)容，都必須一一詳述。目的就是為了讓任何一個(gè)人看過測試流程之后都知道如何來操作。而且每項(xiàng)測試必須得出最終測試結(jié)果，不合格的項(xiàng)目必須同時(shí)提供改進(jìn)方法，并經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，然后在下一版中進(jìn)行改進(jìn)。

做完各項(xiàng)測試后，有兩項(xiàng)不合格，并提出改進(jìn)方法，進(jìn)行驗(yàn)證。在功能性測試結(jié)束后，必須經(jīng)過高低溫、濕度測試以及 EMC 測試，保證器件能可靠工作。

在第二版中針對第一版測試出現(xiàn)的問題加以改進(jìn)，完全滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求中的每一項(xiàng)，后續(xù)的大量工作均集中在軟件驗(yàn)證上。硬件工程師基本都處在配合軟件工程師工作。

經(jīng)過兩年左右的開發(fā)，這款通信板卡最終實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)功能指標(biāo)，具備量產(chǎn)的條件。同時(shí)也獲到了德國人的贊揚(yáng)。通過這款通信板卡的研發(fā)，我不僅學(xué)習(xí)到了德國人對于產(chǎn)品研發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，包括細(xì)節(jié)處理方法，同時(shí)也增長了許多見識。見識了什么是真正的發(fā)達(dá)國家。

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