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硬件方案設(shè)計(jì)——（1）共性系統(tǒng)

賈明華

2020-07-27

1 評論 6774 瀏覽 28 收藏

18 分鐘

編輯導(dǎo)語：互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展讓現(xiàn)在的硬件產(chǎn)品變得越來越復(fù)雜，硬件產(chǎn)品設(shè)計(jì)中需要考慮的各方面問題，因?yàn)椴煌挠布a(chǎn)品需要考慮的方向是不一樣的；本篇文章作者介紹了硬件產(chǎn)品幾種通用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮因素。

從機(jī)械類產(chǎn)品到電子類產(chǎn)品再到現(xiàn)在的聯(lián)網(wǎng)類產(chǎn)品，硬件產(chǎn)品現(xiàn)在是越來越復(fù)雜，涉及到各方面領(lǐng)域的技術(shù)和知識也越來越多，所以對硬件產(chǎn)品經(jīng)理的知識面也要求的越來越廣。

原本想把做物聯(lián)網(wǎng)類硬件產(chǎn)品，從硬件到固件再到后臺服務(wù)器等各方面的內(nèi)容都完整的寫出來，但是由于一些問題無法做到一一詳解，所以本章就主要以硬件為主和大家聊一下方案的設(shè)計(jì)。

一、簡介

物聯(lián)網(wǎng)硬件是實(shí)體的硬件產(chǎn)品，具備電子化的系統(tǒng)和聯(lián)網(wǎng)的能力，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備的控制，從而滿足用戶對于信息獲取和設(shè)備控制等方面的需求。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備包括硬件和軟件（也稱為固件）兩部分，硬件部分主要是承載系統(tǒng)程序的運(yùn)行以及信息的采集和指令的執(zhí)行等功能。

下面我們來看下硬件系統(tǒng)中的一些模塊，如圖所示：

硬件模塊

上下行通訊模塊：在整個(gè)系統(tǒng)中上行通訊通常是對上級或?qū)ν獠康耐ㄓ?，下行通常則一般是指對下級或內(nèi)部的通訊方式。以物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備而言，以5G、4G、3G、WIFI、Zigbee、藍(lán)牙、LoRa等通訊技術(shù)進(jìn)行向上級或外部的數(shù)據(jù)收發(fā)和通訊時(shí)一般被稱之為上行通訊，通訊模塊上行會連接各種通訊技術(shù)的網(wǎng)關(guān)/基站。下行則連接硬件設(shè)備內(nèi)部處理器進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備與云端服務(wù)器互通互連的要求。

處理器：它就像人的大腦一樣承載著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，處理器的內(nèi)部可以運(yùn)行各種程序，對外則具備各種的接口。內(nèi)部的程序可以通過調(diào)用各種接口實(shí)現(xiàn)控制不同的元器件，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備的控制。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中大多數(shù)的程序比較簡單，使用最多的就是各種單片機(jī)處理器，有一些程序復(fù)雜的設(shè)備也會使用CPU等處理器。

內(nèi)部通訊：顧名思義是指設(shè)備內(nèi)部元器件之間的通訊，有模擬信號和數(shù)字信號兩種。傳感器或控制器最原始收發(fā)的信號都是模擬信號，一般模擬信號都會轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號然后在與其他元器件進(jìn)行通訊交互。數(shù)字信號傳輸中有很多類型的接口協(xié)議，例如TTL、RS-232、RS-485、SATA、IIC、SPI、UART等，這些不同的接口被統(tǒng)稱為串口，它們是硬件選型和設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要因素。

傳感器/執(zhí)行器：在1.5章節(jié)智能硬件系統(tǒng)概覽中有介紹，它們分別是現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)據(jù)采集者和控制者，既可以采集環(huán)境中各種實(shí)體、非實(shí)體的數(shù)據(jù)，也可以通過一些設(shè)備對現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)體和非實(shí)體進(jìn)行交互和控制。絕大多數(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中都是以它們?yōu)榛A(chǔ)，然后加上通訊模塊使其可以互聯(lián)互通從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品不同的價(jià)值。

儲存：和U盤一樣用于儲存數(shù)據(jù)，在硬件設(shè)備中用的是Flash，它們的空間很小從幾KB到幾十MB不等，主要用于緩存一些數(shù)據(jù)或存儲一些程序代碼。

電源系統(tǒng)：是指設(shè)備從外部電源輸入到內(nèi)部變壓整流的系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)根據(jù)不同元器件的需求把電轉(zhuǎn)換成不同的電壓和電流供其使用。

硬看門狗：很多電子設(shè)備都是在無人值守的環(huán)境中運(yùn)行的，因此就需要設(shè)備在無人干涉的情況下保持24小時(shí)不間斷的運(yùn)行，但程序并不能保證一直都處于正常工作狀態(tài)而不出任何錯(cuò)誤，例如死機(jī)等情況；

所以就需要一種方案保證即便設(shè)備死機(jī)了也可以自動(dòng)重啟恢復(fù)工作，這種方案就叫看門狗——看門狗是一個(gè)獨(dú)立的元器件，它的內(nèi)部是一個(gè)計(jì)時(shí)器，當(dāng)計(jì)時(shí)器歸零時(shí)就會觸發(fā)一個(gè)強(qiáng)制重啟的信號給處理器，從而達(dá)到重啟設(shè)備的目的。

處理器或系統(tǒng)正常工作時(shí)會隔一段時(shí)間給看門狗一個(gè)信號使其重置計(jì)時(shí)器，這樣看門狗就不會觸發(fā)強(qiáng)制重啟的信號；若處理器或程序出現(xiàn)問題沒能按時(shí)給看門狗重置計(jì)時(shí)器的信號，看門狗便會觸發(fā)強(qiáng)制重啟的信號給處理器重啟設(shè)備，使其重新啟動(dòng)工作。

二、核心元器件

一個(gè)產(chǎn)品中的元器件動(dòng)不動(dòng)就成百上千，作為產(chǎn)品經(jīng)理而言不應(yīng)該去關(guān)心所有元器件的選型，一方面是因?yàn)楫a(chǎn)品經(jīng)理沒有足夠的專業(yè)知識，另一方面是產(chǎn)品經(jīng)理也沒有足夠的精力；所以我們應(yīng)該懂得取舍，把專業(yè)的事情交給專業(yè)的人來做。

產(chǎn)品經(jīng)理應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)心的是那些核心的元器件，如何判斷什么是核心的元器件呢？

筆者主要從兩方面因素判斷：

1）影響產(chǎn)品目標(biāo)或性能的元器件：例如一個(gè)攝像機(jī)的Sensor和鏡頭，Sensor的好壞影響圖像色彩的效果和大小，而鏡頭則會影響圖像的成像畸變和視角大小。這兩點(diǎn)是一個(gè)攝像機(jī)最重要的性能指標(biāo)，因此產(chǎn)品經(jīng)理就需要十分了解這類元器件，并主導(dǎo)這類元器件的選型。

2）另一種是和成本關(guān)系較大的元器件：因?yàn)槌杀臼且粋€(gè)產(chǎn)品定位和成敗的關(guān)鍵因素，例如使用電池供電的設(shè)備，不同類型的電池或容量的大小對于產(chǎn)品的成本影響都很大。在選擇電池時(shí)要根據(jù)成本和產(chǎn)品的性能要求做權(quán)衡，有些情況可以用大電池當(dāng)做產(chǎn)品的賣點(diǎn)，有些時(shí)候則需要降低電池的性能去節(jié)省成本，具體的抉擇要根據(jù)情況而定。

這種需要權(quán)衡的事情不能交給工程師等伙伴來做，因?yàn)楫a(chǎn)品經(jīng)理才是在產(chǎn)品起源、市場環(huán)境、產(chǎn)品策略等多方面都了解的人，很多事情的抉擇都是要綜合各種因素去判斷的，因此這些核心的元器件選型一定要經(jīng)過產(chǎn)品經(jīng)理的評估和確定，但是對于那些類似電阻、電容等對產(chǎn)品性能和成本影響不太大的元器件則可以放心的交給工程師伙伴去選擇確認(rèn)。

不同的設(shè)備可被稱為核心元器件的部件也不同，下面是根據(jù)不同設(shè)備類型總結(jié)的一些需要被作為核心元器件去考慮的部件，這里雖然舉例的并不完整，但是還是具備參考的價(jià)值。

在做產(chǎn)品時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況去判斷哪些元器件應(yīng)該去重點(diǎn)分析選型：

主要元器件類型

元器件選型主要是通過元器件的性能指標(biāo)來判斷，不同元器件的性能指標(biāo)也是完全不同，分析一個(gè)元器件首先需要確認(rèn)的就是這個(gè)元器件具備哪些性能指標(biāo)、以及對應(yīng)的性能指標(biāo)是什么意思、在應(yīng)用時(shí)會有什么影響。

這里我們以電池舉例看下電池的性能指標(biāo)有哪些？

這些性能指標(biāo)可以從相關(guān)的產(chǎn)品規(guī)格書中獲取，當(dāng)然也可以從有過使用經(jīng)驗(yàn)的朋友那里獲取。

產(chǎn)品規(guī)格書中的數(shù)據(jù)都是理論值，在使用中一般不能達(dá)到相應(yīng)的性能，而從有經(jīng)驗(yàn)的人那里獲取的信息一般都是他實(shí)際使用中的結(jié)果；這個(gè)結(jié)果相對更加切近實(shí)際的性能，不過需要注意的是不同的產(chǎn)品對性能的影響和使用場景也不同，所以也不要全部參考別人的經(jīng)驗(yàn)之談。

是否可充電：是否可充電是電池基本的特性區(qū)別，一般手持設(shè)備、用戶容易接觸到的設(shè)備以及大功耗的設(shè)備都會采用可充電電池，一方面是因?yàn)楫a(chǎn)品便于充電，另一方面是因?yàn)槭褂貌豢沙潆姷碾姵爻杀具^高?，F(xiàn)在很多的物聯(lián)網(wǎng)傳感器一般都是使用的不可充電電池，因?yàn)檫@些設(shè)備通常在無人值守的情況下運(yùn)行，同時(shí)也因?yàn)樗麄児牡鸵约耙蟠龣C(jī)時(shí)間長的特性。

電池能量密度：是指電池在一定體積下的存電容量，能量密度越高相同體積下電池的容量越大。這個(gè)特性對穿戴類或其他微型設(shè)備比較重要。

電池自放電率：是指電池在沒有負(fù)載的情況下自己本身的電量流失，可充電電池的自放率一般都很高每月10%以上的自放率都是正常的。不可充電電池的自放率則是很低的，每年也就百分之幾。像是鋰亞電池的年自放率可以控制在2%左右，而那些可充電電池的年自放率可達(dá)到100%。正因?yàn)樽苑烹娞匦缘膯栴}，現(xiàn)在很多的傳感器都是采用這種一次性電池，所以才能實(shí)現(xiàn)數(shù)十年的待機(jī)壽命，如果采用可充電電池，那么即便其他元器件不耗電，電池自放都會在幾個(gè)月內(nèi)把電量耗光。

電池放電曲線：是指在一定負(fù)載下電池連續(xù)放電的電壓變化，理想的放電曲線是成直角型的，也就是在電池接近放光時(shí)電壓也可以持續(xù)穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。不好的放電曲線是成曲線逐步下降的，這樣就會導(dǎo)致低于元器件所需電壓的電量無法被用上造成電量的浪費(fèi)。

實(shí)際可用電量：因?yàn)殡姵貢颦h(huán)境影響、自放電影響以及放電壓降的影響導(dǎo)致一部分電量無法真正用掉，所以在選擇電池時(shí)需要評估實(shí)際可用的電量，可用容量=標(biāo)稱容量-可用電壓下的容量（自放電率*使用時(shí)長）。這種評估方法雖然也是理論值，但是相比電池的標(biāo)稱容量還是更加貼近實(shí)際情況的。

在收集元器件資料時(shí)主要有三個(gè)渠道：

直接從官網(wǎng)下載產(chǎn)品的規(guī)格書等元器件資料，這種方式最便捷，不過有些官網(wǎng)上的資料并不齊全或不是最新的；
在各大元器件經(jīng)銷平臺查找，他們一般都會有所售元器件的規(guī)格書，例如立創(chuàng)商場、澤貿(mào)電子、安富利電子、得捷電子、云漢芯城等平臺；
直接找廠商的銷售和技術(shù)支持所要，這種方式一般都能要到最新最全的資料，不過缺點(diǎn)也比較明顯，那就是需要付出較多的溝通成本。

三、電源系統(tǒng)

在一個(gè)電子產(chǎn)品中供電系統(tǒng)是最基本的系統(tǒng)之一，在供電系統(tǒng)中分為兩部分，一部分是電源供給部分，另一部分是根據(jù)元器件供電需求對電源進(jìn)行處理的部分。

電源系統(tǒng)

電源供給部分有電池供電和有線供電兩種方式，這兩種既可以單獨(dú)使用也可以同時(shí)使用。

使用不可充電電池時(shí)一般不會同時(shí)使用有線供電的方式，但是使用可充電電池時(shí)一般都會支持有線供電，因?yàn)榭梢酝ㄟ^有線供電的方式同時(shí)給電池充電。

在給電池充電時(shí)需要增加充電管理的IC和相應(yīng)的電路，用于檢測電池的電量和溫度，通過對充電的電流、電壓控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電并保障電池的使用壽命以及電池使用的安全性。

這兩種不同的供電方式對電子設(shè)備的電源管理系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本也是有很大的影響，除此之外電源輸入的電壓和電流的大小對于設(shè)備內(nèi)部的電源處理也有影響；假設(shè)設(shè)備內(nèi)部需要的電壓是3V和5V、穩(wěn)定電流是40mAh、瞬時(shí)電流是405mAh，那么我們就需要思考以下幾個(gè)問題如何處理。

寬電壓性能：有線供電是否需要支持寬電源輸入（指可接受的電壓浮動(dòng)范圍，例如元器件需要的電壓是3V~5V，但是設(shè)備可以支持3V~12V的電壓輸入）支持寬電壓的好處是方便后期的電源選擇，且可以接受一些電壓的不穩(wěn)定波動(dòng)。壞處是需要增加設(shè)備內(nèi)相應(yīng)電源處理元器件的性能，同時(shí)也就會增加設(shè)備的成本。

電池電壓處理：例如一個(gè)元器件使用的是5V的電壓，但是市面上找不到直接輸出5V電壓的電池，一般都是3.6V和9V的。這里就需要考慮是使用9V的降壓還是使用3.6V串聯(lián)成7.2V的再降壓又或者使用3V升壓呢？這三種不同的方案各有優(yōu)劣勢，比如9V的電池型號少且不便于采購和安裝、升壓的電損耗要高于降壓的電損耗等問題。

電池輸出電流：與有線供電相比電池的輸出電流一般不高，通常也是幾十mAh而已，但是有的元器件瞬時(shí)電流需要幾百mAh甚至更高的電流，這時(shí)就需要考慮是采用大電流的電池（大電流電池在相同價(jià)格下電池容量會降低）還是使用電容（電容可以存儲電然后在短時(shí)間內(nèi)輸出大的電流）的方式來處理這種問題。前者會對電池的選型有限制，后者則沒有此問題，除此之外還需要考慮不同方案的成本。

電源處理部分是根據(jù)不同元器件對供電電壓、電流的要求進(jìn)行處理，從而滿足元器件的供電需求；比如用電設(shè)備的瞬時(shí)電流特別高，那就可能需要增加電容來解決這個(gè)問題。

在一個(gè)設(shè)備中如果各種元器件的工作電壓和電流都不同，那么就需要針對不同的元器件對電源進(jìn)行處理，反之則可以盡量減少電源處理的電路。電源處理電路越多產(chǎn)品的成本、復(fù)雜度、故障率就越高，所以在選擇元器件的時(shí)候盡量的選擇電壓相同的，這樣可以有效降低電路復(fù)雜度和成本。