嵌入式產品，與普通電子產品一樣，開發過程都需要遵循一些基本的流程，都是一個從需求分析到總體設計，詳細設計到最后產品完成的過程。但是，與普通電子產品相比，嵌入式產品的開發流程又有其特殊之處。它包含嵌入式軟件和嵌入式硬件兩大部分，針對嵌入式硬件和軟件的開發，在普通的電子產品開發過程中，是不需要涉及的。嵌入式產品的研發流程具體如下圖：

 

下面，針對嵌入式產品的開發過程中的各個階段，我們進行詳細探討。

階段1：產品需求

 

在這一個階段，我們需要弄清楚的是產品的需求從何而來，一個成功的產品，我們需要滿足哪些需求。只有需求明確了，我們的產品開發目標才能明確。在產品需求分析階段，我們可以通過以下這些途徑獲取產品需求：

 

1)市場分析與調研，主要是看市場有什么需求,還有就是前沿的技術是什么(站在做一款產品的角度);

 

2)客戶調研和用戶定位，從市場廣大客戶那獲取最準確的產品需求(要注意分析市場，產品生命周期，升級是否方便);

 

3)利潤導向(成本預算);

 

 

 

4)如果是外包項目，則需要我們的客戶提供產品的需求(直接從客戶那獲取，讓客戶簽協議);

 

 

 

當一個項目做完的時候，如果客戶突然又增加需求，增加功能，將導致你的項目周期嚴重拖延，成本劇烈上升，并且測試好的產品可能要全部重新測試，原本的設計可能將不會滿足當前的要求，所以做項目之前，最好要跟客戶把需求確定下來，并且簽定一份協議，否則，你辛苦多少個日日夜夜，得到的將是一個無法收拾的爛攤子!

 

 

 

階段2：產品規格說明

 

 

 

在前一個階段，我們搜集了產品的所有需求。那么在產品規格說明階段，我們的任務是將所有的需求，細化成產品的具體的規格，就比如一個簡單的USB轉串口線，我們需要確定產品的規格，包括：

 

 

 

產品的外觀;

 

產品支持的操作系統;

 

產品的接口形式和支持的規范;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

等等諸如此類，切記，在形成了產品的規格說明后，在后續的開發過程中，我們必須嚴格的遵守，沒有200%的理由，不能隨意更改產品的需求。否則，產品的開發過程必將是一個反復無期的過程。

 

 

 

《產品規格說明》主要從以下方面進行考慮：

 

 

 

考慮該產品需要哪些硬件接口;

 

產品用在哪些環境下，要做多大，耗電量如何。如果是消費類產品，還跟設計美觀，產品是否便于攜帶，以確定板子大小的需求，是否防水;

 

產品成本要求;

 

產品性能參數的說明(例如交換機，如果是百兆的速率，用于家庭和一般公司;如果是用于整個省的交換，那設計的速率肯定數十萬兆以上了)所以說，產品性能參數的不同，就會影響到我們設計考慮的不同，那么產品的規格自然就不同了;

 

需要適應和符合的國家標準，國際標準，或行業標準;

 

 

 

階段3：產品總體設計方案

 

 

 

在完成了產品規格說明以后，我們需要針對這一產品，了解當前有哪些可行的方案，通過幾個方案進行對比，包括從成本、性能、開發周期、開發難度等多方面進行考慮，最終選擇一個最適合自己的產品總體設計方案。

 

 

 

在這一階段，我們除了確定具體實現的方案外，我們還需要綜合考慮，產品開發周期，多少人月的工作量，需要哪些資源或者外部協助，以及開發過程中可能遇到的風險及應對措施，形成整個項目的項目計劃，指導我們的整個開發過程。

 

階段4：產品概要設計

 

 

 

產品概要設計主要是在總體設計方案的基礎上進一步的細化，具體從硬件和軟件兩方面入手：

 

 

 

硬件模塊概要設計

 

 

 

硬件模塊概要設計，主要從硬件的角度出發，確認整個系統的架構，并按功能來劃分各個模塊，確定各個模塊的的大概實現。首先要依據我們到底要哪些外圍功能以及產品要完成的工作，來進行CPU選型(注意：CPU一旦確定，那么你的周圍硬件電路，就要參考該CPU廠家提供的方案電路來設計)。然后再根據產品的功能需求選芯片，比如是外接AD還是用片內AD，采用什么樣的通訊方式，有什么外部接口，還有最重要的是要考慮電磁兼容。

 

 

 

一般一款CPU 的生存周期是5-8年，你考慮選型的時候要注意，不要選用快停產的CPU，以免出現這樣的結局：產品辛辛苦苦開發了1到2 年，剛開發出來，還沒賺錢，CPU又停產了，又得要重新開發。很多公司就死在這個上面。

 

 

 

軟件模塊概要設計

 

 

 

軟件模塊概要設計階段，主要是依據系統的要求，將整個系統按功能進行模塊劃分，定義好各個功能模塊之間的接口，以及模塊內主要的數據結構等。

 

 

 

階段5：產品詳細設計

 

 

 

硬件模塊詳細設計

 

 

 

主要是具體的電路圖和一些具體要求，包括 PCB和外殼相互設計，尺寸這些參數。接下來，我們就需要依據硬件模塊詳細設計文檔的指導，完成整個硬件的設計。包括原理圖、PCB的繪制。

 

 

 

軟件模塊詳細設計

 

 

 

功能函數接口定義，該函數功能接口完成功能，數據結構，全局變量，完成任務時各個功能函數接口調用流程。在完成了軟件模塊詳細設計以后，就進入具體的編碼階段，在軟件模塊詳細設計的指導下 ，完成整個系統的軟件編碼。

 

 

 

一定要注意需要先完成模塊詳細設計文檔以后，軟件才進入實際的編碼階段，硬件進入具體的原理圖、PCB實現階段，這樣才能盡量在設計之初就考慮周全，避免在設計過程中反復修改。提高開發效率，不要為了圖一時之快，沒有完成詳細設計，就開始實際的設計步驟。

 

 

 

階段6&7：產品調試與驗證

 

 

 

該階段主要是調整硬件或代碼，修正其中存在的問題和BUG，使之能正常運行，并盡量使產品的功能達到產品需求規格說明要求。

 

 

 

硬件部分：

 

目測加工會得PCB板是否存在短路，器件是否焊錯，或漏焊接;

 

測試各電源對地電阻是否正常;

 

上電，測試電源是否正常;

 

分模塊調試硬件模塊，可借助示波器、邏輯分析儀等根據。

 

 

 

 

 

 

 

軟件部分：

 

驗證軟件單個功能是否實現，驗證軟件整個產品功能是否實現。

 

 

 

階段8：測試

 

 

 

功能測試(測試不通過，可能是有BUG);

 

壓力測試(測試不通過，可能是有BUG或哪里參數設計不合理);

 

性能測試(產品性能參數要提煉出來，供將來客戶參考，這個就是你的產品特征的一部分);

 

 

 

其他專業測試：包括工業級的測試，例如含抗干擾測試，產品壽命測試，防潮濕測試，高溫和低溫測試(有的產品有很高的溫度或很低的溫度工作不正常，甚至停止工作)。

 

 

 

有的設備電子元器件在特殊溫度下，參數就會異常，導致整個產品出現故障或失靈現象的出現;有的設備，零下幾十度的情況下，根本就啟動不了，開不了機;有的設備在高溫下，電容或電阻值就會產生物理的變化，這些都會影響到產品的質量。這里要引出一個話題，工業級產品與消費類產品有什么區別呢?工業級的產品就要避免這些異常和特殊問題，有的產品是在很深的海里工作，或者在嚴寒的山洞工作，或者火熱沙漠工作，或者顛簸的設備上，比如汽車;或者是需要防止雷擊;所以這就是工業級產品跟消費類產品的區別，消費類的產品就不需要做這么多的測試。

 

 

 

階段9：產品

 

 

 

通過上一階段完整測試驗證，在此階段，即得到我們開發成功的產品。在此階段，可以比較實際的產品和最初的形成的產品規格說明，看經過一個完整的開發過程，是否產品完全符合最初的產品規格說明，又或者，中途發現產品規格說明存在問題，對它進行了多少修改呢?

 

 

 

 

附錄：嵌入式硬件開發流程

 

 

 

之前，我們詳細講述了嵌入式產品的研發流程，那么在這一節，我們具體以嵌入式產品的硬件部分為例，再次講解其開發過程，希望通過這一節，大家能對嵌入式硬件開發流程有更深刻的認識，在以后的學習和工作中，更加規范化和標準化，提高開發技能。嵌入式硬件開發流程一般如下圖，分為8個階段：

 

 

 

 

 

 

 

嵌入式產品的硬件形態各異，CPU 從簡單的4 位/8位單片機到32 位的ARM處理器，以及其他專用IC。另外，依據產品的不同需求，外圍電路也各不相同。每一次硬件開發過程，都需要依據實際的需求，考慮多方面的因素，選擇最合適的方案來。

 

 

 

硬件階段1：硬件產品需求

 

 

 

和普通的嵌入式產品需求一樣。階段1：產品需求。

 

 

 

硬件階段2：硬件總體設計方案

 

 

 

一個硬件開發項目，它的需求可能來自很多方面，比如市場產品的需要或性能提升的要求等，因此，作為一個硬件設計人員，我們需要主動去了解各個方面的需求并分析，根據系統所要完成的功能，選擇最合適的硬件方案。

 

 

 

在這一階段，我們需要分析整個系統設計的可行性，包括方案中主要器件的可采購性，產品開發投入，項目開發周期預計，開發風險評估等，并針對開發過程中可能遇到的問題，提前選擇應對方案，保證硬件的順利完成。

 

 

 

硬件階段3：硬件電路原理圖設計

 

 

 

在系統方案確定后，我們即可以開展相關的設計工作，原理設計主要包括系統總體設計和詳細設計，最終產生詳細的設計文檔和硬件原理圖。

 

 

 

原理設計和PCB設計是設計人員最主要的兩個工作之一，在原理設計過程中，我們需要規劃硬件內部資源，如系統存儲空間，以及各個外圍電路模塊的實現。另外，對系統主要的外圍電路，如電源、復位等也需要仔細的考慮，在一些高速設計或特殊應用場合，還需要考慮EMC/EMI等。

 

 

 

電源是保證硬件系統正常工作的基礎，設計中要詳細的分析：系統能夠提供的電源輸入;單板需要產生的電源輸出;各個電源需要提供的電流大小;電源電路效率;各個電源能夠允許的波動范圍;整個電源系統需要的上電順序等等。

 

 

 

為了系統穩定可靠的工作，復位電路的設計也非常重要，如何保證系統不會在外界干擾的情況下異常復位，如何保證在系統運行異常的時候能夠及時復位，以及如何合理的復位，才能保證系統完整的復位后，這些也都是我們在原理設計的時候需要考慮的。

 

 

 

同樣的，時鐘電路的設計也是非常重要的一個方面，一個不好的時鐘電路設計，可能會引起通信產品的數據丟包，產生大的EMI，甚至導致系統不穩定。

 

 

 

原理圖設計中要有“拿來主義”!現在的芯片廠家一般都可以提供參考設計的原理圖，所以要盡量的借助這些資源，在充分理解參考設計的基礎上，做一些自己的發揮。

 

 

 

硬件階段4：PCB圖設計

 

 

 

PCB設計階段，即是將原理圖設計轉化為實際的可加工的PCB 線路板，目前主流的PCB 設計軟件有PADS，Candence 和Protel幾種。

 

 

 

PCB設計，尤其是高速PCB，需要考慮EMC/EMI，阻抗控制，信號質量等，對PCB 設計人員的要求比較高。為了驗證設計的PCB是否符合要求，有的還需要進行PCB 仿真。并依據仿真結果調整PCB 的布局布線，完成整個的設計。

 

 

 

硬件階段5：PCB加工文件制作與PCB打樣

 

 

 

PCB繪制完成以后，在這一階段，我們需要生成加工廠可識別的加工文件，即常說的光繪文件，將其交給加工廠打樣PCB 空板。一般1~4層板可以在一周內完成打樣。

 

 

 

硬件階段6：硬件產品的焊接與調試

 

 

 

在拿到加工廠打樣會的 PCB空板以后，接下來我們，需要檢查PCB空板是否和我們設計預期一樣，是否存在明顯的短路或斷痕，檢查通過后，則需要將前期采購的元器件和PCB空板交由生產廠家進行焊接(如果PCB 電路不復雜，為了加快速度，也可以直接手工焊接元器件)。

 

 

 

當PCB 已經焊接完成后，在調試PCB之前，一定要先認真檢查是否有可見的短路和管腳搭錫等故障，檢查是否有元器件型號放置錯誤，第一腳放置錯誤，漏裝配等問題，然后用萬用表測量各個電源到地的電阻，以檢查是否有短路，這樣可以避免貿然上電后損壞單板。調試的過程中要有平和的心態，遇見問題是非常正常的，要做的就是多做比較和分析，逐步的排除可能的原因，直致最終調試成功。

 

在硬件調試過程中，需要經常使用到的調試工具有萬用表和示波器，邏輯分析儀等，用于測試和觀察板內信號電壓和信號質量，信號時序是否滿足要求。

 

 

 

硬件階段7：硬件產品測試

 

 

 

當硬件產品調試通過以后，我們需要對照產品產品的需求說明，一項一項進行測試，確認是否符合預期的要求，如果達不到要求，則需要對硬件產品進行調試和修改，直到符合產品需求文明(一般都以需求說明文檔作為評判的一句，當然明顯的需求說明錯誤除外)。

 

 

 

硬件階段8：硬件產品

 

 

 

我們最終開發的硬件成功。一個完整的，完成符合產品需求的硬件產品還不能說明一個成功的產品開發過程，我們還需要按照預定計劃，準時高質量的完成。才是一個成功的產品開發過程。