嵌入式产品开发的每一个阶段是怎样设计的

随着我们进入普及的物联网（IoT）世界，嵌入式设备的连接性是必不可少的。嵌入式产品，与普通电子产品一样，开发过程都需要遵循一些基本的流程，都是一个从需求分析到总体设计，详细设计到最后产品完成的过程。但是，与普通电子产品相比，嵌入式产品的开发流程又有其特殊之处。它包含嵌入式软件和嵌入式硬件两大部分，针对嵌入式硬件和软件的开发，在普通的电子产品开发过程中，是不需要涉及的。嵌入式产品的研发流程具体如下图：

下面，针对嵌入式产品的开发过程中的各个阶段，我们进行详细探讨。

阶段1：产品需求

在这一个阶段，我们需要弄清楚的是产品的需求从何而来，一个成功的产品，我们需要满足哪些需求。只有需求明确了，我们的产品开发目标才能明确。在产品需求分析阶段，我们可以通过以下这些途径获取产品需求：

1）市场分析与调研，主要是看市场有什么需求，还有就是前沿的技术是什么（站在做一款产品的角度）;2）客户调研和用户定位，从市场广大客户那获取最准确的产品需求（要注意分析市场，产品生命周期，升级是否方便）;3）利润导向（成本预算）;

4）如果是外包项目，则需要我们的客户提供产品的需求（直接从客户那获取，让客户签协议）;当一个项目做完的时候，如果客户突然又增加需求，增加功能，将导致你的项目周期严重拖延，成本剧烈上升，并且测试好的产品可能要全部重新测试，原本的设计可能将不会满足当前的要求，所以做项目之前，最好要跟客户把需求确定下来，并且签定一份协议，否则，你辛苦多少个日日夜夜，得到的将是一个无法收拾的烂摊子！

阶段2：产品规格说明

在前一个阶段，我们搜集了产品的所有需求。那么在产品规格说明阶段，我们的任务是将所有的需求，细化成产品的具体的规格，就比如一个简单的USB转串口线，我们需要确定产品的规格，包括：

- 产品的外观;

- 产品支持的操作系统;

- 产品的接口形式和支持的规范;

等等诸如此类，切记，在形成了产品的规格说明后，在后续的开发过程中，我们必须严格的遵守，没有200%的理由，不能随意更改产品的需求。否则，产品的开发过程必将是一个反复无期的过程。

《产品规格说明》主要从以下方面进行考虑：

- 考虑该产品需要哪些硬件接口;

- 产品用在哪些环境下，要做多大，耗电量如何。如果是消费类产品，还跟设计美观，产品是否便于携带，以确定板子大小的需求，是否防水;- 产品成本要求;

- 产品性能参数的说明（例如交换机，如果是百兆的速率，用于家庭和一般公司;如果是用于整个省的交换，那设计的速率肯定数十万兆以上了）所以说，产品性能参数的不同，就会影响到我们设计考虑的不同，那么产品的规格自然就不同了;- 需要适应和符合的国家标准，国际标准，或行业标准;阶段3：产品总体设计方案。

在完成了产品规格说明以后，我们需要针对这一产品，了解当前有哪些可行的方案，通过几个方案进行对比，包括从成本、性能、开发周期、开发难度等多方面进行考虑，最终选择一个最适合自己的产品总体设计方案。

在这一阶段，我们除了确定具体实现的方案外，我们还需要综合考虑，产品开发周期，多少人月的工作量，需要哪些资源或者外部协助，以及开发过程中可能遇到的风险及应对措施，形成整个项目的项目计划，指导我们的整个开发过程。

阶段4：产品概要设计

产品概要设计主要是在总体设计方案的基础上进一步的细化，具体从硬件和软件两方面入手：

硬件模块概要设计

硬件模块概要设计，主要从硬件的角度出发，确认整个系统的架构，并按功能来划分各个模块，确定各个模块的的大概实现。首先要依据我们到底要哪些外围功能以及产品要完成的工作，来进行CPU选型（注意：CPU一旦确定，那么你的周围硬件电路，就要参考该CPU厂家提供的方案电路来设计）。然后再根据产品的功能需求选芯片，比如是外接AD还是用片内AD，采用什么样的通讯方式，有什么外部接口，还有最重要的是要考虑电磁兼容。

一般一款CPU 的生存周期是5-8年，你考虑选型的时候要注意，不要选用快停产的CPU，以免出现这样的结局：产品辛辛苦苦开发了1到2 年，刚开发出来，还没赚钱，CPU又停产了，又得要重新开发。很多公司就死在这个上面。

软件模块概要设计

软件模块概要设计阶段，主要是依据系统的要求，将整个系统按功能进行模块划分，定义好各个功能模块之间的接口，以及模块内主要的数据结构等。

阶段5：产品详细设计

硬件模块详细设计

主要是具体的电路图和一些具体要求，包括 PCB和外壳相互设计，尺寸这些参数。接下来，我们就需要依据硬件模块详细设计文档的指导，完成整个硬件的设计。包括原理图、PCB的绘制。

软件模块详细设计

功能函数接口定义，该函数功能接口完成功能，数据结构，全局变量，完成任务时各个功能函数接口调用流程。在完成了软件模块详细设计以后，就进入具体的编码阶段，在软件模块详细设计的指导下 ，完成整个系统的软件编码。

一定要注意需要先完成模块详细设计文档以后，软件才进入实际的编码阶段，硬件进入具体的原理图、PCB实现阶段，这样才能尽量在设计之初就考虑周全，避免在设计过程中反复修改。提高开发效率，不要为了图一时之快，没有完成详细设计，就开始实际的设计步骤。

阶段6&7：产品调试与验证

该阶段主要是调整硬件或代码，修正其中存在的问题和BUG，使之能正常运行，并尽量使产品的功能达到产品需求规格说明要求。

硬件部分：

- 目测加工会得PCB板是否存在短路，器件是否焊错，或漏焊接;- 测试各电源对地电阻是否正常;

- 上电，测试电源是否正常;

- 分模块调试硬件模块，可借助示波器、逻辑分析仪等根据。

软件部分：

验证软件单个功能是否实现，验证软件整个产品功能是否实现。

阶段8：测试

功能测试（测试不通过，可能是有BUG）;

压力测试（测试不通过，可能是有BUG或哪里参数设计不合理）;性能测试（产品性能参数要提炼出来，供将来客户参考，这个就是你的产品特征的一部分）;其他专业测试：包括工业级的测试，例如含抗干扰测试，产品寿命测试，防潮湿测试，高温和低温测试（有的产品有很高的温度或很低的温度工作不正常，甚至停止工作）。

有的设备电子元器件在特殊温度下，参数就会异常，导致整个产品出现故障或失灵现象的出现;有的设备，零下几十度的情况下，根本就启动不了，开不了机;有的设备在高温下，电容或电阻值就会产生物理的变化，这些都会影响到产品的质量。这里要引出一个话题，工业级产品与消费类产品有什么区别呢？工业级的产品就要避免这些异常和特殊问题，有的产品是在很深的海里工作，或者在严寒的山洞工作，或者火热沙漠工作，或者颠簸的设备上，比如汽车;或者是需要防止雷击;所以这就是工业级产品跟消费类产品的区别，消费类的产品就不需要做这么多的测试。

阶段9：产品

通过上一阶段完整测试验证，在此阶段，即得到我们开发成功的产品。在此阶段，可以比较实际的产品和最初的形成的产品规格说明，看经过一个完整的开发过程，是否产品完全符合最初的产品规格说明，又或者，中途发现产品规格说明存在问题，对它进行了多少修改呢？

附录：嵌入式硬件开发流程

之前，我们详细讲述了嵌入式产品的研发流程，那么在这一节，我们具体以嵌入式产品的硬件部分为例，再次讲解其开发过程，希望通过这一节，大家能对嵌入式硬件开发流程有更深刻的认识，在以后的学习和工作中，更加规范化和标准化，提高开发技能。嵌入式硬件开发流程一般如下图，分为8个阶段：

嵌入式产品的硬件形态各异，CPU 从简单的4 位/8位单片机到32 位的ARM处理器，以及其他专用IC。另外，依据产品的不同需求，外围电路也各不相同。每一次硬件开发过程，都需要依据实际的需求，考虑多方面的因素，选择最合适的方案来。

硬件阶段1：硬件产品需求

和普通的嵌入式产品需求一样。阶段1：产品需求。

硬件阶段2：硬件总体设计方案

一个硬件开发项目，它的需求可能来自很多方面，比如市场产品的需要或性能提升的要求等，因此，作为一个硬件设计人员，我们需要主动去了解各个方面的需求并分析，根据系统所要完成的功能，选择最合适的硬件方案。

在这一阶段，我们需要分析整个系统设计的可行性，包括方案中主要器件的可采购性，产品开发投入，项目开发周期预计，开发风险评估等，并针对开发过程中可能遇到的问题，提前选择应对方案，保证硬件的顺利完成。

硬件阶段3：硬件电路原理图设计

在系统方案确定后，我们即可以开展相关的设计工作，原理设计主要包括系统总体设计和详细设计，最终产生详细的设计文档和硬件原理图。

原理设计和PCB设计是设计人员最主要的两个工作之一，在原理设计过程中，我们需要规划硬件内部资源，如系统存储空间，以及各个外围电路模块的实现。另外，对系统主要的外围电路，如电源、复位等也需要仔细的考虑，在一些高速设计或特殊应用场合，还需要考虑EMC/EMI等。

电源是保证硬件系统正常工作的基础，设计中要详细的分析：系统能够提供的电源输入;单板需要产生的电源输出;各个电源需要提供的电流大小;电源电路效率;各个电源能够允许的波动范围;整个电源系统需要的上电顺序等等。

为了系统稳定可靠的工作，复位电路的设计也非常重要，如何保证系统不会在外界干扰的情况下异常复位，如何保证在系统运行异常的时候能够及时复位，以及如何合理的复位，才能保证系统完整的复位后，这些也都是我们在原理设计的时候需要考虑的。

同样的，时钟电路的设计也是非常重要的一个方面，一个不好的时钟电路设计，可能会引起通信产品的数据丢包，产生大的EMI，甚至导致系统不稳定。

原理图设计中要有“拿来主义”！现在的芯片厂家一般都可以提供参考设计的原理图，所以要尽量的借助这些资源，在充分理解参考设计的基础上，做一些自己的发挥。

硬件阶段4：PCB图设计

PCB设计阶段，即是将原理图设计转化为实际的可加工的PCB 线路板，目前主流的PCB 设计软件有PADS，Candence 和Protel几种。

PCB设计，尤其是高速PCB，需要考虑EMC/EMI，阻抗控制，信号质量等，对PCB 设计人员的要求比较高。为了验证设计的PCB是否符合要求，有的还需要进行PCB 仿真。并依据仿真结果调整PCB 的布局布线，完成整个的设计。

硬件阶段5：PCB加工文件制作与PCB打样

PCB绘制完成以后，在这一阶段，我们需要生成加工厂可识别的加工文件，即常说的光绘文件，将其交给加工厂打样PCB 空板。一般1~4层板可以在一周内完成打样。

硬件阶段6：硬件产品的焊接与调试

在拿到加工厂打样会的 PCB空板以后，接下来我们，需要检查PCB空板是否和我们设计预期一样，是否存在明显的短路或断痕，检查通过后，则需要将前期采购的元器件和PCB空板交由生产厂家进行焊接（如果PCB 电路不复杂，为了加快速度，也可以直接手工焊接元器件）。

当PCB 已经焊接完成后，在调试PCB之前，一定要先认真检查是否有可见的短路和管脚搭锡等故障，检查是否有元器件型号放置错误，第一脚放置错误，漏装配等问题，然后用万用表测量各个电源到地的电阻，以检查是否有短路，这样可以避免贸然上电后损坏单板。调试的过程中要有平和的心态，遇见问题是非常正常的，要做的就是多做比较和分析，逐步的排除可能的原因，直致最终调试成功。

在硬件调试过程中，需要经常使用到的调试工具有万用表和示波器，逻辑分析仪等，用于测试和观察板内信号电压和信号质量，信号时序是否满足要求。

硬件阶段7：硬件产品测试

当硬件产品调试通过以后，我们需要对照产品产品的需求说明，一项一项进行测试，确认是否符合预期的要求，如果达不到要求，则需要对硬件产品进行调试和修改，直到符合产品需求文明（一般都以需求说明文档作为评判的一句，当然明显的需求说明错误除外）。

硬件阶段8：硬件产品

我们最终开发的硬件成功。一个完整的，完成符合产品需求的硬件产品还不能说明一个成功的产品开发过程，我们还需要按照预定计划，准时高质量的完成。才是一个成功的产品开发过程。 　　在PIC的单片机中有多种型号有内部RC振荡器的功能，从而省去了晶振，不但节省了成本，并且我们还多了两个IO端口可以使用。

但是，由于RC振荡器中电阻、电容的离散性很大，因此，在有内部RC振荡器的单片机中，它的内部RAM中都会有一个名为OSCCAL的校准寄存器，通过置入不同的数值来微调RC振荡器的振荡频率。并且，单片机的程序存储器中，也会有一个特殊的字来储存工厂生产时测得的校准值。下面我以常用的12C508A和12F629为例加以说明。

PIC单片机RC振荡器的使用及校准方法

12C508A的复位矢量是程序的最高字0x1FF，这个字节生产商已经固定的烧写为MOVLW 0xXX，指令执行后，W寄存器中即为校准值XX，当我们需要校准时，那么，在紧接着的地址0x0应该是一条这样的指令：MOVWF OSCCAL。接下去RC振荡器就会以标准的振荡频率运行了。

12F629的校准值也存放在最高字--0x3FF中，内容是RETLW 0xXX，但它的复位矢量却是0x0。这样，在我们需要校准RC振荡器时，在初始化过程中要加上下面两句：

CALL 0x3ff

MOVWF OSCCAL

当然，你还要注意寄存器的块选择位。

以前，我在做项目时，没太注意这个问题，这是因为在使用12C508A时，HI-TECH在进行编译时已经偷偷地替我们做了这项工作。它会在程序的0x0处自动加一条MOVWF OSCCAL。用12F629做接收解码代替2272时也没发生什么问题，但是在用被它作滚动码解码器时却发现接收距离的离散性很大。经多次试验终于找出是没对振荡器的振荡频率进行校正所至。

因此，需要另外编写用于校正的语句，我用了两种方法来实现这个目的：

1、用内嵌汇编的形式

#asm //此段汇编程序用于将位于程序段3FFH的call 3ffh //内部RC振荡器的校准值放入校准寄存器，bsf _STATUS，5 //在进行C语言调试时应屏蔽这段程序movwf _OSCCAL#endasm

2、用C语言标准形式

const unsigned char cs @ 0x3ff; //在函数体外。。。

OSCCAL=cs; //仿真时屏蔽此句

用这两种方法都有一个小缺陷--仿真时，程序无法运行，这是由于C编译器并没有为我们在0x3FF放置一条RETLW 0xXX的语句。因此，程序运行到这里之后，并没有把一个常数（校准值）放入W寄存器然后返回，而是继续执行这条语句的下一句--0x0及其之后的程序，也就是说程序到此就乱了。因此如程序后面注释所示，在仿真时，应先屏蔽这几句程序。在程序调试完成后，需要烧写时，把注释符去掉，再编译一次就可以了。

我还有一种想法，不用屏蔽语句，那就是用函数来实现，就是在0x3FF起建立一个函数，函数体内只有一条语句，如下：

char jz（）

{

return 0;

}

当然，还要考虑C函数返回时，一定会选择寄存器0，实际上这个函数的起始地址应小于0x3FF。但是我找了我所能找到的参考资料，并上网找了多次，也没找到为函数绝对定位的方法，希望有知道的朋友指点一下。

还有，12C508A是一次性编程的，并且0x1FF处的内容，我们是无法改变的，也就是说你在此处编写任何指令，编程器都不会为你烧写，或者说即使烧写了也不会改变其中的内容。

可12F629是FLASH器件，可多次编程，如果你没有故意选择，正品的编程器（如Microchip的PICSTART PLUS）是不会对存有校准值的程序空间进行编程的。即使你无意中对这个程序空间进行了编程，你也可以用一条RETLW 0xXX放在0x3FF处再编程一次就可以了，但这个XX值可能是不正确的，需经实验确定（请参考后面说明）。

为了检验OSCCAL的值对振荡器频率的影响，特编写了下面一个小程序进行验证：

#include

//*********************************************************__CONFIG（INTIO & WDTDIS & PWRTEN & MCLRDIS & BOREN & PROTECT & CPD）;//内部RC振荡器普通IO口;无效看门狗;上电延时;内部复位;掉电复位;代码保护;数据保护//*********************************************************#define out GPIO0 //定义输出端#define jc GPIO3 //定义检测端

//*********************************************************void interrupt zd（）; //声明中断函数//主函数***************************************************void main（）{

CMCON=7;

OPTION=0B00000011; //分频比为1：16，

TRISIO=0B11111110;

GPIO=0B00000000;

WPU=0;

T0IF=0;

GIE=1;

T0IE=1;

while（1）{

if（jc）OSCCAL=0xFF;

else OSCCAL=0;

}

}

//中断函数*************************************************void interrupt zd（）{

T0IF=0;

out=！out;

}

程序其实很简单，就是在中断中让out脚的电平翻转，翻转的时间为4096个指令周期，电平周期为8192个指令周期。而指令的周期又决定于RC时钟频率。在主程序中，不断的检测JC端口的电平，然后根据此端口电平的值修改OSCCAL寄存器的值。当然，最后从OUT脚的波形周期上反映出了OSCCAL寄存器的值改变。

经用示波器测量（抱歉，手边没有频率计），JC端接地时，OUT端的电平周期为9.5毫秒左右;而JC端接正电源时，OUT端的电平周期为6毫秒左右。也就是说OSCCAL的值越大，单片机的时钟频率越高。并且，这个变化范围是很大的，因此，如果使用PIC单片机的内部RC振荡器时，对其振荡频率进行校正是十分必要的。这也是我在做滚动码接收解码器时，产品离散性很大的原因。望大家以后使用内部RC振荡器时能够注意到此点。

但还有一点要注意，即使你对RC振荡器进行了校正，你也别指望这个4MHz的RC振荡器肯定会很标准，实际上它还是一个RC振荡器，它的振荡频率是电压、温度的函数，也就是说这个振荡频率会随着电压和温度的变化而变化，只是经校正后的值更接近4MHz罢了，这在产品开发的一开始就要注意的。

责任编辑：ct