【IoT】 产品设计：如何从零设计一款产品（硬件角度）

1、需求定义

需求定义用来描述产品的基本功能，对于公司来说，需求一般由该公司的市场销售部门或该公司的主要客户来制定。

例子：对于开发板产品来说，主要就是提供各种接口，为开发产品时提供借鉴。

需求定义：

1）功能定义

系统的用途。

2）硬件选型

实际输入输出是何种方式实现。

3）系统选型

系统是否需要操作界面

示例：

系统描述：

水泵换水系统（用 STM32 神舟 III 号开发板模拟实现）

电源输入：

变压器的 9V~12V 直流电

水泵功率：375W

1）使用单相交流电机，由机械电气进行控制

2）如果温泉池处于低水位，则输入开关闭合信号，以禁止水泵继续运行

3）用户可以自由设置水泵运行或关闭的时间长度

4）除了自动设置控制外，还需要提供一种人工装置来允许维护人员灵活控制水泵进行维修

5）水泵开启/关闭/人工干预的时间可以 30 分钟为单位，在 30 分钟到 23 小时的范围内进行调节

6）显示设备可以指示水泵的开关状态，剩余时间，以及水泵是否处于人工干预模式

7）具备监视低水位的功能，并显示在屏幕上

电磁干扰（EMI）和电磁兼容性 （EMC）认证、安全认证以及使用环境（包括环境温度、湿度、盐雾腐蚀等）等需求。

CPU选型：

要避免选择的处理器刚好满足当前要求，这样当以后事务要求逐渐提高，处理器性能如果还有一定空 间的话，那么就可以重用目前的产品；

第二个就是要选择不会即将停产的芯片，很多处理器用得很广乏。

I/O管脚数量：

多数处理器都是使用内存和外部管脚来控制输入输出设备的，通常处理器都会有内置 ROM 和 RAM 的，如 果内置的内存就已经满足需要，那么处理器就可以节省产生引用外部存储器信号的引脚，这样处理器可为 输入输出提供较多的设备管脚（某些处理器支持外部 RAM 或 ROM 的使用，但对外部存储器进行访问时， 处理器一般需要占用 8 条到 10 条 I/O 管脚）。

还有，有些处理器带有专用的内部定时时钟，这类时钟也需要使用一个端口管脚来实现某些定时功能；某 些处理器中还具有漏极输出和高电流输出能力，可以方便的直接驱动继电器或电磁铁线圈，而不再需要额 外驱动硬件的支持。

当对处理器 I/O 管脚进行计数时，我们一定要把使用处理器内部功能（如串行接口和定时器等）时限制使 用的某些管脚考虑在内。

接口数量：

嵌入式处理器的主要功能是与应用环境中的硬件进行交互操作，这不仅需要外部硬件对接口具有实时处理 能力，而且还要求处理器必须以足够快的速度对接口数据进行有效处理。

举例来说，STM32 神舟系列开发板的 CPU 是 ST 公司出品的一款工业级微处理器，它基于 CORTEX M3 的核心，处理主频可达 72MHZ，同时处理器内部配置了 USB、SPI、IIC 等接口，像 STM32 神舟 IV 号 的 107 处理器还支持 Ethernet 等输出接口，其目的是更方便的利用这些接口开发出嵌入式产品。

内存容量：

决定内存容量的大小是嵌入式产品设计过程中的一个基本步骤，如果对所需内存容量估计过高，那么我们

就有可能会选择成本较高的解决方案；反之，如果低估了所需内存容量，就有可能因系统需要重新设计而 导致项目不能按时完工。

中断数量：

中断的主要用途是向中央处理器通报当前发生的某类特殊事件，这类事件包括诸如定时器超时事件、硬件 引发的事件等。

需要强调的是，多数系统设计师经常过多地使用中断功能，实际上，中断的主要作用只是中断现行程序的 执行，中断最适用于必须要求中央处理器立即提供服务的事件。

在需要设计和使用中断的情况下，一定要首先确认实际需要的中断数量，然后必须考虑到系统内部占用的 中断资源，如果需要使用的中断资源超出了处理器可以接收的中断数量，我们就应借助于某些特殊手段来 减少所需中断信号的数量。

实时处理：

实时处理是一个涉及范围很广的题目，其主要内容与系统的处理速度有密切联系，实时事件是嵌入式微处 理器需要关注的主要任务。

例如：处理器跟串口进行通信时，通常通过上层软件（为了保证实时性，进行任务切换的时间足够短），

然后再占用处理器去执行从串口拿数据的任务，并且要保证处理器的速率比串口速率快，那么处理器可以 以最快的速度反应并处理串口的相关的任务，这样就可以达到最大的实时性；

另一方面，如果处理器本身就内置了串口控制器、或 DMA、或 LCD 的控制器等，那么它就可以保证直接 使用这些处理器内置的接口去控制串口、液晶屏等对象，以达到最大的实时性能。

厂商是否提供好的开发工具和环境：

选择一款新的处理器，很可能就要使用一个新的开发工具和开发环境，包括软件的编译环境等；对于开发

日程安排比较紧张的项目来说，开发人员往往无法抽出专门的时间来研究，熟悉新的开发工具，从而也无 法全面掌握开发工具的使用技巧。

并且，有的开发工具价格也比较昂贵，而且很可能只能从制造商那里购买，还有仿真工具也是需要付费的， 这些对我们在选择一款处理器的时候，是都应该考虑进去的成本因素。

2、开发文档

1）硬件文档

1）首先是需求定义或产品规格：

如果这些是产品最终目标的话，那么产品对硬件和软件的要求就是技术方案的最终目标；对硬件和软件的 要求是从定义用户界面和系统功能开始的。

2）硬件接口的具体定义：

定义硬件最有效的方法是从需求开始描述，由于硬件必须支持系统定义的所有功能，因此硬件定义是与系 统说明不可分割的；

例如,我们设计一个定时器（事先需求说明定时器不能与个人电脑连接，故无法使用 CRT 显示时间），我 们只有两种选择：一种是使用发光二极管（LED），另一种是使用液晶显示器件（LCD）；尽管 LCD 的显 示效果比较好，但考虑到定时器要常年位于户外，并且早期 LCD 显示器不能在低温下工作，最终还是选择 LED 设备（这整个过程描述了我们硬件选型时的一个思路，这个是密切跟需求挂钩的）

3）系统设计：

首先要对硬件说明的内容进行细化，包括添加能让工程师理解的设计意图，以及软件工程师围绕硬件进行 程序设计时需要使用的硬件信息等。

完成硬件电路板说明文档后，我们还要在该文档中增加一个用来描述系统的原始要求的前言部分，包括说

明方案的设计思路和方法。

2）软件文档

1) 软件文档与硬件文档的组织方法类似，软件要求文档的主要内容则是定义软件要实现的功能；一种是在 简单项目设计过程中，软件定义也可以只对一种电路板使用的软件给予描述；对较复杂的项目来说，由于 参与这种项目的软件人员分别负责设计驱动不同硬件部分的代码（同一电路板），因此每个软件人员可能 会为自己的设计代码指定不同的定义,这类软件说明需要提供下列的内容：

2) 软件与硬件所考虑的不同之处

a. 软件的灵活性远远大于硬件，要让软件人员搞清楚某个软件的内部格式是非常困难的任务，解决的办法： 详细定义其他程序员需要了解的编程接口具体内容，以及其他工程人员在实施开发项目过程中需要使用的 技术细节信息。

b. 软件工程师只有在收到硬件说明文档后，才有可能知道如何对系统硬件进行操作；而硬件人员一般不需 要了解软件程序的技术细节。

c. 由于软件易于更改，因此程序内容经常会按销售人员提供的要求发生变更，在某些情况下，软件文档的 内容无法及时反映程序的最新变化。

d. 软件经常是工程项目最后完成的部分，因此其文档也经常因时间不够而欠缺完整。实际上，软件文档是 否详细、完整，在某种程度上是与公司或客户的要求有关的。例如，军事或国家工程一般要求开发商就其 所有软件实现的功能提供全面详细的文档。

IoT 单片机 硬件开发

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