【IoT】 產品設計：如何從零設計一款產品（硬件角度）

1、需求定義

需求定義用來描述產品的基本功能，對于公司來說，需求一般由該公司的市場銷售部門或該公司的主要客戶來制定。

例子：對于開發板產品來說，主要就是提供各種接口，為開發產品時提供借鑒。

需求定義：

1）功能定義

系統的用途。

2）硬件選型

實際輸入輸出是何種方式實現。

3）系統選型

系統是否需要操作界面

示例：

系統描述：

水泵換水系統（用 STM32 神舟 III 號開發板模擬實現）

電源輸入：

變壓器的 9V~12V 直流電

水泵功率：375W

1）使用單相交流電機，由機械電氣進行控制

2）如果溫泉池處于低水位，則輸入開關閉合信號，以禁止水泵繼續運行

3）用戶可以自由設置水泵運行或關閉的時間長度

4）除了自動設置控制外，還需要提供一種人工裝置來允許維護人員靈活控制水泵進行維修

5）水泵開啟/關閉/人工干預的時間可以 30 分鐘為單位，在 30 分鐘到 23 小時的范圍內進行調節

6）顯示設備可以指示水泵的開關狀態，剩余時間，以及水泵是否處于人工干預模式

7）具備監視低水位的功能，并顯示在屏幕上

電磁干擾（EMI）和電磁兼容性 （EMC）認證、安全認證以及使用環境（包括環境溫度、濕度、鹽霧腐蝕等）等需求。

CPU選型：

要避免選擇的處理器剛好滿足當前要求，這樣當以后事務要求逐漸提高，處理器性能如果還有一定空 間的話，那么就可以重用目前的產品；

第二個就是要選擇不會即將停產的芯片，很多處理器用得很廣乏。

I/O管腳數量：

多數處理器都是使用內存和外部管腳來控制輸入輸出設備的，通常處理器都會有內置 ROM 和 RAM 的，如 果內置的內存就已經滿足需要，那么處理器就可以節省產生引用外部存儲器信號的引腳，這樣處理器可為 輸入輸出提供較多的設備管腳（某些處理器支持外部 RAM 或 ROM 的使用，但對外部存儲器進行訪問時， 處理器一般需要占用 8 條到 10 條 I/O 管腳）。

還有，有些處理器帶有專用的內部定時時鐘，這類時鐘也需要使用一個端口管腳來實現某些定時功能；某 些處理器中還具有漏極輸出和高電流輸出能力，可以方便的直接驅動繼電器或電磁鐵線圈，而不再需要額 外驅動硬件的支持。

當對處理器 I/O 管腳進行計數時，我們一定要把使用處理器內部功能（如串行接口和定時器等）時限制使 用的某些管腳考慮在內。

接口數量：

嵌入式處理器的主要功能是與應用環境中的硬件進行交互操作，這不僅需要外部硬件對接口具有實時處理 能力，而且還要求處理器必須以足夠快的速度對接口數據進行有效處理。

舉例來說，STM32 神舟系列開發板的 CPU 是 ST 公司出品的一款工業級微處理器，它基于 CORTEX M3 的核心，處理主頻可達 72MHZ，同時處理器內部配置了 USB、SPI、IIC 等接口，像 STM32 神舟 IV 號 的 107 處理器還支持 Ethernet 等輸出接口，其目的是更方便的利用這些接口開發出嵌入式產品。

內存容量：

決定內存容量的大小是嵌入式產品設計過程中的一個基本步驟，如果對所需內存容量估計過高，那么我們

就有可能會選擇成本較高的解決方案；反之，如果低估了所需內存容量，就有可能因系統需要重新設計而 導致項目不能按時完工。

中斷數量：

中斷的主要用途是向中央處理器通報當前發生的某類特殊事件，這類事件包括諸如定時器超時事件、硬件 引發的事件等。

需要強調的是，多數系統設計師經常過多地使用中斷功能，實際上，中斷的主要作用只是中斷現行程序的 執行，中斷最適用于必須要求中央處理器立即提供服務的事件。

在需要設計和使用中斷的情況下，一定要首先確認實際需要的中斷數量，然后必須考慮到系統內部占用的 中斷資源，如果需要使用的中斷資源超出了處理器可以接收的中斷數量，我們就應借助于某些特殊手段來 減少所需中斷信號的數量。

實時處理：

實時處理是一個涉及范圍很廣的題目，其主要內容與系統的處理速度有密切聯系，實時事件是嵌入式微處 理器需要關注的主要任務。

例如：處理器跟串口進行通信時，通常通過上層軟件（為了保證實時性，進行任務切換的時間足夠短），

然后再占用處理器去執行從串口拿數據的任務，并且要保證處理器的速率比串口速率快，那么處理器可以 以最快的速度反應并處理串口的相關的任務，這樣就可以達到最大的實時性；

另一方面，如果處理器本身就內置了串口控制器、或 DMA、或 LCD 的控制器等，那么它就可以保證直接 使用這些處理器內置的接口去控制串口、液晶屏等對象，以達到最大的實時性能。

廠商是否提供好的開發工具和環境：

選擇一款新的處理器，很可能就要使用一個新的開發工具和開發環境，包括軟件的編譯環境等；對于開發

日程安排比較緊張的項目來說，開發人員往往無法抽出專門的時間來研究，熟悉新的開發工具，從而也無 法全面掌握開發工具的使用技巧。

并且，有的開發工具價格也比較昂貴，而且很可能只能從制造商那里購買，還有仿真工具也是需要付費的， 這些對我們在選擇一款處理器的時候，是都應該考慮進去的成本因素。

2、開發文檔

1）硬件文檔

1）首先是需求定義或產品規格：

如果這些是產品最終目標的話，那么產品對硬件和軟件的要求就是技術方案的最終目標；對硬件和軟件的 要求是從定義用戶界面和系統功能開始的。

2）硬件接口的具體定義：

定義硬件最有效的方法是從需求開始描述，由于硬件必須支持系統定義的所有功能，因此硬件定義是與系 統說明不可分割的；

例如,我們設計一個定時器（事先需求說明定時器不能與個人電腦連接，故無法使用 CRT 顯示時間），我 們只有兩種選擇：一種是使用發光二極管（LED），另一種是使用液晶顯示器件（LCD）；盡管 LCD 的顯 示效果比較好，但考慮到定時器要常年位于戶外，并且早期 LCD 顯示器不能在低溫下工作，最終還是選擇 LED 設備（這整個過程描述了我們硬件選型時的一個思路，這個是密切跟需求掛鉤的）

3）系統設計：

首先要對硬件說明的內容進行細化，包括添加能讓工程師理解的設計意圖，以及軟件工程師圍繞硬件進行 程序設計時需要使用的硬件信息等。

完成硬件電路板說明文檔后，我們還要在該文檔中增加一個用來描述系統的原始要求的前言部分，包括說

明方案的設計思路和方法。

2）軟件文檔

1) 軟件文檔與硬件文檔的組織方法類似，軟件要求文檔的主要內容則是定義軟件要實現的功能；一種是在 簡單項目設計過程中，軟件定義也可以只對一種電路板使用的軟件給予描述；對較復雜的項目來說，由于 參與這種項目的軟件人員分別負責設計驅動不同硬件部分的代碼（同一電路板），因此每個軟件人員可能 會為自己的設計代碼指定不同的定義,這類軟件說明需要提供下列的內容：

2) 軟件與硬件所考慮的不同之處

a. 軟件的靈活性遠遠大于硬件，要讓軟件人員搞清楚某個軟件的內部格式是非常困難的任務，解決的辦法： 詳細定義其他程序員需要了解的編程接口具體內容，以及其他工程人員在實施開發項目過程中需要使用的 技術細節信息。

b. 軟件工程師只有在收到硬件說明文檔后，才有可能知道如何對系統硬件進行操作；而硬件人員一般不需 要了解軟件程序的技術細節。

c. 由于軟件易于更改，因此程序內容經常會按銷售人員提供的要求發生變更，在某些情況下，軟件文檔的 內容無法及時反映程序的最新變化。

d. 軟件經常是工程項目最后完成的部分，因此其文檔也經常因時間不夠而欠缺完整。實際上，軟件文檔是 否詳細、完整，在某種程度上是與公司或客戶的要求有關的。例如，軍事或國家工程一般要求開發商就其 所有軟件實現的功能提供全面詳細的文檔。

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