《电子硬件工程师入职图解手册 硬件知识篇》读书笔记

 

 

 

 

 

 

 

 

《电子硬件工程师入职图解手册 硬件知识篇》

 陈韬

 17个笔记

 内容提要

• 内容提要这是一本专为电子硬件工程师编写的书。本书先整体介绍电子硬件工程师的岗位职能和能力要求；详细介绍了电子设备的电源、温度、电子芯片电平，以及基础工具与接口等电子硬件通用知识；着重介绍了RS485总线知识，主要是围绕硬件故障、RS485故障案例，通过对数据手册的研读，配合生动的图画，阐述每一个故障背后的硬件理论知识和国内外行业标准，同时讲述相关电子行业的历史故事；再介绍在工程实践中如何结合国家行业标准逐步分析并排查故障，从而提出解决方案；还以工程实践经验为素材，介绍电子硬件工程师可借鉴、应用的硬件复位、算法提炼等知识和技巧；最后按项目流程介绍了电子硬件工程师典型的工作场景。为了增强本书的趣味性，本书以电子硬件工程师的独特视角绘制了场景式的漫画，生动展示了电子硬件工程师的工作特点。

 前言

• 前言多年前，笔者刚走上电子硬件工程师岗位时，在电路调试、电磁兼容(Electro Magnetic Compatibility，EMC)等方面遇到了很多问题，虽然阅读了大量专业书籍，可依然有很多弄不明白的地方。工作到第二年的时候，甚至想过放弃硬件研发工作，改行去做销售或文化创意类工作，因为硬件研发工作需要的知识和技能太多、太琐碎。在最初几年的设计工作中，笔者总是遇到各种意想不到的难题，就像走在一条漆黑的道路上，看不见道路两旁的景色，也看不到路的尽头。笔者当时就期待：如果有一本书，将专业知识和新人工作中的困惑答疑结合起来，那该有多棒！这样肯定能减少新人的很多苦恼。
• 在电子应用领域，每一位电子硬件工程师即使面对相同的功能需求，也会有不同的设计思路，每一个设计方案都是其智慧的结晶。新人即使借用他人的电路设计，往往也要经历软硬件调试、客户故障反馈、认证测试等环节的反复磨练之后才能收获些许经验，才能明白“移植电路、借用电路，不等于100%照抄电路”的道理。工作多年后，笔者在电子硬件设计领域渐渐地有了自己的体系化思路，了解到身边来来往往的新人的困惑，就想起自己当时的心情。笔者寻思自己或许可以为电子硬件工程师这个岗位、电子学科、电子行业做些什么，便开始准备编写本书的素材。

 第1章 认识电子硬件工程师岗位

• 1.1 电子硬件工程师的职能电子硬件工程师就像电子产品的“保姆”，参与从产品规划、印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)设计到产品组装的全过程。相较于软件工程师，电子硬件工程师的桌上摆放了更多的工具和设备，如图1-1所示。[插图]图1-1在电子产品的生命周期中，如果应用业务逻辑出现故障，那么通常需要软件工程师介入进行分析；如果设备在运行过程中有抖动、异响、电磁干扰、烧毁等情况，那么通常需要电子硬件工程师介入进行分析。在设备制造的产品研发阶段，要完成硬件驱动程序编写和硬件控制逻辑构思等工作，这些工作大多先由电子硬件工程师给软件工程师做技术“交底”，然后由软件工程师进行编程。不同的职业有不同的“武器”，如软件工程师的键盘和编程语言、电子硬件工程师的电烙铁和电子硬件知识，如图1-2所示。
• 电子硬件工程师的核心工作是电路设计、PCB设计、EMC整改，如图1-3所示。
• 电子硬件工程师的三大“法宝”是万用表、示波器、电烙铁，如图1-4所示。

 1.2 电子硬件工程师必备的知识和能力

• (1)电子电路知识：包括电阻、电容、电感、磁珠、三极管、运算放大器、微控制器、逻辑芯片等与电路原理图设计直接相关的元器件知识。(2)信号阻抗、PCB知识：包括单端阻抗、差分阻抗、微带线、PCB材质、叠层参数、锡焊膏等知识。(3)EMC知识：包括静电、浪涌、绝缘耐压、高低温、辐射、电压暂降、传导干扰等知识。(4)结构知识：包括钣金工艺、放样、金属材质强度、屈服强度系数等知识。(5)软件知识：包括基本编程语言、嵌入式微控制器支持的语言编译器、宿主机组装、软硬驱动结合、操作系统（如Linux）等知识。(6)想象力：结合生活中的新技术、新知识，组合出新的技术应用场景。(7)创新：在新的技术应用场景中积累经验和知识，弥补现有技术的不足。有的公司可能只要求电子硬件工程师掌握和具备上述部分知识及能力，而有的公司则要求电子硬件工程师掌握和具备多方面的知识及能力。电子硬件工程师后期可以转至平台方案工程师、产品规划工程师等与业务紧密结合的技术管理岗位。

 1.3 电子硬件设计的“5可”原则

• 电子硬件工程师在其职业生涯中需要时刻留意的事情如下。(1)与产品相关的、看得见的、摸得着的东西，电子硬件工程师都要管（如实物器件）。(2)与产品相关的、看不见的、摸不着的东西，电子硬件工程师需要了解（如软件逻辑）。(3)随时关注生活中的电子、电气设备，挖掘可以借鉴的技巧，记录、收集生活中的灵感，如图1-6所示。

 1.4 电子硬件工程师参与产品研发时的工作阶段

• 在不同的公司，电子硬件工程师所承担的职责略有差异，但主要职责都包括元器件选型、设计电路图、信号完整性仿真、PCB板卡设计、准备PCB焊接的物料、焊接后的PCB硬件调试、协助软件工程师调试、完成产品的EMC测试等。在产品研发的不同阶段，电子硬件工程师的工作量也不同，产品研发过程中各岗位的参与程度如图1-7所示。
• (1)理想状态。● 方案工程师：在详细阅读国家及行业标准和规范，并收集市场需求后，结合企业自身的技术水平，提出新产品的结构外形、产品性能、产品功能等方面的方案。● 结构工程师：依据产品方案中的结构外形、国家及行业标准和规范，结合材料材质的特性，选取合适的材料；根据加工工艺细化结构参数，为电子硬件工程师提供PCB板卡尺寸参数。● 电子硬件工程师：依据产品方案选取合适的元器件、设计电路图；依据结构工程师提供的尺寸参数设计PCB板卡，并确保设计的PCB板卡在调试时符合设计初衷。● 软件工程师：依据产品方案编写代码，在电子硬件工程师设计的PCB板卡上实现产品方案中的全部既定功能。● 测试工程师：完成产品的整机测试，包括硬件性能、软硬件配合效果的测试，进一步确认硬件、软件设计的合理性和可靠性。● 检验工程师：进一步对测试工程师验证合格的产品进行整机测试和性能评定，为产品移交生产、批量制造做最后的检测和核查。● 移交生产部门：将产品的加工图纸、工艺文件等资料移交给生产部门，并培训技术人员，以保障产品生产的可靠性。
• (2)实际可能的状态。在产品的实际研发过程中，每个岗位其实都全程参与整个产品的研发过程，只是在不同阶段的参与程度不同。电子产品都需要经历电气性能测试和电磁兼容测试阶段。为了顺利通过测试阶段，电子硬件工程师除了要完成所有的电路设计、PCB设计，遵循电子半导体的基本物理规则外，在测试阶段还要花费大量的时间、精力来修改和完善设计。例如：①为了满足PCB信号的爬电距离要求，电子硬件工程师会参与到结构设计中，要求结构工程师对结构进行修改、完善；②为了减少EMC中的静电、快速瞬变脉冲群对检测模拟信号的干扰，电子硬件工程师往往会在模拟量检测通道中增加电阻、电容、电阻-电容(Resistance-Capacitance，RC)滤波，或要求软件工程师增加滤波、防抖动算法。

 2.2 电子设备温度

• 2.2.3 焊接炉温曲线要焊接贴片元器件到PCB板卡上，可以使用SMT设备来完成，采用回流焊；要焊接插件元器件到PCB板卡上，可以使用插件机来完成，采用波峰焊。随着电子行业的发展，焊接厂家更多使用贴片焊接设备，只有少量的插件元器件手动焊接。焊接厂家更希望客户提供的是PCB板卡的贴片元器件，因为焊接相同数量的焊盘，贴片焊接的综合成本低于手动焊接的综合成本，且贴片焊接的准确度更高、返工率更低。炉温曲线是考察焊接厂家焊接故障的重要指标。在焊接不同的PCB板卡时，炉温曲线会有一些差异。焊接厂家通常有两大类别的炉温曲线（马鞍式回焊曲线，如图2-7所示；斜升式回焊曲线，如图2-8所示）可以选择，依据焊接的芯片元器件的焊接温度、焊料温度，可以调整曲线的预热区时间、吸热区时间、回流焊区时间等。
• 炉温曲线选择不恰当，会导致焊接元器件的管脚不光亮、偏暗，管脚锡焊虚焊、PCB板卡有锡珠等现象。当给焊接好的PCB板卡上电调试时，可能会出现短路、断路、信号不好、元器件脱落等故障。两种炉温曲线的特征如表2-15所示。

 2.3 电子芯片电平

• (1)当逻辑器件输出高电平时，电平的电压幅值应高于VOH，即VOH为输出高电平的最小值。(2)当逻辑器件输入高电平时，电平的电压幅值应高于VIH，即VIH为输入高电平的最小值。VOH＞VIH的原因是：信号在传输介质上传输时会有电压差。(3)当逻辑器件输出低电平时，电平的电压幅值应低于VOL，即VOL为输出低电平的最大值。(4)当逻辑器件输入低电平时，电平的电压幅值应低于VIL，即VIL为输入低电平的最大值。通过对CMOS、TTL、LVCMOS、LVTTL的高低电平门限阈值进行了解，我们发现4种逻辑器件并非可以直接相互连接，只有满足一定的条件时，或者进行电平转换后，它们之间才能顺利通信。那么什么情况下CMOS、TTL、LVCMOS、LVTTL可以相互通信？通过对电平等级的门限阈值进行分析，我们可以了解到不同电平等级的逻辑器件之间相互传输信号时，信号电压范围需要匹配。在不同电平等级的逻辑器件之间进行信号传输时，电子硬件工程师需要明确的原则（注意事项）如表2-19所示。在选用74系列芯片时，尤其要注意电平转换的驱动能力、电平切换时延等特性。图2-24中的阴影区域的电平值就是不能被逻辑器件识别的电平值，即在这个区域的电平既不是高电平，也不是低电平。很多设备失控，不能达到设计师的预期波形，都是因为电平值停留在了阴影区域。

 第3章 RS485总线

• 3.1 现场总线简介现场总线的基础是通信，通信必须有协议，从这个意义上讲，现场总线就是一个定义了硬件接口和通信协议的标准。现场总线参考了OSI七层协议标准，且大多数采用了其中的第1层——物理层、第2层——数据链路层、第7层——应用层，并增设了第8层——用户层。RS485的通信设备简单、成本低，在各种工业场所得到了广泛应用。许多现场总线都采用了物理层的RS485芯片作为传输载体。
• 1.物理层物理层规定了信号编码与传输方式、传输介质（主要包括有线电缆、无线介质、光纤）、接口的电气信号速率等。2.数据链路层数据链路层分为介质访问控制(Media Access Control，MAC)层、逻辑链路控制(Logical Link Control，LLC)层。(1)MAC层：对传输信号进行发送和接收控制。MAC层的协议主要有以下3种。● 集中轮询协议：主站周期性地轮询各节点。● 令牌总线协议：多主站之间基于令牌传送协议工作，持有令牌的主站可以轮询各节点。● 随机接入协议：类似于多机系统中的并行总线管理机制。(2)LLC层：保证数据传输到指定设备上。3.应用层应用层用于控制现场设备数据的传送和总线变量的访问，它定义了用户接口如何读写操作设备的信息和命令，定义了信息、请求的格式和内容。4.用户层现场总线中新增的一层——用户层，是现场总线具有可互操作性的关键，它定义了现场设备读写信息和向网络其他设备分派信息的方法。最早电气工程组织规定了电气信号的定义，没有规定软件协议格式，可由使用者自行定义软件协议。RS485可配合多种总线协议实现不同的现场总线。经过长期的发展，现场总线家族不断壮大，依据IEC6158标准（第4版，2007年出版）以及目前流行的总线标准，大致可罗列出的现场总线如表3-1所示。表3-1[插图][插图][插图][插图]每一种现线总线都有其产生的背景和应用领域，在某个特定背景下产生的现场总线一般在该背景特定领域中的满足度更高、应用更灵活。不同的现场总线也在逐渐向不同的应用领域拓展，例如，CAN现场总线不仅在汽车行业中广泛使用，也在电力系统变电站、水电站的自动化控制设备中大量使用。

 3.2 RS485总线简介

• RS485总线通信的典型特点如下。(1)RS485总线是差分总线，支持一点对多点传输数据，遵循主从模式。(2)使用特性阻抗为120Ω的双绞线作为传输介质时的传输距离可达1200m，理论上是可以超过1200m的，但考虑到使用场景、配合电缆的选择、芯片选型等综合因素，为电子硬件工程师提供1200m的参考值比较稳妥。特别注意，不是任何电缆都能传输1200m。(3)最大传输速率为10Mbit/s，但实际上这和芯片制造厂家的设定有关，例如MAX485(min)的最大传输速率为2.5Mbit/s，MAX13487(min)的最大传输速率为500kbit/s，SIT65HVD75的传输速率最大可达20Mbit/s。(4)同一时刻总线上只能有一个主机发送数据，可以有多个从机接收数据。同一条RS485总线的多个设备同时发送数据时将出现总线冲突，此时从机无法得到有效信号。(5)RS485总线采用两根信号线485A和485B，某些场合采用3根信号线(485A、485B、485GND)。(6)485A和485B之间的电压差大于200mV为有效，逻辑1；485A和485B之间的电压差小于−200mV为有效，逻辑0。(7)一个设备中至少采用一个RS485芯片，可以理解为单元负载UL。(8)RS485标准TIA/EIA-485描述其支持32个单元负载，RS485通常认为12kΩ是一个单元负载(UL)。所以RS485芯片制造厂家按照TIA/EIA-485标准设计一款芯片时，如果单元负载为一个UL（即输入阻抗RIN为12kΩ），则理论上可以在总线上连接该厂家同型号RS485芯片的设备数量为n=32UL/1UL=32个。12kΩ/32=375Ω，即RS485总线的等效负载必须大于等于375Ω。(9)随着设备市场的需求变化，一条RS485总线上挂载32个设备不再能满足需求，所以芯片制造厂家研制了单元负载为0.5UL的RS485芯片（即芯片输入阻抗RIN为24kΩ，输入阻抗越大，输入电流越小，对总线影响越小），这样可以挂载的设备数量为n=32UL/0.5UL=64个。(10)随着市场需求的进一步变化，一条RS485总线上挂载64个设备不再能满足需求，所以芯片制造厂家设计出了单元负载为1/4UL（即芯片输入阻抗RIN为48kΩ）的RS485芯片，这样可以挂载的设备数量为n=32UL/0.25UL=128个，甚至有的芯片包含更多节点，如TPT485E、MAX1487等。

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