硬件工程師必殺技之7種武器

1. 軟件是個坑，硬件是大坑。

對于剛剛畢業(yè)的學(xué)生們來說，選硬件還是寫軟件，可能一直是個比較糾結(jié)的問題。硬件工程師似乎從來不像軟件工程師那么風(fēng)光。大家一想到搞硬件的，可能馬上出現(xiàn)的形象是，一個不修邊幅的老兄，笨手笨腳地手捏電烙鐵，在電路板上一陣亂戳，表達(dá)他的熱愛。而這熱愛的對象有時候并不那么領(lǐng)情，時不時在通電后滋滋怪響，然后冒出一縷青煙，作為對這種單相思的輕蔑。

嗯，每次新板子做好，上電瞬間，可以祈禱的就是千萬別冒煙。這可不是杜撰，看一看群里兄弟們，誰沒碰到過呢？

其實(shí)軟件也有很囧的時候，下面是我一個程序猿朋友的親身經(jīng)歷：

我是個程序猿，一天我坐在路邊一邊喝水一邊苦苦檢查bug。這時一個乞丐在我邊上坐下了，開始要飯，我覺得可憐，就給了他1塊錢，然后接著調(diào)試程序。他可能生意不好，就無聊的看看我在干什么，然后過了一會，他幽幽的說，這里，少了個分號。。。分號。。。分號。。。

嗯，此笑話來源于網(wǎng)絡(luò)。開完玩笑，還得聊點(diǎn)兒正事兒。作為一個硬件工程師，怎樣才能設(shè)計出好的產(chǎn)品。

2. 硬件工程師，不容易

有一個看法是現(xiàn)在芯片廠家，或者方案商都會提供比較完整的參考設(shè)計，硬件工程師只要比照著抄一下就可以了。持這種看法的人，一定是沒做過硬件的吧？就拿最簡單的點(diǎn)個LED燈來說，咱們長時間觀察，能長期穩(wěn)定運(yùn)行的真不多。拿LED做栗子的好處，是它容易暴露問題，而且這種產(chǎn)品出問題也沒什么大不了的，最多賠點(diǎn)錢了事兒。無圖無真相，上圖：

(https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/NsFXGkXyWyuiaCL2NC2dv1PIc0d4kGicApbwWgcWEHcS8j6Pf0qXJdp4kiajOEvTzkYPk4ZMUwxDicOnfPrxyGibrtw/640?wx_fmt=jpeg&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1)

還有一些產(chǎn)品，不像這樣能一眼看出來，有的在運(yùn)行幾年后出問題，或者某種不常見的條件下，才會觸發(fā)，這種就更難處理了。如何能設(shè)計出性價比高，又長期運(yùn)行可靠的產(chǎn)品，對硬件工程師確實(shí)是一大挑戰(zhàn)。

3. 硬件工程師之7種武器

除了數(shù)電，模電，C語言，C++，計算機(jī)原理，操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，算法，畫原理圖，布PCB板，焊接，調(diào)試這些基本技能，硬件工程師還要從多角度考慮問題，下面我們從7個方面聊一下。

需求分析

這個不太受重視，實(shí)際上是非常重要的第一步。從項(xiàng)目管理的角度，第一個任務(wù)就是要跟客戶深入溝通，需要哪些功能，要比客戶考慮的更多。往往客戶只會提出主要功能，而忽視很多細(xì)節(jié)，等產(chǎn)品交到用戶手里，才發(fā)現(xiàn)很多要改，這是特別不希望發(fā)生，然而經(jīng)常發(fā)生的事情。所以要重視這第一步，比如要賣到哪些地方，哪些國家？當(dāng)?shù)貧夂驐l件怎么樣，要通過哪些測試？有沒有強(qiáng)制認(rèn)證要求？最后形成文檔。才能開始設(shè)計，越到后面，更改起來越費(fèi)勁兒，代價越大。

功耗設(shè)計

如今設(shè)備的節(jié)能特性越來越受重視，一般每種產(chǎn)品都有節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。我們在設(shè)計產(chǎn)品時，要從整體考慮，不能看單一指標(biāo)，要看待機(jī)功耗，運(yùn)行功耗，然后根據(jù)待機(jī)時間和運(yùn)行時間，計算出總的平均功耗。這樣對于電池供電的設(shè)備，可以增加電池使用壽命。對于交流供電設(shè)備，雖然不像電池供電設(shè)備那么敏感，但是如果省電，產(chǎn)品賣得貴一些也，從電費(fèi)上可以節(jié)省更多。另外功耗降低，板子的熱量也會變低，元器件的壽命會增長。

EMC性能

EMC是個永遠(yuǎn)繞不過去的話題。有很多設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室怎么測試都是好的，一到現(xiàn)場就出問題，EMC不過關(guān)是一個重要的因素。設(shè)計產(chǎn)品的每一個環(huán)節(jié)，都要考慮在內(nèi)。很多技巧，做項(xiàng)目的時候沒準(zhǔn)兒就忘掉了。拿單片機(jī)來說，并不是跑得越快越好，速度跑太快，EMI會比較嚴(yán)重。在完成功能的同時，我們要盡量降低MCU的頻率。GPIO引腳也是如此，翻轉(zhuǎn)頻率越慢越好，有的單片機(jī)引腳可以設(shè)置不同的上升速率，設(shè)置成比較低的上升沿，可以有效降低電磁輻射。有條件的可以在布PCB之前完成電路完整性仿真，EMC仿真。

成本控制

這個不用強(qiáng)調(diào)，特別是對于大批量生產(chǎn)的。我們需要考慮的就是不能單看物料成本。還要考慮設(shè)計成本，制造成本，測試時間成本。所以也不能埋頭設(shè)計，需要跟其他部門多溝通才行。比如，盡量減少引入新元件種類，我們需要知道公司產(chǎn)品已經(jīng)使用的元件種類。舉例來說，如果要用到少量20K的電阻，公司從來沒用過，那是不是可以用兩個已有的10K的，串聯(lián)起來用呢？哪些電阻可以用接近的阻值？可以動腦筋的地方挺多的，再比如哪些功能可以用軟件實(shí)現(xiàn)，串口，IIC，SPI是不是可以用GPIO模擬？DAC是不是可以用PWM替代？

產(chǎn)品穩(wěn)定性

玩過硬件的兄弟姐們們都知道，在測試的時候死機(jī)不會死人，設(shè)備安裝到現(xiàn)場后，出問題才會要命。而影響穩(wěn)定性的因素，可以說是五花八門。比如高低溫，震動，鹽霧，雷擊，防水，灰塵的積累等等，所以在設(shè)計時也要有對應(yīng)的考慮。選擇元器件要降額使用，如果功率比較高要和結(jié)構(gòu)一起做散熱設(shè)計，PCB打樣階段用紅外測溫儀，或可以貼到PCB的溫度傳感器，看有沒有溫度過高的地方。高低溫，震動，浪涌，防水這些一定要實(shí)際測試，不能抱有僥幸心理。

可制造性，可維修性

在做產(chǎn)品設(shè)計時，充分考慮工廠的加工能力。比如拿PCB來說，最大尺寸可以多大，多厚，線寬和線間距最小能做多小，過孔的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，最小孔徑。元件布局合理嗎，對回流焊接有哪些影響，是否能方便地裝配？舉個小例子，很多IC底部都有一個散熱焊盤，這個焊盤是做成一個整體好呢，還是分割成小塊兒比較好？這個問題就有專門的文章分析討論。

美觀，方便操作

直男們的最大弱點(diǎn)，卻是用戶最直接的體驗(yàn)。

以上每個方面都很重要，但往往又是相互沖突的，這就是對每一個工程師的最大挑戰(zhàn)，需要我們做出平衡取舍，在較短的時間內(nèi)和合理的成本控制下，把產(chǎn)品設(shè)計做到接近完美。最后，作為硬件工程師，不能紙上談兵，看文章有用，但還要在實(shí)踐中多磨煉，多交流學(xué)習(xí)。