系统设计举足轻重的一步，需求分析

今天我们开始读张志伟老师的《硬件系统工程师宝典》，这是一本非常好的入门书，对需求分析，电源、信号完整性，电源完整性，可制造性，原理图，pcb的详细设计，常用软件等进行了介绍，可以帮助我们快速了解硬件工程师需要学习哪些方面的知识。让我们在开发过程中不再“无章可循”，通过本书我们可以按照硬件系统设计流程，对问题进行抽丝剥茧的分析、深入，不断提升自己。

下面我们进入第一章需求分析，作者说，硬件系统设计像修路一样，就要确定路的起点和终点、路的级别要求、修路需要的人力物力、路修好后带来的经济效应。那么在硬件系统设计中的“鹰眼蓝图”，就是所谓的需求分析。其实就是说，我们做需求分析的目的，要让设计的产品满足市场的需求。

功能需求

明确这个设计是做什么用的，就可以针对选择芯片来实现功能，一般的功能需求有：供电方式及防护、输入与输出信号类别及处理、无线通信功能等。

供电方式及防护

1.内置电源板用市电供电：需要单独设计开关电源板，设计需要满足不同的行业标准。2.外置直流稳压电源供电：能够简化系统电源部分设计，但需要一个外置的电源。

作者提到了PoE（Power Over Ethernet）技术，PoE可以在现有的以太网Cat.5布线基础架构不变的情况下，为一些基于IP的终端（如IP电话、无线局域网接入点AP、网络摄像等）传输数据信号的同时，还能为设备提供直流供电。这就是一个确保现有布线安全和设备功能正常，最大限度降低成本的技术。在一些要求部分功能电路失效不影响整个硬件系统稳定的设备上，需要涉及彼此隔离的供电和输入/输出电路模块，可采用不同规格的电源隔离IC。这就是说，供电方式要从设备的供电形式、需要满足的行业标准，同时也要考虑适配现有技术的成本。

输入与输出信号类别

信号的处理要通过软硬件的交互来完成，俗话说，“硬件搭台，软件唱戏”。那么硬件搭什么样的台，需要根据需要处理的输入信号及输出信号来选定。

作者举了个例子，某医疗系统的中心控制器要求输入信号为外围的12种医疗设备采集的数据，中心控制器对输入信号进行处理后，把输出信号统一以Socket包形式通过RJ45以太网发送到中心服务器，外围医疗设备的接口有USB接口形式、TTL电平的UART口、RS232串口。那么，软件部分需要分析各接口协议的实现和有机组合，解释各输入/输出数据的类型，并说明其媒体、格式、数据范围、精度和编码方式；硬件系统设计则需要根据设备输入/输出信号的接口类型以及处理数据的能力来选定设计方案。

无线通信功能

根据设备的需要，在硬件系统设计时，确定系统是否需要具备无线通信功能。目前的无线通讯方式有：3G\4G\5G、GPRS、WiFi、ZigBee、Bluetooth、IrDA、NFC、UWB、CSS和RFID。产品设计方案选型时，需要根据硬件系统无线通讯方式进行设计选型。当然，每种无线通信方式都有各自的优劣，也需要根据产品定位来选择合适的无线通信方式。

整体性能要求

1.对输入/输出数据的处理能力，比如处理器处理数据的能力、能够处理数据的最高带宽、处理数据的实时性和采集数据的精度。

2.系统对温/湿度环境的要求，比如消费类的温度范围是0~70℃，工业级的温度范围是-40~85℃，军用级的温度范围是-55~150℃。对于湿度的性能要求，要从防护等级设计上考虑。

3.系统的无故障稳定运行性能要求，根据产品工作寿命的要求进行选型。

4.能效等级就是表示家用电器产品能效高低差别的一种分级方法，针对产品能量利用率要求，需要根据各行业的标准，不断优化各电路模块的设计。

5.系统的自身防护性能产品，要考虑过压保护、欠压保护、过流保护、短路保护和雷击防护等一系列的防护措施。所以，为保证产品的性能，以上问题需要在前期的需求分析中明确的产品性能指标，来有效合理地指导开发工作。

用户接口要求

用户接口要求需要确定产品硬件接口的种类及数量，比如电源接口、指示灯、开关类型、显示屏幕、传感器接口等。根据用户所需的接口种类及数量去综合选定设计方案，然后需要考虑日常使用对端口的使用频率，后期需要做压力试验。作者给出了小米TV的用户接口插拔试验和按压测试数据，如下表所示：

小米TV用户接口插拔试验和按压测试数据

另外，不同设备根据供电方式不同，供电的接口也需要根据需要选型。其他的还有设备的开关按键、指示灯的设计、屏幕的种类要求等都需要综合考虑成本、性能的需求。

功耗要求

功耗是指设备单位时间内所消耗的能源数量。我们在设计过程中需要计算每一部分电路的最大功率，根据这些功率参数进行电源架构设计及电源元器件的选型。

作者举例了几种常用的功耗模式：热设计功耗（TDP）、CPU满负荷运行下最大功耗、待机功耗和关机功耗。

其中TDP就是处理器最大负荷工作时释放出的热量，这个其实是对散热系统提出的要求，要求散热系统能够把CPU发出的热量散掉。CPU的功率计算满足功率（W）=电流（A）*电压（V）。在进行硬件电源系统设计时，一般会预留20%的电源设计冗余，来保证系统的电源供电更加可靠、稳定。

成本要求

成本分析是需求分析至关重要的一部分，生产产品的目的是获取最大的利润。硬件工程师要保证每个元器件发挥重大的作用，避免无效元件存在，保证BOM（Bill of Material）价较低。

当然，对于BOM物料的选型也是一项烦琐的工作，芯片既要满足性能的要求，也要考虑供应商规模、技术支持程度、物料实验验证等因素。元器件在性能满足要求的条件下，遵循价格最优的原则。

IP和NEMA防护等级要求

这里说的IP（Ingress Protection）是防护等级的意思，是将电器依其防尘防湿气特性加以分级。IP防护等级由两个数字组成，第一个数字表示电器防尘、防止外物侵入的等级，第二个数字表示电器防湿气、防水侵入的密闭程度，数字越大表示其防护等级越高。IP68是GB/T 4208-2017外壳防护等级(IP代码)中，防尘防水等级标准的最高级别。