嵌入式系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的基本問題

設(shè)計(jì)以MCU為核心的嵌入式系統(tǒng)硬件電路需要根據(jù)需求分析進(jìn)行綜合考慮，需要考慮的問題較多，這里給出幾個(gè)特別要注意的問題.

1.MCU的選擇

選擇 MCU 時(shí)要考慮 MCU 所能夠完成的功能、MCU 的價(jià)格、功耗、供電電壓、I/O 口電平、管腳數(shù)目以及 MCU 的封裝等因素。MCU 的功耗可以從其電氣性能參數(shù)中查到。供電電壓有 5V、3.3V 以及 1.8V 超低電壓供電模式。為了能合理分配 MCU 的I/O資源，在 MCU 選型時(shí)可繪制一張引腳分配表，供以后的設(shè)計(jì)使用。

2.電源

(1)考慮系統(tǒng)對(duì)電源的需求，例如系統(tǒng)需要幾種電源，如24V、12V、5V或者3.3V等，估計(jì)各需要多少功率或最大電流(mA)。在計(jì)算電源總功率時(shí)要考慮一定的余量，可按公式“電源總功率=2×器件總功率”來計(jì)算。

(2)考慮芯片與器件對(duì)電源波動(dòng)性的需求。一般允許電源波動(dòng)幅度在 ±5% 以內(nèi)。對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換芯片的參考電壓一般要求 ±1% 以內(nèi)。

(3)考慮工作電源是使用電源模塊還是使用外接電源。

3.普通I/O口

(1)上拉、下拉電阻：考慮用內(nèi)部或者外部上/下拉電阻，內(nèi)部上/下拉阻值一般在 700Ω 左右，低功耗模式不宜使用。外部上/下拉電阻根據(jù)需要可選 10KΩ～1MΩ 之間。

(2)開關(guān)量輸入：一定要保證高低電壓分明。理想情況下高電平就是電源電壓，低電平就是地的電平。如果外部電路無法正確區(qū)分高低電平，但高低仍有較大壓差，可考慮用 A/D 采集的方式設(shè)計(jì)處理。對(duì)分壓方式中的采樣點(diǎn)，要考慮分壓電阻的選擇，使該點(diǎn)通過采樣端口的電流不小于采樣最小輸入電流，否則無法進(jìn)行采樣。

(3)開關(guān)量輸出：基本原則是保證輸出高電平接近電源電壓，低電平接近地電平。I/O 口的吸納電流一般大于放出電流。對(duì)小功率元器件控制最好是采用低電平控制的方式。一般情況下，若負(fù)載要求小于10mA，則可用芯片引腳直接控制;電流在 10~100mA 時(shí)可用三極管控制，在 100mA～1A 時(shí)用 IC 控制;更大的電流則適合用繼電器控制，同時(shí)建議使用光電隔離芯片。

4.A/D電路與D/A電路

(1)A/D電路：要清楚前端采樣基本原理，對(duì)電阻型、電流型和電壓型傳感器采用不同的采集電路。如果采集的信號(hào)微弱，還要考慮如何進(jìn)行信號(hào)放大。

(2)D/A電路：考慮 MCU 的引腳通過何種輸出電路控制實(shí)際對(duì)象。

5.控制電路

對(duì)外控制電路要注意設(shè)計(jì)的冗余與反測，要有合適的信號(hào)隔離措施等。在評(píng)估設(shè)計(jì)的布板時(shí)，一定要在構(gòu)件的輸入輸出端引出檢測孔，以方便排查錯(cuò)誤時(shí)測量。

6. 考慮低功耗

(可參見這里)

低功耗設(shè)計(jì)并不僅僅是為了省電，更多的好處在于降低了電源模塊及散熱系統(tǒng)的成本。由于電流的減小也減少了電磁輻射和熱噪聲的干擾。隨著設(shè)備溫度的降低，器件壽命則相應(yīng)延長，要做到低功耗一般需要注意以下幾點(diǎn)：

(1)并不是所有的總線信號(hào)都要上拉。上下拉電阻也有功耗問題需要考慮。上下拉電阻拉一個(gè)單純的輸入信號(hào)，電流也就幾十微安以下。但拉一個(gè)被驅(qū)動(dòng)了的信號(hào)，其電流將達(dá)毫安級(jí)。所以需要考慮上下拉電阻對(duì)系統(tǒng)總功耗的影響。

(2)不用的I/O口不要懸空，如果懸空的話，受外界的一點(diǎn)點(diǎn)干擾就可能成為反復(fù)振蕩的輸入信號(hào)，而MOS器件的功耗基本取決于門電路的翻轉(zhuǎn)次數(shù)。

(3)對(duì)一些外圍小芯片的功耗也需要考慮。對(duì)于內(nèi)部不太復(fù)雜的芯片功耗是很難確定的，它主要由引腳上的電流確定。例如有的芯片引腳在沒有負(fù)載時(shí)，耗電大概不到1毫安，但負(fù)載增大以后，可能功耗很大。

7.考慮低成本

(可參見這里)

(1)正確選擇電阻值與電容值。比如一個(gè)上拉電阻，可以使用4.5K-5.3K的電阻，你覺得就選個(gè)整數(shù)5K，事實(shí)上市場上不存在5K的阻值，最接近的是 4.99K(精度1%)，其次是5.1K(精度5%)，其成本分別比精度為20%的4.7K高4倍和2倍。20%精度的電阻阻值只有1、1.5、2.2、 3.3、4.7、6.8幾個(gè)類別(含10的整數(shù)倍);類似地，20%精度的電容也只有以上幾種值，如果選了其它的值就必須使用更高的精度，成本就翻了幾倍，卻不能帶來任何好處。

(2)指示燈的選擇。面板上的指示燈選什么顏色呢?有些人按顏色選，比如自己喜歡藍(lán)色就選藍(lán)色。但是其它紅綠黃橙等顏色的不管大小(5mm以下)封裝如何，都已成熟了幾十年，價(jià)格一般都在5毛錢以下，而藍(lán)色卻是近三四年才發(fā)明的，技術(shù)成熟度和供貨穩(wěn)定度都較差，價(jià)格卻要貴四五倍。 (注: 這一已經(jīng)是幾年前的看法了.)

(3)不要什么都選最好的。在一個(gè)高速系統(tǒng)中并不是每一部分都工作在高速狀態(tài)，而器件速度每提高一個(gè)等級(jí)，價(jià)格差不多要翻倍，另外還給信號(hào)完整性問題帶來極大的負(fù)面影響.