硬件方案設計——（1）共性系統(tǒng)

搜索

APP

起點課堂會員權益

職業(yè)體系課特權

線下行業(yè)大會特權

個人IP打造特權

30+門專項技能課

1300+專題課程

12場職場軟技能直播

12場求職輔導直播

12場專業(yè)技能直播

會員專屬社群

榮耀標識

發(fā)布

注冊 | 登錄

硬件方案設計——（1）共性系統(tǒng)

賈明華

2020-07-27

1 評論 7163 瀏覽 28 收藏

18 分鐘

編輯導語：互聯網的發(fā)展讓現在的硬件產品變得越來越復雜，硬件產品設計中需要考慮的各方面問題，因為不同的硬件產品需要考慮的方向是不一樣的；本篇文章作者介紹了硬件產品幾種通用系統(tǒng)的設計考慮因素。

從機械類產品到電子類產品再到現在的聯網類產品，硬件產品現在是越來越復雜，涉及到各方面領域的技術和知識也越來越多，所以對硬件產品經理的知識面也要求的越來越廣。

原本想把做物聯網類硬件產品，從硬件到固件再到后臺服務器等各方面的內容都完整的寫出來，但是由于一些問題無法做到一一詳解，所以本章就主要以硬件為主和大家聊一下方案的設計。

一、簡介

物聯網硬件是實體的硬件產品，具備電子化的系統(tǒng)和聯網的能力，可以實現數據的采集和設備的控制，從而滿足用戶對于信息獲取和設備控制等方面的需求。

物聯網設備包括硬件和軟件（也稱為固件）兩部分，硬件部分主要是承載系統(tǒng)程序的運行以及信息的采集和指令的執(zhí)行等功能。

下面我們來看下硬件系統(tǒng)中的一些模塊，如圖所示：

硬件模塊

上下行通訊模塊：在整個系統(tǒng)中上行通訊通常是對上級或對外部的通訊，下行通常則一般是指對下級或內部的通訊方式。以物聯網設備而言，以5G、4G、3G、WIFI、Zigbee、藍牙、LoRa等通訊技術進行向上級或外部的數據收發(fā)和通訊時一般被稱之為上行通訊，通訊模塊上行會連接各種通訊技術的網關/基站。下行則連接硬件設備內部處理器進行通信，從而實現硬件設備與云端服務器互通互連的要求。

處理器：它就像人的大腦一樣承載著整個系統(tǒng)的運行，處理器的內部可以運行各種程序，對外則具備各種的接口。內部的程序可以通過調用各種接口實現控制不同的元器件，從而實現數據的采集和設備的控制。物聯網設備中大多數的程序比較簡單，使用最多的就是各種單片機處理器，有一些程序復雜的設備也會使用CPU等處理器。

內部通訊：顧名思義是指設備內部元器件之間的通訊，有模擬信號和數字信號兩種。傳感器或控制器最原始收發(fā)的信號都是模擬信號，一般模擬信號都會轉換成數字信號然后在與其他元器件進行通訊交互。數字信號傳輸中有很多類型的接口協議，例如TTL、RS-232、RS-485、SATA、IIC、SPI、UART等，這些不同的接口被統(tǒng)稱為串口，它們是硬件選型和設計中的一個重要因素。

傳感器/執(zhí)行器：在1.5章節(jié)智能硬件系統(tǒng)概覽中有介紹，它們分別是現實世界的數據采集者和控制者，既可以采集環(huán)境中各種實體、非實體的數據，也可以通過一些設備對現實世界的實體和非實體進行交互和控制。絕大多數的物聯網設備中都是以它們?yōu)榛A，然后加上通訊模塊使其可以互聯互通從而實現產品不同的價值。

儲存：和U盤一樣用于儲存數據，在硬件設備中用的是Flash，它們的空間很小從幾KB到幾十MB不等，主要用于緩存一些數據或存儲一些程序代碼。

電源系統(tǒng)：是指設備從外部電源輸入到內部變壓整流的系統(tǒng)，這個系統(tǒng)根據不同元器件的需求把電轉換成不同的電壓和電流供其使用。

硬看門狗：很多電子設備都是在無人值守的環(huán)境中運行的，因此就需要設備在無人干涉的情況下保持24小時不間斷的運行，但程序并不能保證一直都處于正常工作狀態(tài)而不出任何錯誤，例如死機等情況；

所以就需要一種方案保證即便設備死機了也可以自動重啟恢復工作，這種方案就叫看門狗——看門狗是一個獨立的元器件，它的內部是一個計時器，當計時器歸零時就會觸發(fā)一個強制重啟的信號給處理器，從而達到重啟設備的目的。

處理器或系統(tǒng)正常工作時會隔一段時間給看門狗一個信號使其重置計時器，這樣看門狗就不會觸發(fā)強制重啟的信號；若處理器或程序出現問題沒能按時給看門狗重置計時器的信號，看門狗便會觸發(fā)強制重啟的信號給處理器重啟設備，使其重新啟動工作。

二、核心元器件

一個產品中的元器件動不動就成百上千，作為產品經理而言不應該去關心所有元器件的選型，一方面是因為產品經理沒有足夠的專業(yè)知識，另一方面是產品經理也沒有足夠的精力；所以我們應該懂得取舍，把專業(yè)的事情交給專業(yè)的人來做。

產品經理應該重點關心的是那些核心的元器件，如何判斷什么是核心的元器件呢？

筆者主要從兩方面因素判斷：

1）影響產品目標或性能的元器件：例如一個攝像機的Sensor和鏡頭，Sensor的好壞影響圖像色彩的效果和大小，而鏡頭則會影響圖像的成像畸變和視角大小。這兩點是一個攝像機最重要的性能指標，因此產品經理就需要十分了解這類元器件，并主導這類元器件的選型。

2）另一種是和成本關系較大的元器件：因為成本是一個產品定位和成敗的關鍵因素，例如使用電池供電的設備，不同類型的電池或容量的大小對于產品的成本影響都很大。在選擇電池時要根據成本和產品的性能要求做權衡，有些情況可以用大電池當做產品的賣點，有些時候則需要降低電池的性能去節(jié)省成本，具體的抉擇要根據情況而定。

這種需要權衡的事情不能交給工程師等伙伴來做，因為產品經理才是在產品起源、市場環(huán)境、產品策略等多方面都了解的人，很多事情的抉擇都是要綜合各種因素去判斷的，因此這些核心的元器件選型一定要經過產品經理的評估和確定，但是對于那些類似電阻、電容等對產品性能和成本影響不太大的元器件則可以放心的交給工程師伙伴去選擇確認。

不同的設備可被稱為核心元器件的部件也不同，下面是根據不同設備類型總結的一些需要被作為核心元器件去考慮的部件，這里雖然舉例的并不完整，但是還是具備參考的價值。

在做產品時需要根據實際情況去判斷哪些元器件應該去重點分析選型：

主要元器件類型

元器件選型主要是通過元器件的性能指標來判斷，不同元器件的性能指標也是完全不同，分析一個元器件首先需要確認的就是這個元器件具備哪些性能指標、以及對應的性能指標是什么意思、在應用時會有什么影響。

這里我們以電池舉例看下電池的性能指標有哪些？

這些性能指標可以從相關的產品規(guī)格書中獲取，當然也可以從有過使用經驗的朋友那里獲取。

產品規(guī)格書中的數據都是理論值，在使用中一般不能達到相應的性能，而從有經驗的人那里獲取的信息一般都是他實際使用中的結果；這個結果相對更加切近實際的性能，不過需要注意的是不同的產品對性能的影響和使用場景也不同，所以也不要全部參考別人的經驗之談。

是否可充電：是否可充電是電池基本的特性區(qū)別，一般手持設備、用戶容易接觸到的設備以及大功耗的設備都會采用可充電電池，一方面是因為產品便于充電，另一方面是因為使用不可充電的電池成本過高?，F在很多的物聯網傳感器一般都是使用的不可充電電池，因為這些設備通常在無人值守的情況下運行，同時也因為他們功耗低以及要求待機時間長的特性。

電池能量密度：是指電池在一定體積下的存電容量，能量密度越高相同體積下電池的容量越大。這個特性對穿戴類或其他微型設備比較重要。

電池自放電率：是指電池在沒有負載的情況下自己本身的電量流失，可充電電池的自放率一般都很高每月10%以上的自放率都是正常的。不可充電電池的自放率則是很低的，每年也就百分之幾。像是鋰亞電池的年自放率可以控制在2%左右，而那些可充電電池的年自放率可達到100%。正因為自放電特性的問題，現在很多的傳感器都是采用這種一次性電池，所以才能實現數十年的待機壽命，如果采用可充電電池，那么即便其他元器件不耗電，電池自放都會在幾個月內把電量耗光。

電池放電曲線：是指在一定負載下電池連續(xù)放電的電壓變化，理想的放電曲線是成直角型的，也就是在電池接近放光時電壓也可以持續(xù)穩(wěn)定在一定的范圍內。不好的放電曲線是成曲線逐步下降的，這樣就會導致低于元器件所需電壓的電量無法被用上造成電量的浪費。

實際可用電量：因為電池會因環(huán)境影響、自放電影響以及放電壓降的影響導致一部分電量無法真正用掉，所以在選擇電池時需要評估實際可用的電量，可用容量=標稱容量-可用電壓下的容量（自放電率*使用時長）。這種評估方法雖然也是理論值，但是相比電池的標稱容量還是更加貼近實際情況的。

在收集元器件資料時主要有三個渠道：

直接從官網下載產品的規(guī)格書等元器件資料，這種方式最便捷，不過有些官網上的資料并不齊全或不是最新的；
在各大元器件經銷平臺查找，他們一般都會有所售元器件的規(guī)格書，例如立創(chuàng)商場、澤貿電子、安富利電子、得捷電子、云漢芯城等平臺；
直接找廠商的銷售和技術支持所要，這種方式一般都能要到最新最全的資料，不過缺點也比較明顯，那就是需要付出較多的溝通成本。

三、電源系統(tǒng)

在一個電子產品中供電系統(tǒng)是最基本的系統(tǒng)之一，在供電系統(tǒng)中分為兩部分，一部分是電源供給部分，另一部分是根據元器件供電需求對電源進行處理的部分。

電源系統(tǒng)

電源供給部分有電池供電和有線供電兩種方式，這兩種既可以單獨使用也可以同時使用。

使用不可充電電池時一般不會同時使用有線供電的方式，但是使用可充電電池時一般都會支持有線供電，因為可以通過有線供電的方式同時給電池充電。

在給電池充電時需要增加充電管理的IC和相應的電路，用于檢測電池的電量和溫度，通過對充電的電流、電壓控制實現自動充電并保障電池的使用壽命以及電池使用的安全性。

這兩種不同的供電方式對電子設備的電源管理系統(tǒng)的復雜度和成本也是有很大的影響，除此之外電源輸入的電壓和電流的大小對于設備內部的電源處理也有影響；假設設備內部需要的電壓是3V和5V、穩(wěn)定電流是40mAh、瞬時電流是405mAh，那么我們就需要思考以下幾個問題如何處理。

寬電壓性能：有線供電是否需要支持寬電源輸入（指可接受的電壓浮動范圍，例如元器件需要的電壓是3V~5V，但是設備可以支持3V~12V的電壓輸入）支持寬電壓的好處是方便后期的電源選擇，且可以接受一些電壓的不穩(wěn)定波動。壞處是需要增加設備內相應電源處理元器件的性能，同時也就會增加設備的成本。

電池電壓處理：例如一個元器件使用的是5V的電壓，但是市面上找不到直接輸出5V電壓的電池，一般都是3.6V和9V的。這里就需要考慮是使用9V的降壓還是使用3.6V串聯成7.2V的再降壓又或者使用3V升壓呢？這三種不同的方案各有優(yōu)劣勢，比如9V的電池型號少且不便于采購和安裝、升壓的電損耗要高于降壓的電損耗等問題。

電池輸出電流：與有線供電相比電池的輸出電流一般不高，通常也是幾十mAh而已，但是有的元器件瞬時電流需要幾百mAh甚至更高的電流，這時就需要考慮是采用大電流的電池（大電流電池在相同價格下電池容量會降低）還是使用電容（電容可以存儲電然后在短時間內輸出大的電流）的方式來處理這種問題。前者會對電池的選型有限制，后者則沒有此問題，除此之外還需要考慮不同方案的成本。

電源處理部分是根據不同元器件對供電電壓、電流的要求進行處理，從而滿足元器件的供電需求；比如用電設備的瞬時電流特別高，那就可能需要增加電容來解決這個問題。

在一個設備中如果各種元器件的工作電壓和電流都不同，那么就需要針對不同的元器件對電源進行處理，反之則可以盡量減少電源處理的電路。電源處理電路越多產品的成本、復雜度、故障率就越高，所以在選擇元器件的時候盡量的選擇電壓相同的，這樣可以有效降低電路復雜度和成本。