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序言：“2017 年工程師節(jié)”今天正式拉開序幕，本屆工程師節(jié)的主題圍繞“技能”二字。身為電子人，無論行走江湖的老者，還是初入此圈的新人，總一兩個技能傍身、總有一兩個得意之作。
自 05 年本科畢業(yè)參加工作至今，已有十多個年頭，而我一直從事嵌入式硬件開發(fā)的工作（必要時也做一些軟件開發(fā)），所設計的硬件電路和模塊不下百種，有簡單的也有復雜的。其中不乏有讓自己付出極大心血和精力的，這可以認為是自己的得意之作，故取其之一來展示。
與德國人打交道，心累也心喜
12 年進入一家世界 500 強的外資企業(yè)工作，從事嵌入式硬件開發(fā)工作，負責的是 XX 型號設備監(jiān)測系統中的通信卡的硬件設計。該監(jiān)測系統針對的是大型的旋轉類設備的運行狀態(tài)監(jiān)測，實時采集該設備各個測試點的運行狀態(tài)，包括旋轉速度、旋轉加速度、振動參數、同軸偏心度參數、旋轉軸內溫度參數等等。通過放置在各個測試點的傳感器來進行采集和轉換，然后通過測量板卡將傳感器數據轉換成數字信號，通過背板上總線傳遞給通信板卡，最后將數據傳輸到遠端的監(jiān)控室和服務器端。各個測量板卡和通信板卡之間采用的是標準的 RS485 總線通信方式，通信板卡和遠端采用的是以太網通信。
雖說公司屬于美資企業(yè)，但是和我們打交道的卻是德國人，我們平時的所有工作都是向他們匯報。眾所周知，德國人的細心和耐心是出了名的，尤其是在研發(fā)工作當中，對任何事情都是精益求精。從和他們開始接觸的第一天開始，他們就表明了他們對待研發(fā)工作的態(tài)度，并制定了一系列在研發(fā)工作當中應該嚴格遵守的準則和標準（和公司制度無關）。首先就是文檔的書寫，不需要長篇大論，能說明問題即可，文檔中不能出現省略號（……）、等（and so on）這些字眼，所有有關的項目都必須羅列出來；對待結論性的東西只能出現 true or false/yes or no,不能出現模棱兩可的描述；研發(fā)過程中允許出錯，但必須要有足夠的正當理由；任何工作必須先寫文檔，以文檔為指導；研發(fā)工作必須要有階段性成果，便于討論；任何測試結果都必須以數據說話；任何設計都要留有余量……。要求我們必須按照這些口頭的制度來合理安排自己的工作。
一塊通信卡的故事
我們所要開發(fā)的這個通信板卡的前身是采購自第三方的 ODM 模塊，因此所有的技術信息對我們來說都是保密的，我們能做的就是知道怎么用，出問題了我們也不知道怎么去維護，因此在市場占有率提高以后我們顯得非常被動，公司高層最終決定自主研發(fā)，掌握主動權，進一步提高市場占有率和產品利潤。
因此我們針對此通信板卡的研發(fā)是在保留其目前功能接口的前提下（目的是要和現有市場上的設備兼容）進行技術升級，也就是在涵蓋他們所提供的功能的基礎上添加了自己的功能，包括提高數據處理速度、數據通信速度、添加操作系統等等。
因此從某種意義上來說，完全是一個全新的設計。
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德國人對這次研發(fā)看得非常重，光針對通信卡的技術需求就有好幾十頁，細化到每一個接口和功能，我們必須在此技術需求文檔的基礎之上進行研發(fā)。
為了更好的了解該產品的特性和工作原理，我們兩個人公費被派往德國參觀和學習了一個半月，實地去學習該產品生產過程以及該監(jiān)測系統的功能。同時也去學習德國人在產品研發(fā)上的每一步工作是如何做的，參觀了德國的高標準化生產車間。給我印象最深刻的就是車間內的工人師傅都是 4、50 歲的年齡比較大的，還有一位負責組裝傳感器頭的師傅有 60 多歲了，對于這種非常敏感的傳感器頭，經驗比技術更重要。
這一趟德國行不僅完全掌握了該系統的整體功能細節(jié)，同時也感受到了發(fā)達國家的先進之處和美景美食，受益匪淺啊。
回來后第一步就是針對主 MCU 的選型。我在主 MCU 的選型上就花了將近一個月的時間，在這一個月的時間里，我看了各大半導體廠商的主流 MCU 芯片的資料，而且全是英文版，除了了解各個 MCU 的特點和功能之外,我還要從中選取 3 到 4 種進行橫向比較。
我制作了一個表格,將這幾種 MCU 的特點都羅列出來,從中選擇最接近我們技術需求的 MCU,同時還要性價比高。主要參數包括:MCU 主頻、Flash 容量、RAM 容量、對外都有哪些接口、封裝形式、供電電壓、最大功耗、所支持的操作系統、芯片的生命周期等等，這些參數足足有十幾頁。
最后不僅要給德國人提供這個表格，還要給出意向 MCU，并陳述理由。德國人根據表格里的數據和我陳述的理由，同意了我的選擇為 ST 的一款 MCU。
主 MCU 選定后，外圍器件根據接口形式很快就選好了，并根據要求有些通用新品最少選兩個廠商，留有足夠的設計和生產備份。
遵循德國人訂立的設計準則，我在主 MCU 和外圍接口芯片選好以后，就開始編寫硬件詳細設計文檔，包括板卡供電、外圍器件、以太網 PHY 芯片、串口擴展芯片、RS485 接口芯片等，以及初步的硬件原理圖和芯片工作原理簡介。
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針對原理圖的繪制和審查，德國人都有一套嚴格的流程，一人設計交叉審查。還有原理圖中的器件標號不能出現有歧義的地方，包括字體的格式、大小等都有嚴格的規(guī)定。很快我就將第一版的原理圖繪制完成，然后和德國人開會討論了好幾次才最終定稿。關于 PCB 尺寸是標準的歐式板卡尺寸（160mm*100mm），用的也都是歐式插座，用于和背板的連接。同樣，針對 PCB 的設計布線，德國人也有一套嚴格的規(guī)定，包括不同的信號類型使用不同的線寬和線距，以及 PCB 的標注。
德國人做事非常嚴謹，但是節(jié)奏非常慢，針對這個通信板卡的整體設計，預計時間周期為 2 年，包括軟硬件，硬件工作主要集中在前段，因為必須提供實現軟件測試的硬件平臺。
經過兩個月的艱苦奮戰(zhàn)，第一版的 PCB 終于完成，在進行打板之前，必須經過德國人的審核后才能發(fā)給板廠制作。
PCB 加工完成后，并不是急于進行元器件焊接，而是先檢查 PCB 裸板。一方面檢查制作工藝，另一方面也檢查是否存在短路現象，避免焊接元器件后不方便檢查。而且最后還要填寫 CheckList 報告。
PCB 裸板檢查無誤后才開始進行焊接，雖然制作數量比較少（每次在 10PCS 左右），但是照樣使用 SMT 工藝進行器件焊接，禁止手工焊接，避免手工焊接所帶來的問題會被誤認為是設計缺陷。SMT 結束后，并不急于上電，而是先檢查焊接質量，包括器件焊接正確性、擺放位置、錫的飽滿度等，無誤后進行 PCB 清洗，利用專用的清洗劑進行超聲波清洗，清洗后進行高溫烘干，靜置 24 小時后準備上電。
上電之前必須事先設置好供電電壓，第一步先測總電流，電流正常了再測 PCB 上各個輸出電壓，都正常后才開始給 MCU 燒寫軟件代碼，進行軟件驗證。此時燒寫的并不是最終運行的代碼，而是接口驅動代碼，用來驗證各個接口是否滿足要求。
此時，針對設計需求中硬件部分，必須進行模塊劃分，而且最終根據各個模塊進行單獨測試，必須事先寫測試流程，包含每一個步驟以及用到哪些測試工具、怎樣操作、需要測試哪些內容，都必須一一詳述。目的就是為了讓任何一個人看過測試流程之后都知道如何來操作。而且每項測試必須得出最終測試結果，不合格的項目必須同時提供改進方法，并經過試驗驗證，然后在下一版中進行改進。
做完各項測試后，有兩項不合格，并提出改進方法，進行驗證。在功能性測試結束后，必須經過高低溫、濕度測試以及 EMC 測試，保證器件能可靠工作。
在第二版中針對第一版測試出現的問題加以改進，完全滿足產品設計需求中的每一項，后續(xù)的大量工作均集中在軟件驗證上。硬件工程師基本都處在配合軟件工程師工作。
經過兩年左右的開發(fā)，這款通信板卡最終實現了各項功能指標，具備量產的條件。同時也獲到了德國人的贊揚。通過這款通信板卡的研發(fā)，我不僅學習到了德國人對于產品研發(fā)的經驗，包括細節(jié)處理方法，同時也增長了許多見識。見識了什么是真正的發(fā)達國家。
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與非網網友，yichun417
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