硬件電路設計的案例
常用外圍電路設計，硬件電路設計參考及注意事項
從事嵌入式這個行業(yè)已經(jīng)有七八年了，在此我給大家分享分享一些硬件電路的設計方案和心得，供一些剛學嵌入式的朋友參考，大神和老鳥請忽略哈。還有，因為本人知識非常有限，也不是專門做電路設計的，如果有什么錯漏的地方非常歡迎大家指正，請大家輕噴輕噴，多多包涵^_^。
一、按鍵電路的常用設計參考
1、R1上拉電阻將不確定的信號通過一個電阻鉗位在高電平，維持在不被觸發(fā)的狀態(tài)或是觸發(fā)后回到原狀態(tài)。(個人建議加上)
2、C1電容減小按鍵抖動及高頻信號干擾。(個人建議加上)
3、R2限流電阻(取值100歐~10k不等，如果有設置內部上拉，該值不能太大，否則電流不足以拉低IO口) 保護IO口防止過流過高電壓燒壞IO口，對靜電或者一些高壓脈沖有吸收作用。(個人建議加上)
4、D1ESD二極管 靜電保護二極管，防止靜電干擾或者損壞IO口。(這個根據(jù)PCB的成本及防護級別要求來決定添加與否)
二、外接信號輸入設計參考(和按鍵有點類似)
1、R3上拉電阻 將不確定的信號通過一個電阻鉗位在高電平，維持在不被觸發(fā)的狀態(tài)或是觸發(fā)后回到原狀態(tài)。(如果外接的連接線比較長，芯片內部上拉能力比較弱，則建議加上。平時通信距離不長，有內部上拉則可以省略)
2、C2電容防止高頻信號干擾。(注意，如果輸入頻率信號比較大,C2容值要對應減少，或者直接省略C2)
3、R4限流電阻保護IO口 防止過流過高電壓燒壞IO口，對靜電或者一些高壓脈沖有吸收作用。(個人建議加上)
4、D2ESD二極管靜電保護二極管，防止靜電干擾或者損壞IO口。
展開 硬件大神們都是怎么搞定電路設計的？
獻給那些剛開始或即將開始設計硬件電路的人！剛剛開始接觸電路板的時候，與你一樣，在網(wǎng)上許多關于硬件電路的經(jīng)驗、知識讓人目不暇接，像信號完整性、EMI、PI設計準會把你搞暈。
別急，慢慢來捋一下。
概述
1）總體思路。設計硬件電路，大的框架和架構要搞清楚，但要做到這一點還真不容易。有些大框架也許自己的老板、老師已經(jīng)想好，自己只是把思路具體實現(xiàn);但也有些要自己設計框架的，那就要搞清楚要實現(xiàn)什么功能，然后找找有否能實現(xiàn)同樣或相似功能的參考電路板。懂得盡量利用他人的成果，越是有經(jīng)驗的工程師越會懂得借鑒他人的成果。
2）理解電路。如果你找到了的參考設計，那么恭喜你，你可以節(jié)約很多時間了(包括前期設計和后期調試)。馬上就copy？NO，還是先看懂理解了再說，一方面能提高我們的電路理解能力，另一方面也能避免設計中的錯誤。
3）沒有找到參考設計?
沒關系。先確定大IC芯片，找datasheet，看其關鍵參數(shù)是否符合自己的要求，哪些才是自己需要的關鍵參數(shù)，以及能否看懂這些關鍵參數(shù)，都是硬件工程師的能力的體現(xiàn)，這也需要長期地慢慢地積累。這期間，要善于提問，因為自己不懂的東西，別人往往一句話就能點醒你，尤其是硬件設計。
4）硬件電路設計主要是三個部分，原理圖，PCB ，物料清單(BOM)表。原理圖設計就是將前面的思路轉化為電路原理圖。它很像我們教科書上的電路圖。PCB涉及到實際的電路板，它根據(jù)原理圖轉化而來的網(wǎng)表(網(wǎng)表是溝通原理圖和PCB之間的橋梁)，而將具體的元器件的封裝放置(布局)在電路板上，然后根據(jù)飛線(也叫預拉線)連接其電信號(布線)。完成了PCB布局布線后，要用到哪些元器件應該有所歸納，所以我們將用到BOM表。
5）用什么工具？
展開 步進電機的硬件電路設計 步進電機驅動原理及方法
優(yōu)點：電路簡單，元件少、控制也簡單，實現(xiàn)起來比較簡單
缺點：必須提供足夠大的電流的三極管來進行開關處理，步進電機運轉速度比較低，電機震動比較大，發(fā)熱大。由于已經(jīng)不再使用，所以不多描述。
2. 高低壓驅動
由于恒電壓驅動存在以上諸多缺點，技術的進一步發(fā)展，研發(fā)出新的高低壓驅動來改善恒電壓驅動的部分缺點，高低壓驅動的原理是，在電機運動到整步的時候使用高壓控制，在運動到半步的時候使用低壓控制，停止時也是使用低壓來控制。
優(yōu)點：高低壓控制在一點程度上改善了震動和噪音，第一次提出細分控制步進電機的概念，同時也提出了停止時電流減半的工作模式。
缺點：電路相對恒電壓驅動復雜，對三極管高頻特性要求提高，電機低速仍然震動比較大，發(fā)熱仍然比較大，現(xiàn)在基本上不使用這種驅動模式。
3. 自激式恒電流斬波驅動
自激式恒電流斬波驅動的工作原理是通過硬件設計當電流達到某個設定值的時候通過硬件將其電流關閉，然后轉為另一個繞組通電，另一個繞組通電的電流到某個固定的電流的時候，又能通過硬件將其關閉，如此反復，推進步進電機運轉。
優(yōu)點：噪音大大減小，轉速一定程度上提高了，性能比前兩種有一定的提高。
缺點：對電路設計要求比較高，對電路抗干擾要求比較高，容易引起高頻，燒壞驅動元件，對元件性能要求比較高。
4. 電流比較斬波驅動（目前市場上主要采用的技術）
電流比較斬波驅動是把步進電機繞組電流值轉化為一定比例的電壓，與D/A轉換器輸出的預設值進行比較，比較結果來控制功率管的開關，從而達到控制繞組相電流的目的。
優(yōu)點：使運動控制模擬正弦波的特點，大大提高性能，運動速度和噪音都比較小，可以使用比較高的細分，是當前流行的控制方法。
展開 嵌入式硬件設計幾點注意事項
嵌入式設計是個龐大的工程，今天就說說硬件電路設計方面的幾個注意事項，首先，咱們了解下嵌入式的硬件構架。
我們知道，CPU是整個系統(tǒng)的靈魂，所有的外圍配置都與其相關聯(lián)，這也突出了嵌入式設計的一個特點硬件可剪裁。在做嵌入式硬件設計中，以下幾點需要關注。
1、電源的確定
電源對于嵌入式系統(tǒng)中的作用可以看做是空氣對人體的作用，甚至更重要：人呼吸的空氣中有氧氣、二氧化碳和氮氣等但是含量穩(wěn)定，這就相當于電源系統(tǒng)中各種雜波，我們希望得到純凈和穩(wěn)定符合要求的電源，但由于各種因素制約，只是我們的夢想。這個要關注兩個方面：
a、電壓
嵌入式系統(tǒng)需要各種量級的電源比如常見的5v、3．3v、1.8v等，為盡量減小電源的紋波，在嵌入式系統(tǒng)中使用LDO器件。如果采用DC-DC不僅個頭大，其紋波也是一個很頭疼的問題。
b、電流
嵌入式系統(tǒng)的正常運行不但需要穩(wěn)定足夠的電源，還要有足夠的電流，因此在選擇電源器件的時候需要考慮其負載，一般留有30％的余量。
如果是多層板，電源部分在layout的時候需電源分割，這時需要注意分割路徑，盡量將一定量的電源放置在一起。如果是雙面板，則走線寬度需要注意，在板子允許的情況下盡量加寬。合適的退耦電容盡量靠近電源管腳。
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50種常用電路，硬件設計必備知識寶典！收藏！
EEPROM
LCD1602電路
數(shù)碼管
max485
紅外開關
蜂鳴器
譯碼器
移位寄存器
步進電機控制
復位電路
下載電路
電源模塊
溫度模塊
紅外
熱敏電阻
交通燈
時鐘
555
彩屏
矩陣
按鍵
單片機
燒錄電路
數(shù)碼管
紅外發(fā)射
顯示模塊
紅外接收
蜂鳴器驅動
流水燈
usb供電
單片機
矩陣
單片機電路
時鐘
ADC
接口電路
單片機
電源
聲音模塊
收音機
485
藍牙
光耦
can
三軸傾角傳感器系統(tǒng)硬件設計詳解
本文提出以雙軸傳感器SCA100t(＄37.2345) 和C8051F(＄8.5976) 單片機實現(xiàn)的設計，可大大降低系統(tǒng)成本，不但可以構成一個單獨的數(shù)字輸出傳感器，也可以作為一個測量模塊，嵌入到測量控制系統(tǒng)中，廣泛應用于機器人控制、平臺姿態(tài)（俯仰和滾轉）測量、雙軸加速度測量等系統(tǒng)中。
硬件電路設計
整個系統(tǒng)結構如圖1 所示。可分為供電電路、角度測量和數(shù)據(jù)采集與輸出等。系統(tǒng)采用寬電源供電，經(jīng)電源變換后電源分為兩路，一路是由精密穩(wěn)壓芯片REF195(＄1.5240)，輸出高穩(wěn)定的 5v 電壓，專為傳感器供電，以提高傳感器的輸出穩(wěn)定性;另一路是由LM2937(＄0.7700)輸出的3.3v 電源，為單片機系統(tǒng)提供工作電源。
圖1 系統(tǒng)總體框圖
角度測量使用了VTI 公司生產(chǎn)的硅基加速度傳感器SCA100t，其主要性能指標：1）雙軸向傾角測量：SCA100t 測量X-Y 方向;2） 測量范圍 1.7g;3） 測量靈敏度1.2V/g;4）+5V單電源供電，兩個比例電壓輸出（模擬），內置11 位AD 轉換器;5）兼容SPI 的數(shù)字輸出;6）通過SPI 接口，可以訪問內部溫度傳感器。
SCA100t 為12 腳表貼封裝，設計時要水平安裝芯片，并注意芯片上面箭頭所指方向為正方向。輸出使用SPI 接口，周期為19 個時鐘，雖然C8051F 單片機具有片上SPI 資源，與SCA100t 的SPI 時序不符，因此采用軟件模擬SPI 總線讀寫SCA100t 數(shù)據(jù)。傳感器同時還有模擬輸出接口，設計時把這兩路信號引出，滿足用戶的使用要求。
展開 硬件工程師都是怎么設計電源正負極反接保護電路的？
硬件工程師的很多項目是在洞洞板上完成的，但有存在不小心將電源正負極接反的現(xiàn)象，導致很多電子元器件都燒毀，甚至整塊板子都廢掉，還得再焊接一塊，不知道有什么好的辦法可以解決？
首先粗心不可避免，雖說只是區(qū)分正負極兩根線，一紅一黑，可能接線一次，我們不會出錯；接10次線也不會出錯，但是1000次？10000呢？這時候就不好說了，由于我們的粗心，導致一些電子元器件和芯片燒壞，主要原因是電流過大使元器件被擊穿，所以必須采取防止接反的措施。
一般常用的有以下幾種方法：
EDA365電子論壇
二極管串聯(lián)型防反接保護電路
在正電源輸入端串聯(lián)一個正向二極管，充分利用二極管正向導通、反向截止的特性。正常情況下，二級管導通，電路板工作。
當電源接反時，二極管截止，電源無法形成回路，電路板不工作，可以有效的防止電源接反的問題。
展開 按鍵的硬件消抖電路原理
硬件消抖電路
硬件消抖一般有兩種實現(xiàn)方式：
RS觸發(fā)器
電容濾波
RS觸發(fā)器
利用RS觸發(fā)器來吸收按鍵的抖動。一旦有鍵按下，觸發(fā)器立即翻轉，觸電的抖動便不會再對輸出產(chǎn)生影響，按鍵釋放時也一樣。RS觸發(fā)電路消抖電路圖如下。
電容濾波
將電容并聯(lián)在按鍵的兩端，利用電容的放電的延時特性。將產(chǎn)生抖動的電平通過電容吸收掉。從而達到消抖的作用，電容消抖電路圖如下圖所示。
總結
實際上，在沒有MCU的情況下，對按鍵進行消抖通常是通過硬件消抖電路來實現(xiàn)。而在嵌入式開發(fā)中，大多數(shù)情況下都是通過程序來實現(xiàn)按鍵消抖。簡單說就是加合適的延遲，顯然這實現(xiàn)成本要比硬件電路方式低得多。
展開 三維視景仿真環(huán)境下的船舶分油機仿真系統(tǒng)設計
2 硬件電路設計
分油機嵌入式控制單元的硬件電路包括電源電路、數(shù)字量輸入電路、數(shù)字量輸出電路、模擬量輸入電路、模擬量輸出電路、顯示電路、以太網(wǎng)通信電路等部分組成，分油機仿真系統(tǒng)硬件電路設計如圖2所示。電源電路采用船舶控制系統(tǒng)常用的24V直流電源，經(jīng)過防反接、降壓、濾波處理，形成3.3V用于STM32主控芯片等系統(tǒng)使用。
圖2 分油機仿真系統(tǒng)硬件電路設計
數(shù)字量輸入電路和模擬量輸入電路為信號采集部分，數(shù)字量輸入主要采集按鍵信號，EPC-50分油機控制面板上共有7個按鍵，STM32通過ZLG7290芯片控制和管理這7個按鍵，ZLG7290芯片采用IIC總線方式與STM32進行通信和數(shù)據(jù)交互。模擬量采集電路主要用于對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行傳輸與處理，這部分數(shù)據(jù)包括了凈油出口水分濃度、凈油出口壓力、帶分油溫度和壓力等模擬量，這些信號通過轉換電路轉換成0～3.3V電壓信號后送入STM32，從而實現(xiàn)對溫度壓力等模擬量信號的采集。
為確保仿真系統(tǒng)的通信實時性，主控單元與上位機采用以太網(wǎng)通信方式，以太網(wǎng)通信芯片采用WIZnet公式生產(chǎn)的W5500芯片，該芯片內部不僅集成了PHY和MAC層，內部的邏輯門電路還實現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議棧的傳輸層和網(wǎng)絡層，與STM32之間采用通用的80MHz高速SPI進行數(shù)據(jù)通信，具有占用引腳資源少，操作簡單等優(yōu)勢。
3 分油機三維仿真軟件設計
分油機模擬軟件開發(fā)應用的工具有MATLAB、Visual Studio 2015、3dsMAX和Unity3D。數(shù)學建模工具為MATLAB，在MATLAB中建立分油機控制系統(tǒng)和管路的數(shù)學模型，并對模型的正確性進行驗證，在驗證正確性之后在Visual Studio 2015中應用C#建立仿真系統(tǒng)的模型端。
展開 
三維視景仿真環(huán)境下的船舶分油機仿真系統(tǒng)設計
2 硬件電路設計
分油機嵌入式控制單元的硬件電路包括電源電路、數(shù)字量輸入電路、數(shù)字量輸出電路、模擬量輸入電路、模擬量輸出電路、顯示電路、以太網(wǎng)通信電路等部分組成，分油機仿真系統(tǒng)硬件電路設計如圖2所示。電源電路采用船舶控制系統(tǒng)常用的24V直流電源，經(jīng)過防反接、降壓、濾波處理，形成3.3V用于STM32主控芯片等系統(tǒng)使用。
圖2 分油機仿真系統(tǒng)硬件電路設計
數(shù)字量輸入電路和模擬量輸入電路為信號采集部分，數(shù)字量輸入主要采集按鍵信號，EPC-50分油機控制面板上共有7個按鍵，STM32通過ZLG7290芯片控制和管理這7個按鍵，ZLG7290芯片采用IIC總線方式與STM32進行通信和數(shù)據(jù)交互。模擬量采集電路主要用于對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行傳輸與處理，這部分數(shù)據(jù)包括了凈油出口水分濃度、凈油出口壓力、帶分油溫度和壓力等模擬量，這些信號通過轉換電路轉換成0～3.3V電壓信號后送入STM32，從而實現(xiàn)對溫度壓力等模擬量信號的采集。
為確保仿真系統(tǒng)的通信實時性，主控單元與上位機采用以太網(wǎng)通信方式，以太網(wǎng)通信芯片采用WIZnet公式生產(chǎn)的W5500芯片，該芯片內部不僅集成了PHY和MAC層，內部的邏輯門電路還實現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議棧的傳輸層和網(wǎng)絡層，與STM32之間采用通用的80MHz高速SPI進行數(shù)據(jù)通信，具有占用引腳資源少，操作簡單等優(yōu)勢。
3 分油機三維仿真軟件設計
分油機模擬軟件開發(fā)應用的工具有MATLAB、Visual Studio 2015、3dsMAX和Unity3D。數(shù)學建模工具為MATLAB，在MATLAB中建立分油機控制系統(tǒng)和管路的數(shù)學模型，并對模型的正確性進行驗證，在驗證正確性之后在Visual Studio 2015中應用C#建立仿真系統(tǒng)的模型端。
展開 硬件很難嗎？按照這樣的學習路線，提高硬件設計能力
可以說硬件工程師最大的敵人就是干擾，要解決這些干擾就得做好電磁兼容性設計，學好這門課，才可以畫出性能更優(yōu)的PCB。
2、開關電源。學會設計電源電路，給自己的電路系統(tǒng)配上合適的電源，以及解決電源完整性問題，也是相當考驗硬件工程師的模電功底。
3、射頻電路設計。隨著科技的發(fā)展，電路的工作頻率將會越來越高，頻率升高會帶來各種各樣的難題，所以學會設計射頻電路也是很有必要的。
4、通信原理。掌握現(xiàn)代的通信技術，其中包括信息論基礎和各種調制方式都會在各種通信電路當中有用到。
5、集成電路原理與應用。可以說幾乎每塊電路板都會用到芯片，所以學習一下芯片的制造技術，將會讓你的硬件水平大大提高。
舉個簡單的案例，數(shù)字電位器里面的電阻就是用MOS管構成的有源電阻，一定要上電，它才體現(xiàn)出電阻的特性，如果只使用模電的知識將無法理解這一現(xiàn)象。
四、總結
如果你認為這么多書，怎么看都看不完。那是以一種靜止、偏面的觀點來分析問題了。其實上介紹那么多課，很多內容都是相通的。比如，數(shù)電里面的移位寄存器，就是單片機里面的串口收發(fā)器。模電里面的放大器、振蕩器，到了高頻、射頻，照樣講到，只是分析方法有點不同而已。
高頻里面的AM、FM、PM，到了通信原理，照樣講到，此外，還提出了ASK、FSK、PSK這幾種雷同而且更為簡單的調制方式。
展開 硬件很難嗎？按照這樣的學習路線，提高硬件設計能力
可以說硬件工程師最大的敵人就是干擾，要解決這些干擾就得做好電磁兼容性設計，學好這門課，才可以畫出性能更優(yōu)的PCB。
2、開關電源。學會設計電源電路，給自己的電路系統(tǒng)配上合適的電源，以及解決電源完整性問題，也是相當考驗硬件工程師的模電功底。
3、射頻電路設計。隨著科技的發(fā)展，電路的工作頻率將會越來越高，頻率升高會帶來各種各樣的難題，所以學會設計射頻電路也是很有必要的。
4、通信原理。掌握現(xiàn)代的通信技術，其中包括信息論基礎和各種調制方式都會在各種通信電路當中有用到。
5、集成電路原理與應用。可以說幾乎每塊電路板都會用到芯片，所以學習一下芯片的制造技術，將會讓你的硬件水平大大提高。
舉個簡單的案例，數(shù)字電位器里面的電阻就是用MOS管構成的有源電阻，一定要上電，它才體現(xiàn)出電阻的特性，如果只使用模電的知識將無法理解這一現(xiàn)象。
四、總結
如果你認為這么多書，怎么看都看不完。那是以一種靜止、偏面的觀點來分析問題了。其實上介紹那么多課，很多內容都是相通的。比如，數(shù)電里面的移位寄存器，就是單片機里面的串口收發(fā)器。模電里面的放大器、振蕩器，到了高頻、射頻，照樣講到，只是分析方法有點不同而已。
高頻里面的AM、FM、PM，到了通信原理，照樣講到，此外，還提出了ASK、FSK、PSK這幾種雷同而且更為簡單的調制方式。電力電子技術里面的直流斬波電路，就是開關電源的內容，只是擴展了一些內容而已。
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展開 干貨 | 硬件很難嗎？按照這樣的學習路線，提高硬件設計能力
學會設計電源電路，給自己的電路系統(tǒng)配上合適的電源，以及解決電源完整性問題，也是相當考驗硬件工程師的模電功底。
3、射頻電路設計。隨著科技的發(fā)展，電路的工作頻率將會越來越高，頻率升高會帶來各種各樣的難題，所以學會設計射頻電路也是很有必要的。
4、通信原理。掌握現(xiàn)代的通信技術，其中包括信息論基礎和各種調制方式都會在各種通信電路當中有用到。
5、集成電路原理與應用。可以說幾乎每塊電路板都會用到芯片，所以學習一下芯片的制造技術，將會讓你的硬件水平大大提高。
舉個簡單的案例，數(shù)字電位器里面的電阻就是用MOS管構成的有源電阻，一定要上電，它才體現(xiàn)出電阻的特性，如果只使用模電的知識將無法理解這一現(xiàn)象。
四、總結
如果你認為這么多書，怎么看都看不完。那是以一種靜止、偏面的觀點來分析問題了。其實上介紹那么多課，很多內容都是相通的。比如，數(shù)電里面的移位寄存器，就是單片機里面的串口收發(fā)器。模電里面的放大器、振蕩器，到了高頻、射頻，照樣講到，只是分析方法有點不同而已。
高頻里面的AM、FM、PM，到了通信原理，照樣講到，此外，還提出了ASK、FSK、PSK這幾種雷同而且更為簡單的調制方式。電力電子技術里面的直流斬波電路，就是開關電源的內容，只是擴展了一些內容而已。
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