實(shí)踐經(jīng)驗分享嵌入式系統開(kāi)發(fā)

模塊化設計的一個(gè)重大優(yōu)勢就是能夠針對某些需求使用商用現成的模塊。商用現成(COTS)模塊讓我們能夠以更快的速度開(kāi)發(fā)系統，因為借助 COTS，我們能夠把我們的工作重點(diǎn)放在項目從我們的專(zhuān)業(yè)能力產(chǎn)生的增值中獲益最大的部分上。

系統電源架構是一個(gè)需要縝密思考的的設計方面。許多嵌入式系統會(huì )要求隔離 AC/DC 或 DC/DC 轉換器來(lái)確保嵌入式系統的故障不會(huì )擴散。圖 2 顯示的是電源架構的示例。來(lái)自該模塊的輸出軌需要二級調整來(lái)為處理內核和轉換裝置提供電壓。我們必須仔細防范這些階段發(fā)生嚴重的開(kāi)關(guān)損耗和效率下降。因為效率降低意味著(zhù)系統熱耗散增大，如果不正確解決就會(huì )影響單元的可靠性。

我們必須仔細了解使用的線(xiàn)性調整器的行為以及在電源線(xiàn)上進(jìn)行進(jìn)一步濾波的要求。這一要求的原因是 FPGA 和處理器等器件的開(kāi)關(guān)頻率遠遠高于線(xiàn)性調整器的控制環(huán)路所能應對的水平。隨著(zhù)噪聲頻率提高，線(xiàn)性調整器的噪聲抑制能力下降，導致需要采用額外的濾波和去藕技術(shù)。如果不了解這一關(guān)系，會(huì )造成混合信號設備出現問(wèn)題。

另一個(gè)重要的考慮因素是時(shí)鐘和復位架構，尤其是在有多個(gè)需要同步的開(kāi)發(fā)板的情況下。在架構層面我們必須考慮時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò )：我們是否在跨多個(gè)開(kāi)發(fā)板扇出單個(gè)振蕩器，或是使用多個(gè)頻率相同的振蕩器?為確保時(shí)鐘分配的穩健可靠性，我們必須考慮：

振蕩器啟動(dòng)時(shí)間。我們必須確保在整個(gè)時(shí)間周期內激活復位(如果需要)。

振蕩器歪斜。如果我們要在跨多個(gè)開(kāi)發(fā)板扇出振蕩器，時(shí)序是否至關(guān)重要?如果是，我們需要考慮線(xiàn)路卡上的歪斜(連接器引起的)和緩沖器自身引起的歪斜。

振蕩器抖動(dòng)。如果我們在開(kāi)發(fā)混合信號設計，我們需要確保使用低抖動(dòng)時(shí)鐘源，因為抖動(dòng)的增大會(huì )降低混合信號轉換器的信噪比。在我們使用千兆位級串行鏈路時(shí)情況也是一樣，因為我們需要使用低抖動(dòng)時(shí)鐘源在鏈路上取得良好的誤碼率。

我們也必須注意復位架構，確保只在需要的地方使用復位。例如基于 SRAM 的 FPGA 一般不需要復位。

如果我們在使用復位的異步激活，我們需要確保移除它不會(huì )導致亞穩態(tài)問(wèn)題。

清晰定義接口

內外部接口的正式文檔在機械、物理和電氣層面為各個(gè)接口提供清晰的定義，以及協(xié)議和控制流。這些正式文檔也往往被稱(chēng)為接口控制文檔 (ICD)。當然最好是盡量使用標準通信接口。

接口定義最重要的一個(gè)方面是外部接口的“連接化”。這個(gè)過(guò)程考慮了所需連接器的引腳分配，連接器引腳的額定功率以及所要求的插拔次數，以及任何對屏蔽的要求。

在我們?yōu)槲覀兊南到y考慮連接器類(lèi)型的時(shí)候，我們應確保不會(huì )因為在子系統中使用相同類(lèi)型連接器而造成不利的交叉連接。通過(guò)使用不同類(lèi)型連接器或采用不同的連接器鍵位(如果支持)，我們就能夠避免交叉連接的可能性。

連接化是我們開(kāi)始使用之前確定的預算要求的首個(gè)方面之一。特別是我們可以使用串擾預算來(lái)指引我們定義引腳分配。圖 3 所示的例子說(shuō)明了這一流程的重要性。重新安排引腳分配，將接地基準電壓 (GND) 引腳布局在信號 1 和信號 2 之間，可以降低互感以及由此引發(fā)的串擾。

圖 3：連接化是接口定義最重要的特征之一。

接口控制文檔 (ICD) 必須對系統接地進(jìn)行定義，尤其是在項目要求外部 EMC 的時(shí)候。在這種情況下，我們必須小心避免讓有噪聲的信號地產(chǎn)生輻射。

工程師和項目經(jīng)理掌握著(zhù)一系列策略，以確保他們交付的嵌入式系統能夠滿(mǎn)足質(zhì)量、成本和調度要求。不過(guò)當項目遇到困難時(shí)，我們可以確信在項目不發(fā)生重大變化的情況下其此前的性能是其未來(lái)性能的良好提示。