原创 嵌入式系统硬件电路设计时需要考虑的基本问题

设计以MCU为核心的嵌入式系统硬件电路需要根据需求分析进行综合考虑，需要考虑的问题较多，这里给出几个特别要注意的问题.

1.MCU的选择

选择 MCU 时要考虑 MCU 所能够完成的功能、MCU 的价格、功耗、供电电压、I/O 口电平、管脚数目以及 MCU 的封装等因素。MCU 的功耗可以从其电气性能参数中查到。供电电压有 5V、3.3V 以及 1.8V 超低电压供电模式。为了能合理分配 MCU 的I/O资源，在 MCU 选型时可绘制一张引脚分配表，供以后的设计使用。

2.电源

(1)考虑系统对电源的需求，例如系统需要几种电源，如24V、12V、5V或者3.3V等，估计各需要多少功率或最大电流(mA)。在计算电源总功率时要考虑一定的余量，可按公式“电源总功率=2×器件总功率”来计算。

(2)考虑芯片与器件对电源波动性的需求。一般允许电源波动幅度在 ±5% 以内。对于A/D转换芯片的参考电压一般要求 ±1% 以内。

(3)考虑工作电源是使用电源模块还是使用外接电源。

3.普通I/O口

(1)上拉、下拉电阻：考虑用内部或者外部上/下拉电阻，内部上/下拉阻值一般在 700Ω 左右，低功耗模式不宜使用。外部上/下拉电阻根据需要可选 10KΩ～1MΩ 之间。

(2)开关量输入：一定要保证高低电压分明。理想情况下高电平就是电源电压，低电平就是地的电平。如果外部电路无法正确区分高低电平，但高低仍有较大压差，可考虑用 A/D 采集的方式设计处理。对分压方式中的采样点，要考虑分压电阻的选择，使该点通过采样端口的电流不小于采样最小输入电流，否则无法进行采样。

(3)开关量输出：基本原则是保证输出高电平接近电源电压，低电平接近地电平。I/O 口的吸纳电流一般大于放出电流。对小功率元器件控制最好是采用低电平控制的方式。一般情况下，若负载要求小于10mA，则可用芯片引脚直接控制;电流在 10~100mA 时可用三极管控制，在 100mA～1A 时用 IC 控制;更大的电流则适合用继电器控制，同时建议使用光电隔离芯片。

4.A/D电路与D/A电路

(1)A/D电路：要清楚前端采样基本原理，对电阻型、电流型和电压型传感器采用不同的采集电路。如果采集的信号微弱，还要考虑如何进行信号放大。

(2)D/A电路：考虑 MCU 的引脚通过何种输出电路控制实际对象。

5.控制电路

对外控制电路要注意设计的冗余与反测，要有合适的信号隔离措施等。在评估设计的布板时，一定要在构件的输入输出端引出检测孔，以方便排查错误时测量。

6. 考虑低功耗

(可参见这里)

低功耗设计并不仅仅是为了省电，更多的好处在于降低了电源模块及散热系统的成本。由于电流的减小也减少了电磁辐射和热噪声的干扰。随着设备温度的降低，器件寿命则相应延长，要做到低功耗一般需要注意以下几点：

(1)并不是所有的总线信号都要上拉。上下拉电阻也有功耗问题需要考虑。上下拉电阻拉一个单纯的输入信号，电流也就几十微安以下。但拉一个被驱动了的信号，其电流将达毫安级。所以需要考虑上下拉电阻对系统总功耗的影响。

(2)不用的I/O口不要悬空，如果悬空的话，受外界的一点点干扰就可能成为反复振荡的输入信号，而MOS器件的功耗基本取决于门电路的翻转次数。

(3)对一些外围小芯片的功耗也需要考虑。对于内部不太复杂的芯片功耗是很难确定的，它主要由引脚上的电流确定。例如有的芯片引脚在没有负载时，耗电大概不到1毫安，但负载增大以后，可能功耗很大。

7.考虑低成本

(可参见这里)

(1)正确选择电阻值与电容值。比如一个上拉电阻，可以使用4.5K-5.3K的电阻，你觉得就选个整数5K，事实上市场上不存在5K的阻值，最接近的是 4.99K(精度1%)，其次是5.1K(精度5%)，其成本分别比精度为20%的4.7K高4倍和2倍。20%精度的电阻阻值只有1、1.5、2.2、 3.3、4.7、6.8几个类别(含10的整数倍);类似地，20%精度的电容也只有以上几种值，如果选了其它的值就必须使用更高的精度，成本就翻了几倍，却不能带来任何好处。

(2)指示灯的选择。面板上的指示灯选什么颜色呢?有些人按颜色选，比如自己喜欢蓝色就选蓝色。但是其它红绿黄橙等颜色的不管大小(5mm以下)封装如何，都已成熟了几十年，价格一般都在5毛钱以下，而蓝色却是近三四年才发明的，技术成熟度和供货稳定度都较差，价格却要贵四五倍。 (注: 这一已经是几年前的看法了.)

(3)不要什么都选最好的。在一个高速系统中并不是每一部分都工作在高速状态，而器件速度每提高一个等级，价格差不多要翻倍，另外还给信号完整性问题带来极大的负面影响.