-遮瑕-

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  • 2024-03-12

  • 发表了主题帖： 《电子硬件工程师入职图解手册 硬件知识篇》读后第二篇

      这是本人对于《电子硬件工程师入职图解手册 硬件知识篇》的读后感分享第二篇，对于书中后续的内容，我进行了一定程度的汇总总结。 # 一、RS485总线 ## （1）RS485特性   RS485总线可以简单的理解为一种通信方式，控制芯片通过串口控制器将数据发送到RS485芯片，变为电气信号输出到485A、485B两根差分信号线。   RS485总线是**差分总线**，也就是单方向发送数据就需要两根信号线，线上的信号为差分信号，其支持一对多通信、遵循主从模式。通常来说，使用特征阻抗为120Ω的双绞线时，RS485传输距离可以到1200m、最大传输速率通常为10Mbps。   485A和485B之间的电压差大于200mV时为**逻辑1**，小于-200mV时为**逻辑0**，早期一条总线上理论上可以**挂载32个设备**。计算可挂载设备数时，早期通常认为输入阻抗12kΩ的一个设备为一个负载单元（UL），总线可以挂载32UL的设备，因此对于部分1/4UL的设备（输入阻抗48kΩ）来说，可以挂载的实际设备数为128个。 ## （2）RS485电缆 ### （a）双绞线优势   众所周知，差分信号的抗干扰性由于单端信号，当有外界干扰时，对单端信号造成的是差模干扰，也就是信号本身收到了干扰；而理想差分信号收到干扰时，却是纯粹的共模干扰，也就是信号本身并未受到干扰。   理论上来说，只要差分线离得足够近，差分信号的抗干扰性就越强，但是如果是两条平行线传输信号，线缆之间会由于电磁效应而相互干扰，因此目前通常采用双绞线，双绞线的两条导线紧密的缠绕在一起，同时电缆之间形成的电场相互抵消，抗干扰性强于平行线。 ### （b）电缆屏蔽层   对于部分双绞线，其会有三条线，两条信号线、一条地线，地线通常接在屏蔽层上，类似于同轴电缆的结构，外围的屏蔽层构成了类似于“法拉第笼”的结构，加上屏蔽层接地，更好的实现了电磁屏蔽的效果，防止信号线被干扰。 ### （c）电缆阻抗   前文有提及电缆的特征阻抗为120Ω，特征阻抗可以简单理解为将电缆视为一小片一小片的导线片后计算出来的电阻值，其并不是电缆的电阻，目前来说，约定俗成的RS485阻抗就是120Ω。   阻抗不匹配会导致信号反射，因此在设计时需要注意阻抗匹配的问题，如果有无法避免的情况，可以选择使用阻抗转接头，其可将输出端转化为另外的阻抗值。   当阻抗不匹配时，可以使用公式$\rho = \frac{Z_S - Z_0}{Z_S + Z_0} $计算反射系数，其中$Z_S$为变化后的阻抗、$Z_0$为变化前的阻抗。 ### （d）电缆选型   在早期，为了尽可能的吻合RS485手册的参数：双绞线、120Ω特征阻抗、24AWG线径、25Ω/1000ft导体直流电阻，线缆通常会使用百通9841，我国天津电缆厂的通信电缆参数与其类似，采用UL AWM 2919标准。   在选用线缆时需要查看厂家证书，确保其符合标准。 # 二、硬件复位   复位就是把电路恢复到起始状态，类似于计算器的清零，但是如果没有稳定的复位信号，可能导致芯片或者模块无法正常启动。   由于部分情况下需要让芯片在死机后可以自恢复，厂家研发出了看门狗芯片，在使用时需要定时向看门狗发送信号进行“喂狗”，当一段时间没有“喂狗”时，看门狗芯片就会触发复位，使MCU复位。目前大多数MCU内部都集成有看门狗，只有部分低成本芯片和特殊用途芯片未集成。   随着看门狗的发展，逐渐出现了不功能的看门狗，例如检测电压，当电压低于阈值或者说高于阈值时便触发的看门狗，可以根据自己的需求进行选用。   在使用看门狗芯片时，需要格外注意看门狗芯片的复位输出电平状态和MCU的复位电平，需要避免弄反导致芯片无法正常使用的情况。

  • 2024-02-26

  • 回复了主题帖： 【读书分享】——《电子硬件工程师入职图解手册 硬件知识篇》读后总结_第一篇

    秦天qintian0303 发表于 2024-2-23 08:38 用的最多的就是电烙铁了，风枪感觉螺旋式的加热和直接吹感觉差别不大，主要还得看加热面积 看封装吧，直插件和SOP这些还是用电烙铁方便，像有些很密的QFP、QFN、BGA或者说引脚被挡住的TypeC接口什么的还是风枪方便一些，特别是板子烧了需要拆芯片的时候，电烙铁一点点戳太慢了。风枪如果吹小板子的话直接吹就好，但是吹百平方厘米以上的板子的时候，直接吹就容易吹糊了，感觉还是打点焊油再吹吹周围稳妥点。

  • 2024-02-22

  • 发表了主题帖： 【读书分享】——《电子硬件工程师入职图解手册 硬件知识篇》读后总结_第一篇

    本帖最后由 -遮瑕- 于 2024-2-22 16:34 编辑   这篇帖子主要是本人对于《电子硬件工程师入职图解手册 硬件知识篇》的读后感分享，对于部分书中的内容，我进行了一定程度的汇总总结。 [TOC] # 一、文章概述   本书书名《电子硬件工程师入职图解手册 硬件知识篇》，作者为陈韬，书籍ISBN：9787115608291，由人民邮电出版社出版，详情见[百度百科词条](https://baike.baidu.com/item/%E7%94%B5%E5%AD%90%E7%A1%AC%E4%BB%B6%E5%B7%A5%E7%A8%8B%E5%B8%88%E5%85%A5%E8%81%8C%E5%9B%BE%E8%A7%A3%E6%89%8B%E5%86%8C%E7%A1%AC%E4%BB%B6%E7%9F%A5%E8%AF%86%E7%AF%87/63399104)。   不算绪论和后记，全书一共6章，**第1章**为作者对于电子硬件工程师岗位的认知分享；**第2章**作者对于硬件设计时常碰到的部分经验问题进行了分享，主要包括设计电压、设计温度、焊接、芯片电平等相关知识；**第3章**花大量篇幅进行了RS485总线的介绍（作者主要从事机电方向）；**第5章**使用大量实操截图教授了如何使用Excel进行算法拟合；**第6章**结合手绘漫画对于硬件工程师的工作场景进行了分享。   本书主要侧重于动手实操的经验分享，理论计算、理论分析较少，且使用了较多的绘画去提升趣味性。到目前为止，我完成了前两章的阅读，感觉整体来说更加适合初学者和动手较少的学生去补充动手经验，下面我会对于前两章进行概述，主要是书籍本身的观点，对于我的观点和部分拓展，我会额外标出。 # 二、第1章内容分享   第1章分为6小节，从各个方面拆分了硬件工程师所需的知识与技能，同时对于硬件工程师工作时会涉及到的内容进行了划分，简单可以概括如下： ## （1）硬件工程师的知识与能力   下图为结合本书和我自己的部分观点进行的总结，对于硬件工程师所需要的知识进行的简要分类。 ![硬件工程师所需能力](https://zhexia-1313448467.cos.ap-chongqing.myqcloud.com/MarkDown/%E7%A1%AC%E4%BB%B6%E5%B7%A5%E7%A8%8B%E5%B8%88%E6%89%80%E9%9C%80%E8%83%BD%E5%8A%9B.png) ## （2）硬件工程师的研发分工   在理想情况下进行研发时，我们通常会分为方案设计师、结构工程师、硬件工程师、软件工程师、测试工程师、生产加工等多个环节，而且每个环节都是相互独立的，但是在实际情况下，每个上一级的环节可能都需要去配合下好几级的环节进行工作，就像硬件工程师工作时，可能需要配合进行方案设计、结构设计、软件设计以及测试，甚至在绝大多数中小型公司内，这些岗位本身就是由一两个人进行兼任。   **以下部分为我的观点**，在中型、大型公司中，硬件工程师通常是指进行原理图设计、方案设计的那一个工程师，相对的还会有PCB工程师，也就是一个工程师进行原理图设计，一个工程师专门进行PCB layout，部分公司甚至会分为方案工程师、硬件工程师、PCB工程师等等，因此做硬件设计是知识面很广但是专业性又很特定的工作。 ## （3）硬件工程师需要具备的素养   简单来说，对于硬件工程师，需要有专业素养，有着扎实的设计功底以及对于各个标准的深入理解，又要有创意性，富有创造力和想象力，时常动手实践、勤于进行总结，不可恃才傲物。   ***以上内容只是简要的概述，详细内容各位可以去阅读本书——《电子硬件工程师入职图解手册 硬件知识篇》。*** # 三、第2章内容分享 ## （1）设备电源   对于硬件工程师来说，在设计产品之前需要先关注标准，只有满足标准了，我们设计出的产品才可以进行售卖，可以进入[国家标准全文公开系统](https://openstd.samr.gov.cn)查询所需国标。对于设备电源来说，我们通常需要关注以下几种标准： > DL/T 396——2010《电压登记代码》 > GB/T 156——2017《标准电压》 > GB/T 17478——2004《低压直流电源设备的性能特性》 > GB/T 12324——2008《电能质量 供电电压偏差》 > GB/T 13722——2013《移动通信电源技术要求和试验方法》 > GB/T 21560.6——2008《低压直流电源 第6部分：评定低压直流电源性能的要求》 > GB/T 5465.2——2008《电气设备用图形符号》   进行AC电源设计时，首先需要了解**相电压**、**线电压**和**偏差电压**，下面进行介绍：   **相电压**：简单来说，火线与零线之间的电压差就是相电压，在我国低压供电系统中，相电压为220V。   **线电压**：火线与火线之间的电压差就是线电压，在常用三相电中，线电压大小是线电压的$\sqrt3$倍，也就是380V。   **偏差电压**：偏差电压是实际供电电压与理想电压的差值，常用市电的允许差值为+7% - -10%，也就是说，如果想要设计一个220V市电供电的设备，在考虑到偏差电压的情况下，需要做到可以满足最高235.4VAC供电，通常取250VAC。   在进行设计时，为了避免设计出非标电压值增加成本，在设计之初就需要考虑到常用标准电压，标准如下表所示： ![额定电压值选择](https://zhexia-1313448467.cos.ap-chongqing.myqcloud.com/MarkDown/%E9%A2%9D%E5%AE%9A%E7%94%B5%E5%8E%8B%E5%80%BC%E9%80%89%E6%8B%A9.jpg)   对于以上电压的具体来源，可以参考本书P21，有详细说明，例如3.3V和5V是由于半导体工艺精度导致其工作电压不同，进而形成了约定俗成的电压值，例如0.35um工艺时MCU工作电压通常为3.3V，0.25um工艺时MCU工作电压通常为2.5V等。   设计电源时，安全电压是必须要考虑到的，众所周知，我们需要考虑的是通过人体的电流，人体在不同环境下的电阻不一样，所以人体安全电压也会不同。我国根据具体的环境条件，划分了不同的安全电压，在实验室、住宅等无高度触电危险的建筑物中为**65V**；在金工车间、水泵房等有高度触电危险的建筑物中为**24V**；在锅炉房、化工车间、粉尘环境、潮湿环境等有特别触电危险的建筑物中为**12V**。   要想清楚明白安全电压的规定原则，需要对于安全电流值有一定的了解，可以参考下表： ![电流对人体的危害](https://zhexia-1313448467.cos.ap-chongqing.myqcloud.com/MarkDown/%E7%94%B5%E6%B5%81%E5%AF%B9%E4%BA%BA%E4%BD%93%E7%9A%84%E5%8D%B1%E5%AE%B3.jpg)   以上参数都是电流通过心脏的情况，不同的触电情景会导致流过心脏的电流比值不同，需要考虑到最严格情况下的最高电流，也就是需要保证不论哪种触电情景下，流过心脏的电流都不会高于20mA。 ## （2）环境对设备影响   在不同环境下，设备的工作状态是不同的，因此需要考虑到温度、海拔等环境因素对于设备的影响。温度的影响可以参考国标，让产品工作状态符合国标。 > GB/T 2423.1——2008《电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法 试验A： 低温》 > GB/T 2423.2——2008《电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法 试验A： 低温》 > GB/T 17478——2004《低压直流电源设备的性能特性》   海拔对于设备的影响主要是随着海拔的升高，空气密度和气压会相应减小，从而导致空气间隙和元器件绝缘特性下降，在针对高海拔地区进行产品设计时，需要考虑到该因素，修正公式可以参考$k=\frac{1}{1.1-\frac{H}{10000} } $，其中，H为设备安装地点的海拔高度，单位为m。   对于电子产品来说，焊接温度也是至关重要的，手动焊接时，夏天推荐设定温度为320℃，冬天推荐为350℃，对于风枪来说，建议不要风速过高，过高风速容易导致焊锡膏助焊剂快速挥发，进而导致焊接失败；SMT焊接时，需要根据时间、成本、产品焊盘等因素选择**马鞍式回焊曲线**或者说**斜升式回焊曲线**，马鞍式焊接时间更长，其更适合芯片腹部有焊盘、有不容易吸热元件的产品，斜升式更适合只有简单贴片元件且需要快速生产的产品。 ## （3）逻辑电平   对于芯片引脚来说，通常会有三种参数，**拉电流**、**灌电流**和**吸电流**，下面依次讲解： > **灌电流**：简单来说就是从芯片引脚外部倒灌入芯片的电流，芯片被动的进行接受，芯片的灌电流代表着芯片可以承受的输入电流的能力。 > **拉电流**：众所周知，芯片会有内部上拉下拉，知道这两个概念后，这里的拉电流就很好理解了，芯片上拉引脚向外输出的电流，我们就称为拉电流， > **吸电流**：吸电流和拉电流刚好相反，代表着芯片主动从外吸入的电流，芯片主动进行吸收。   既然芯片会输出电压和电流，那么显然可以通过计算来求出芯片输出引脚的等效输出电阻，从而可以进行高速引脚的阻抗匹配。不同的IO口有着不同的标准，常见标准有JESD18A（TTL和CMOS兼容标准）、JESD8-5A-019（LVTTL电平）、JESD88-8（SSTL_3[3.3V]）等。   只需要求出芯片输出低电平时的阻抗$R_{OL}=\frac{输出低电平电压}{输出电流}$和输出高电平时的阻抗$R_{OH}=\frac{输出高电平电压}{输出电流}$，对于JESD8-15A标准，输出阻抗约等于21Ω，这也是为什么许多1.8V接口的电路中会对IO口串联20Ω、22Ω的电阻。   对于不同逻辑电平的相互通信，需要使用合适的电路对其进行电平转换，这里列举输出部分电路： **（a）非隔离结构**   非隔离结构通常使用三极管进行转换，可以实现将3.3V转为5V或者说将5V转为3.3V等操作，优点是方案简单、成本低廉，缺点是只能单向通信，且通信速度会受限于三极管速度。 ![三极管电平转换](https://zhexia-1313448467.cos.ap-chongqing.myqcloud.com/MarkDown/%E4%B8%89%E6%9E%81%E7%AE%A1%E7%94%B5%E5%B9%B3%E8%BD%AC%E6%8D%A2.jpg) **（b）隔离结构**   隔离结构可以使用光耦实现，通常用于电机、高压隔离通信等方面，可以将控制端与被控制端隔绝开，避免微处理器被高压打坏。 ![光耦电平转换](https://zhexia-1313448467.cos.ap-chongqing.myqcloud.com/MarkDown/%E5%85%89%E8%80%A6%E7%94%B5%E5%B9%B3%E8%BD%AC%E6%8D%A2.jpg) ## （4）基础工具使用   对于硬件工程师来说，自己焊板子是无法避免的，这里总结了书中对于电烙铁和风枪的使用注意事项。   **电烙铁**的温度和焊锡丝的熔点有关，具体温度可以参考“焊锡丝熔点+50℃+空气环境散热补偿”，一般在260到330℃；维护电烙铁时需要保证高温海绵湿润，湿润的高温海绵有利于清洁烙铁头；使用前先将高温海绵清理干净，避免残渣再次粘附到烙铁头上。   **风枪**使用时最好将风枪控制在适合的温度和风速，沿着目标加热区由远到近螺旋式的加热，这种加热方式可以避免待加热区升温过快，尽可能避免PCB起泡烧焦。   **示波器**使用时实现需要注意探头是否可以换挡，不同挡位的输入阻抗不同，高档位会对信号有着衰减且有着高输入阻抗，测量高压信号和高输出阻抗的信号时建议使用高档位，同时示波器需要配合进行挡位设置；同时探头上通常会有补偿旋钮，通过旋钮可以调节补偿电容的大小。   需要注意的是，使用无源探头的台式示波器最好不要直接测量市电，对于未作内部地隔离的示波器来说，如果使用无源探头接入市电中，将会导致市电电源短路，引发跳闸、触电等情况。   以上内容为我对于《电子硬件工程师入职图解手册 硬件知识篇》第1、2章的读后总结，我在其中融入了我自己的部分经验和思考，欢迎大家指出本文的错漏之处。

  • 2024-01-24

  • 回复了主题帖： 【入围名单】好书共读——《电子硬件工程师入职图解手册 硬件知识篇》

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