硬件方案设计与评审

硬件方案设计具体细节由硬件技术经理进行评估、设计和把控。产品/项目经理了解设计流程、设计标准、设计风险即可。

  一、确定功能需求&设计标准  

1.1 确定功能需求

在进行方案设计前，需要根据产品需求文档确定产品功能需求，硬件需求说明书是描写硬件开发目标、基本功能、主要性能指标、 运行环境、约束条件以及成本等要求，它的要求依据是产品规格说明书和系统需求说明书，它是硬件总体设计和制订硬件开发计划的依据。

例如智能手表硬件功能需求如下：

    1.2 确定设计标准    

根据产品需求确定产品应用行业、使用场景，再根据行业和使用场景输出设计标准和认证标准，一般成熟企业内部都会有该产品线的企标、国标设计标准，所有的器件选型和电路设计都需要根据标准进行开展。

设计标准：

常见认证标准及简介：

CCC认证—中国强制认证：

认证周期：4-8周

强制认证顾名思义为国家法律法规要求，产品强制认证目录类别内产品上市公开销售时，必须满足的国家强制产品标准。关于具体CCC中国强制认证产品目录有那些产品类别，参见：http://www.ccc-cn.org/ccccatalog.htm

CCC认证更偏向于产品的安全性能与质量保障措施，主要关注产品质量与安全性。作为强制级质量要求，其对产品的要求并不高。可以理解为产品的及格线，而不是优秀奖。

注意事项：

1资料递交：可能需要企业递交ISO9001（经过质量体系认证的企业更容易通过），需要营业许可等企业注册信息。营业许可的经营范围需要包含认证品类的相关信息，例如“电子产品加工、制造、生产”等。代工产品需要提供：产品委托加工合同。（具体资料列表可以咨询专业认证机构，这里只是简单描述几个容易出问题的坑）

审厂：代工或者自主生产的产品均需要经过审厂过程。审厂需要预约，整体时间周期大约2周-1个月。审厂时注意工厂生产流程规范，相关出入库记录、来料检测、质量检测需要纸质文档或生产追踪系统在案。另外私下说：需要给审厂官包红包、路途遥远的需要往返的提前准备午餐。

送检：产品送检测实验室检测，注意检测机构鱼龙混杂，需要在联系代理、中介前确认对方机构是否有检测实验室，能否出报告，实验室是否具备产品品类的国家CCC认证检测资质。检测过程中如果一次未通过，要求对方给出失败项。整改后重新送测可能产品费用（最好一次过关）。为保证不因为未通过认证，重新送测产生检测费用，部分机构、中介有摸底测试服务，可以以较低的价格提前检测，通过后再送官方机构检测。

CQC认证—CQC机构名称为中国质量认证中心：

认证周期：1个月（或更快）

我们一般认为CCC与CQC是相辅相成的，在强制认证目录内的产品需要CCC认证，如果是非强制的产品类别，可以申请CQC。CQC一般为生产制造方自愿申请，而非强制性要求。CQC出证机构必须为国家质量认证签约实验室，目录可自行百度（由于此目录每年会频繁变动，建议挑选机构前要求对方提供相关证书证明，或选择“国字头”实验室）

注意事项：

CQC一般完成检测后以提供测试报告为主，测试报告会清晰标注测试项目和测试结果。持CQC测试报告即可证明产品通过CQC测试。正因如此，很多品类CQC证书较水，部分机构存在给钱就能过的情况。

“国字头”实验室，例如：上海电器设备检测所，中国家用电器研究院等报告质量较高，在相关领域具备更高的权威性。他们除了承担检测服务，还会推动行业新标推出颁布。在新兴智能硬件领域，可以通过和这些机构接触，了解行业动态，或共同参与细分品类国家标准，对一些蓝海领域智能硬件产品经理来说非常有意义。

CE认证–欧洲安全合格标志

认证周期：1-2个月（常规品类）

需要注意的是，CE只是代表“产品符合安全要求”，而不代表产品“优秀或质量优质”。CE是欧洲市场（UK截止2023年将不再认可CE证书，需要另行申请UKCA、MHRA等认证）产品的“准入门槛”。其认证性质类似中国CCC认证，都为国家法规强制性认证。

CE除包含安规性质，如下方通讯类认证一样。包含无线射频部分的测试要求和类目。

智能硬件产品经常接触的标准：

EN60950:IT设备的一个通用安全规范，会包含电气性能、绝缘性能、跌落、球压等一些常规测试类目，还会对设备的label（铭牌）有明确要求。铭牌需要标注清楚：电压范围、制造商、产品名称等规范信息。

EN62311:人体辐射相关通用规范，以评定电子设备是否对人体造成影响。如果是TWS、手机等直接接触耳朵、头部的设备，需要注意另有产品特定规范指标。

EN300328:非常典型的2.4GHz频段的射频标准。主要适用于Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等常见2.4GHz频段使用的认证。这部分内容和下方通讯类相关标准要求内容基本一致。

（备注：由此可以看出来CE是非常综合的认证，而不单指安规或无线射频。一般我们CE认证测试报告应提供的也不只一份，而是根据智能硬件产品的各项重要指标与CE各类要求，综合评定产品符合多项CE标准的报告。）

EN301489：典型的EMC相关标准。

RED指令：The Radio Equipment Directive。通过上述62311、60950、301489这些类别的无线类认证后，一般可以拿到RED的证书，无线通讯类许可上市销售的标志。包含无线通讯的民用出口产品的基本准入门槛。

其他：如果产品适用于婴幼儿、哺乳期女性、宠物、残障人士等特殊领域，需要更多的特别类认证标准，这一类别欧盟要求更严格。这一块我也没有经验，期待后续有大佬来补充。

UL认证–美国 UL

周期：无规律

UL认证，本身并不是完全由政府法规、国际标准等为主体的认证，而是来自于美国UL公司的。这家公司本来就是提供认证测试的公司，后来随着其在电气电子行业认证公信度，其检测报告通常具有较强的行业公信力。同时由于很多北美（主要是美国和加拿大）地方产品标准法规均有UL起草或参与，UL认证通常能够覆盖超过70%的北美产品法规要求，所以通过了UL认证可以获得市场监管和客户的认可。

UL认证目前在电子元器件测试检测行业，具有行业垄断地位。如果产品需要通过UL认证，可以着重关注产品所用的电子元器件和材料是否通过过UL相关认证，例如在压敏电阻、热敏电阻、保险丝、防火材料、传感器元件等领域都有详细的认证标准以供参考和送检。

UL认证涉及产品非常多方面，并无定式，但主要以安全标准为主要内核。标准主要为确保产品使用过程的安全可靠。下面列举一些我们产品经常遇到的产品标准：

1. UL60730：Automatic Electrical Controls，主要关于电气控制产品的使用规范，常见的插座、开关、灯光控制、取暖设备、自动控制电器等等类别的小家电经常会碰到。这个标准会着重关注电源模组、铜件、适配器等电路中会接触220V强电的电子元器件。

2. UL1023:家用防盗设备标准，这个主要是智能家居领域可能会接触到的标准。

3. UL1472:调光器标准，主要针对照明调光设备的。

从上述可以看到，各行各业不同产品形态所需要UL标准各不相同，具有很强的行业属性。同样针对母婴、可穿戴、宠物用品、残障用品等特殊领域标准需额外处理和了解。

UL官网认证标准查询：https://standardscatalog.ul.com/

ROHS认证

周期：1个月（可加急更快）

《关于限制在电子电气设备中使用某些有害成分的指令》

就是规范电子产品中有害物质含量的一项技术指标，这个指标有助于保护人体和环境的健康环保。是强制性法规要求，但是，一般情况下如果产品没有特殊元器件（诸如铅酸锂电池）等都是能过RoHs的。在挑选零部件的时候，部分部件需要注意选用持有RoHs报告的零部件，诸如：锂电池、太阳能板、化学传感器等，这样可以规避部分风险。（具体那些元器件有环保风险可以单独咨询认证机构专家）

同时RoHs存在声明机制，也就是说海关不会强制查验，可以宣称产品过RoHs。市场稽查部门可能会有抽查，一般都可以过。当然有报告的话更保险。

RoHs并不是强制标注的logo，也就是说不需要标注“RoHs”logo在产品Label上。

RoHs一般只提供报告，没有证书。报告包含详细的测试项目和测试结果。

RoHs分为六项、十项，截止2021年，六项可能会逐步不认可，推荐大家做十项RoHs。

通讯类相关标准简介：

产品涉及WIFI、4G、3G、BLE、ZigBee、NB-IOT、433MHz等 无线 通讯技术的产品经理着重关注。

什么是通讯类标准？：

我们处在被各种类型电磁波包围的空间，除了我们民用频段的电磁波，军队也有军用频段电磁波信号。全球各国政府对于自家军队、政府、警务、卫星等用哪个频段的要求各不相同。这就带来认证需要，进入中国销售的民用电子产品（或特种设备）必须要经过中国政府机构认可，采用规范的电磁通讯过程。

通讯类认证除了有避免设备干扰、窃听其他频段信号的意义，也通过规范避免了：电磁辐射过大对人体造成危害、对特殊人群造成生活障碍（干扰电子心脏起搏器、干扰助听器等）、避免高频段脉冲辐射等。

很多内容上方CE部分标准已经描述，这里主要描述几种地区认证的注意事项。

FCC认证–美国 FCC

必须在产品Label上标注FCC，格式严格按照法规要求。大致如下：“FCC ID：XXXXX-XXXXX”

主流电商网站（Amazon、速卖通）等可能需要注册法规相关信息。

IC认证-加拿大IC

必须在产品Label上标注FCC，格式严格按照法规要求。大致如下：“IC：XXXXX-XXXXX”

申请递交需要提供加拿大出货商/代理商信息，用以申报，这部分有很多加拿大代理中介可以操作。

SRRC核准

官网地址：http://www.srrc.org.cn/

必须在产品Label上标注CMIIT ID，格式严格按照法规要求。大致如下：“CMIIT ID：202XDPXXXX”

通过后，会提供SRRC证书，记得留存备案。现在主流电商网店（天猫、京东）等需要在开卖前注册这些关键信息。

SRRC备案信息查询：http://www.srrc.org.cn/wp_search.aspx

CTA入网许可 https://jwxkjwgl.miit.gov.cn/homePage

医疗类标准：

美国FDA，韩国KFDA，日本PMDA，巴西ANVISA，加拿大CMDCAS，澳大利亚TGA等

产品相关国标、地标：

国家标准、地方标准查询链接

其他产品相关认证：

MFI Carlife ELV BHMA

    二、方案设计    

常见电子产品，可以通过以下几个渠道进行方案分析。

• 市场上有竞品的，直接购买使用、拆解看方案。

• 没有竞品的，寻找相关度比较大的方案，购买使用、拆解看方案。

• 咨询芯片方案代理商获取方案资料。

• 拜访方案商厂家，了解方案架构。

• 参加行业相关展会，收集产品信息

• 网络查找：确定关键词 xx方案 xx模块

• 搜索引擎

• 1688 、 万能的taobao

• 方案类网站

• 我爱方案网

• 华秋开发

• 方案交易网

2.1 方案查找

不同位数处理器常见用途（仅为参考）：

2.1.1 小家电低配类芯片方案

华秋芯片选型

立创芯片选型

知名厂家：

国外：

• 瑞萨电子(Renesas)

• 恩智浦(NXP)+飞思卡尔(Freescale)(后者被前者收购)

• 微芯科技(Microchip)+爱特梅尔(Atmel)(后者被前者收购)

• 意法半导体(ST)

• 英飞凌(Infineon)

• 德州仪器(TI)

台湾：

• 新唐科技

• 合泰半导体

• 义隆电子

• 松翰科技

• 凌阳科技

大陆：

• 中颖电子

• 炬力

• 华润微电子

• 北京君正

• 兆易创新

• 紫光微电子

• 爱思科

• 芯海科技

• 富瀚微

2.1.2 物联网网络类芯片方案

这里主要针对物理层、数据链路层的芯片和模组进行说明。

短距离：

    ZigBee、蓝牙、RFID、NFC、UWB、WiFi、红外等

长距离：

    LoRa、NB-IoT（低功耗，广域）

    2G：TDMA，CDMA，GSM…

    3G：UMTS，HSDPA，WCDMA…

    4G：LTE，EC-GSM，eMTC…

    5G：

芯片方案：

• 海思半导体 http://www.hisilicon.com/

• 高通 http://www.qualcomm.cn/

• 深圳市中兴微 http://www.sanechips.com.cn/

• 锐迪科微电子 http://www.rdamicro.com/

• Nordic http://www.nordicsemi.com/

• 台湾联发科 https://www.mediatek.tw/

• 紫光展锐

• 乐鑫

• 汇顶科技

• ASR

• 恩智浦

• 德州仪器

• 博通

• 瑞昱 https://www.realtek.com/zh-tw/

• Marvell

模组方案：

• 移远 http://www.quectel.com/cn/

• 广和通

• 厦门骐俊物联 www.cheerzing.com

• 移柯通信http://www.mobiletek.cn/

• 中移物联网 http://iot.10086.cn/

• 中兴物联 http://www.ztewelink.com/

• 利尔达科技集团

• 有方科技

• 汉枫

• 庆科

• 环旭

• 博鹏发RF-LINK

• 海华科技

• Broadlink

• 正基

2.1.3 中高端消费电子芯片方案

• 博通公司 https://www.broadcom.cn/

• 高通 https://www.qualcomm.cn/

• 英伟达 https://www.nvidia.cn/

• 联发科 https://www.mediatek.cn/

• 海思 https://www.hisilicon.com/cn/

• AMD超微 https://www.amd.com/zh-hans

• 英特尔 https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/homepage.html

• 恩智浦

• 三星半导体 https://www.samsung.com/semiconductor/cn/

• 赛灵思 https://www.xilinx.com/

• 紫光展锐

• 瑞芯微

• 全志

2.1.4 工业类、汽车电子类芯片方案

• 恩智浦

• 高通 https://www.qualcomm.cn/

• 英伟达 https://www.nvidia.cn/

• 英特尔 https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/homepage.html

• 安森美

• 微芯

• ADI

• 瑞萨电子

• 英飞凌

• 东芝

汽车类方案FYI：

• 谷歌 Waymo：采用英特尔 CPU+Altera FPGA 方案，英飞凌 MCU 作为通信接口。谷歌 Waymo 的计算平台采用英特尔 Xeon 12 核以上 CPU，搭配 Altera 的 Arria系列 FPGA，并采用英飞凌的 Aurix 系列 MCU 作为 CAN 或 FlexRay 网络的通信接。

• 百度 Apollo：恩智浦/英飞凌/瑞萨 MCU+赛灵思 FPGA/英伟达 GPU。

• 奥迪：Mobileye ASIC+英伟达 GPU+Altera FPGA+英飞凌 MCU 的多芯片集成方案。

车规级芯片介绍

2.1.5 PC、电脑类工控机方案

IntelAMD是目前最大的两家电脑CPU生产厂商，还有IBM、ARM公司也生产自己的CPU。

国产CPU处理器厂商有飞腾、兆芯、海光、龙芯等。

2.1.6 传感器&外设

相关传感器外设专用查找网站如下：

华秋商城

ofweek商城

采芯网

马可波罗

2.1.7 屏幕相关

屏库

2.1.8 电池相关

电池网

全球锂电池

全球电池网

电池网2

2.1.9 执行机构

直流电机

直流电动机 : 永磁式直流电机 | 电磁式直流电机 | 直流力矩电机 永磁式直线直流电机 : 动圈式直线电机 | 摆动式直线电机

无刷直流电机 : 有槽电枢无刷直流电机 | 无槽电枢无刷直流电机 | 绕线盘式电枢无刷直流电机 | 片状电枢无刷直流电机 | 无刷直流力矩电机

交直流两用电机 | 电机扩大机 | 变流机

步进电机

磁阻式步进电机 : 分步式步进电机 | 多段式步进电机

永磁式步进电机 : 隐极式步进电机 | 单相永磁步进电机

直线与平面步进电机 : 磁阻式直线与平面步进电机 | 混合式直线与平面步进电机 | 螺旋式步进电机

交流电机

异步电动机 : 三相异步电动机 | 单相异步电动机

交流伺服电动机 : 鼠笼转子伺服电动机 | 非磁性空心杯转子伺服电动机 交流力矩电动机

同步电动机 : 永磁式同步电动机 | 磁滞式同步电动机 | 磁阻式同步电动机 | 电磁减速式同步电动机

交流直线电机 : 同步式直线电动机 | 异步式直线电动机

交流发电机 : 同步发电机 | 异步发电机

传感电机

自整角机 | 旋转变压器 | 测速发电机 | 多极自整角与旋转变压器

专用电机

机械设备用电动机 | 调速电机 | 工具用电机 | 电动车用电动机

振动电机

2.2 方案验证&评审 

根据2.1步骤评估方案选型和外设后，输出方案框图。

2.2.1 智能音箱硬件方案框图

如上图所示，为智能音箱硬件系统框图，主控为RK3326，麦克风阵列为线性4MIC，MIC经过音频芯片后转换为I2S数字接口，屏幕、触摸为10寸，其它外设包括MIPI摄像头、

WIFI&BT模组，按键，LED，和功放输出模块。最终再结合软件应用评估，确定EMMC和FLASH大小。

2.2.2 机器人奶茶机硬件方案框图

确定硬件方案后，开始推进方案进行评审，输出评审报告。评审报告应包含以下项：

• 功能能否全部覆盖？

• 性能能否满足业务？

• 成本是否在设计范围内？

• 技术可行性风险评分？

• 相关方案芯片器件采购是否存在风险？

• 相关认证标准是否能满足？

• 芯片器件替代方案是否合理？

评审通过的方案，将进入硬件开发阶段：

• 华为硬件设计规范

• 硬件流程与开发规范

开发完成将会进行设计评审：

• 硬件开发评审

• 单板设计评审

    三、 生产加工类    

PCB生产贴片推荐：

• 华秋贴片

• 立创PCB

    四、 工具类    

4.1 如何计算电池寿命、充电等等硬件相关参数？

硬件参数计算器

4.2 如何看芯片丝印查询具体芯片型号？

丝印反查网

4.3 哪里可以找到芯片参数手册？

半导小芯

元器件查询

21IC

alldatasheet

4.4 哪里有硬件相关的技术资料下载？

电子工程网

4.5 哪里能找到电子类的展会信息?

电子展

4.6 各种硬件相关论坛网站

• 电子发烧友 ：http://www.elecfans.com/

• 电路图下载说明书下载标准下载 - 电子标准网 ：http://www.dzbzw.com/

• 易百纳技术社区-权威的AI物联网嵌入式开发平台 ：https://www.ebaina.com/

• 中国产业信息网 - 产业前景投资趋势门户-智研旗下产业信息咨询平台 ：https://www.chyxx.com/ |

• 电路城—专为中国工程师量身打造的电路图、设计方案、资料、技术信息分享平台，致力于成为电子工程师技能进阶的电子设计资源库：https://www.cirmall.com/

• 在芯间-电子元器件采购平台：https://www.zaixinjian.com/

• 国际CMF设计奖：http://www.cmfdesignaward.com/

• 设计癖 | 关注设计癖 提升幸福感：https://www.shejipi.com/#2

• 爱范儿 · 让未来触手可及：https://www.ifanr.com/

• 快科技(原驱动之家)--科技改变未来 ：https://www.mydrivers.com/

• 复盘，人人都要掌握的进步秘籍_热点专题创投房产政策_新闻_36氪：https://36kr.com/topics/1004491457024515

• 我爱音频网 – 我们只谈音频 ：http://www.52audio.com/

• 拆解 – 我爱音频网 ：http://www.52audio.com/archives/category/teardowns

4.7 硬件低功耗设计

4.7.1 先从硬件上来分析

有哪些元器件选型上面可以实现低功耗

DCDC电源部分:

选用低压降、超低功耗DC-DC芯片：由于低功耗设备往往采用电池供电，一些锂电池随着电量的降低，输出电压也会降低，所以我们的DC-DC芯片要保证低压降，至少要能做到0.1V的压降下，仍能正常工作。

开关控制电路：

如果我们的外围中，有开关控制需求，比如ADC电压 采集、信号通断等，那么优先考虑 CPU低功耗时，IO口引脚默认为低电平。这样的话，本身GPIO为输出配置，输出低电平肯定要比输出高电平要保险一些（功耗），比如采用三极管实现通断，那么最好使用NPN的管子实现，因为NPN的管子，控制引脚为低电平，三极管不导通，这部分的电路相当于全部断掉，功耗比较小。

对于一些的传感器，比如温度传感器芯片，如果这个传感器是超低功耗还好，但是多数情况下，传感器的功耗都是有的，即便是不测量的情况下，所以最保险的方式就是控制传感器的电源，这里面要特别注意，要控制整个传感器电源的源头，包括信号线上拉的电源，所以，还是考虑使用P沟道的mos管，mos管的S极接电源，D极给传感器电源和信号线上拉电阻供电，这样我们就能够通过IO口控制G极，实现整个传感器的完全断电了。

外围模组供电：模组电源尽量不要使用LDO，多数超低功耗设备都是采用标准锂电池，所以选用的模组的工作电源要尽可能的与电池电压一致，而且需要宽范围，如果不一致，就要使用LDO，多使用LDO就涉及到产品的成本和整体的功耗增加。

如果方案中涉及到通信模组，比如说NB-Iot模组、LoRa模组、蓝牙模组等，模组和外围芯片还不太一样。模组是一个特别大的耗电器件，这个耗电不仅仅在于发送数据时，还在于发送数据前的连接过程也是很费电的。所以如果想要采用直接断电的方式就要好好的衡量一下，是否得不偿失，比如说NB-Iot模组，每次的数据发送，都要经过很漫长的连接过程。举例，可能整个数据发送过程是50秒，那么连接过程可能就要48秒，因为一旦连接成功后，发送数据就很快了，所以NB-Iot模组都有一个叫做PSM模式的东西，这个时候，我们就要采用它本身的PSM模式了，而不是直接断电，因为NB-Iot的PSM模式普遍功耗都特别低，小于10uA。

另外由于模组需要一直带电运行，如果我们添加了mos管进行备用控制，mos管的控制电路本身也有功耗，这部分的功耗也是需要考虑的，所以，可能比较合适方案是，将电池的输出电压直接给模组供电，模组的外围接口比如reset、唤醒引脚等都接入到CPU，这样就能最大可能的保证模组的稳定。

4.7.2 软件方面降低功耗

可具体查看软件低功耗设计章节。

4.8 避坑建议

产品设计时，提前让软件配合进行可靠性验证，特别对于新厂家新采购的模块，一定要先评估可靠性。先验证在定方案！！！

   五、参考链接   

国内外MCU厂家：

• https://blog.csdn.net/u012308586/article/details/89706902

• http://www.elecfans.com/d/859966.html

• http://www.elecfans.com/d/1473216.html

物联网芯片：

• http://news.rfidworld.com.cn/2018_11/210cabc88cd83459.html

• http://www.zlzw188.com/index.php?s=/home/index/news_detail/id/4353.html

• http://www.qianjia.com/html/2018-11/16_311844.html

• http://www.riswing.com/index.php/new/index/g/c/id/12.html

模组厂家：

• https://www.sohu.com/a/163872633_609521

• https://zhuanlan.zhihu.com/p/162702605

wifi芯片&模组：

• http://www.360doc.com/content/16/0511/18/31509987_558294694.shtml

蓝牙芯片：

• https://tech.hqew.com/fangan_2018763

• http://www.elecfans.com/d/812572.html

汽车IC：

• https://www.cnblogs.com/topeet/p/9936304.html

• https://blog.csdn.net/weixin_44124323/article/details/106386676

• https://www.sohu.com/a/285927012_132567

本文作者：康志勇发 布 于：“智能硬件产品汪”网    址：www.aihpm.com点击“阅读原文”即可跳转至智能硬件产品汪网站

     

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