嵌入式系统应该怎样设计硬件电路

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。

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

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。

视频学习资料

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