电子硬件工程师入职图解手册 硬件知识篇

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书名：电子硬件工程师入职图解手册——硬件知识篇

ISBN：978-7-115-60829-1

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版　　权

编  著 陈 韬

责任编辑 李永涛

人民邮电出版社出版发行　　北京市丰台区成寿寺路11号

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内 容 提 要

这是一本专为电子硬件工程师编写的书。本书先整体介绍电子硬件工程师的岗位职能和能力要求；详细介绍了电子设备的电源、温度、电子芯片电平，以及基础工具与接口等电子硬件通用知识；着重介绍了RS485总线知识，主要是围绕硬件故障、RS485故障案例，通过对数据手册的研读，配合生动的图画，阐述每一个故障背后的硬件理论知识和国内外行业标准，同时讲述相关电子行业的历史故事；再介绍在工程实践中如何结合国家行业标准逐步分析并排查故障，从而提出解决方案；还以工程实践经验为素材，介绍电子硬件工程师可借鉴、应用的硬件复位、算法提炼等知识和技巧；最后按项目流程介绍了电子硬件工程师典型的工作场景。为了增强本书的趣味性，本书以电子硬件工程师的独特视角绘制了场景式的漫画，生动展示了电子硬件工程师的工作特点。

本书适合电子硬件工程师、硬件测试工程师、电子专业的学生和广大电子爱好者阅读。此外，本书还可作为电子硬件工程师的入职培训书。

前　　言

多年前，笔者刚走上电子硬件工程师岗位时，在电路调试、电磁兼容（Electro Magnetic Compatibility，EMC）等方面遇到了很多问题，虽然阅读了大量专业书籍，可依然有很多弄不明白的地方。工作到第二年的时候，甚至想过放弃硬件研发工作，改行去做销售或文化创意类工作，因为硬件研发工作需要的知识和技能太多、太琐碎。在最初几年的设计工作中，笔者总是遇到各种意想不到的难题，就像走在一条漆黑的道路上，看不见道路两旁的景色，也看不到路的尽头。笔者当时就期待：如果有一本书，将专业知识和新人工作中的困惑答疑结合起来，那该有多棒！这样肯定能减少新人的很多苦恼。

在电子应用领域，每一位电子硬件工程师即使面对相同的功能需求，也会有不同的设计思路，每一个设计方案都是其智慧的结晶。新人即使借用他人的电路设计，往往也要经历软硬件调试、客户故障反馈、认证测试等环节的反复磨练之后才能收获些许经验，才能明白“移植电路、借用电路，不等于100%照抄电路”的道理。

工作多年后，笔者在电子硬件设计领域渐渐地有了自己的体系化思路，了解到身边来来往往的新人的困惑，就想起自己当时的心情。笔者寻思自己或许可以为电子硬件工程师这个岗位、电子学科、电子行业做些什么，便开始准备编写本书的素材。

笔者编写本书的情怀正如中国北宋著名思想家张载所言：“为天地立心，为生民立命，为往圣继绝学，为万世开太平。”笔者认为：电子领域的标准、跨专业书籍浩如烟海，因此不能苛求每个工作者都有足够的精力、时间去一一阅读并理解。如果在某一方面能将个人学习到的实用知识进行归纳与总结，那么既能在实际工作中供自己查阅，还能供他人学习参考，亦能为电子行业做一份贡献。每个人做一份贡献，电子行业将会发展得更好。

本书在知识点中以趣味插画的形式绘制了电子硬件工程师的工作场景，希望能让阅读本书的技术工作者产生一些共鸣。

本书适合电子设计类相关专业学生，以及从事电子电路设计、产品测试的技术工作者阅读。此外，本书可作为科研企业新人入职培训的参考书。

本书是笔者根据国家标准、文献资料及多年的工作经验整理所得，但由于笔者个人能力、水平有限，见识阅历不足以涵盖各细分领域，恐书中仍有不少纰漏和问题，敬请谅解。

感谢您选择了本书，也欢迎您把关于本书的意见和建议告诉我们，电子邮箱：liyongtao@ptpress.com.cn。

陈 韬

2023年1月15日

绪　　论

工程师要想快速成长，就要向书本学习、向实践学习、向同事学习，即阅读大量与工作相关的书籍，借鉴前辈们的经验，以获得更大的发展。

工程师设计产品时缺乏信心，主要是缺乏实践与理论相结合的经验。

在技术积累的过程中，获取知识和经验大致有两个途径：①随着工作年限的增长，参与的项目累加，被动地获取知识和经验；②在工作之余，阅读大量相关的书籍，吸取他人的经验，不断加强技术储备。

知识是解决问题的“弹药库”

电子硬件设计的可持续性发展需要满足“5可”原则，即可预测、可设计、可验证、可复用、可传承。

技术会与时俱进，会应用技术并不代表有绝对竞争力，从事技术研发及应用的开发人员应学习的是技术沉淀后的智慧和文化。任何岗位的人员在职业道路上都需要积累经验和技巧，从实践中总结规律，构建方法体系，制订出适用的规范流程，最终提炼出具有传承性的科学原理、智慧和文化。

技术工作的思维模型

为了清晰而准确地讲解知识点，本书将以国际标准、国家标准、行业规范及行业中主流的芯片数据手册作为依据。此外，建议读者在阅读本书的同时多阅读相关领域的专业书籍。

期待每一位处于电子硬件设计迷途的“骑士”都能进入以国际标准、国家标准、行业规范为护栏的“高速公路”。

祝愿每一位电子硬件工程师在阅读本书后都能有所收获并在工作技能方面有所提升！

第1章　认识电子硬件工程师岗位

1.1　电子硬件工程师的职能

电子硬件工程师就像电子产品的“保姆”，参与从产品规划、印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）设计到产品组装的全过程。相较于软件工程师，电子硬件工程师的桌上摆放了更多的工具和设备，如图1-1所示。

图1-1

在电子产品的生命周期中，如果应用业务逻辑出现故障，那么通常需要软件工程师介入进行分析；如果设备在运行过程中有抖动、异响、电磁干扰、烧毁等情况，那么通常需要电子硬件工程师介入进行分析。

在设备制造的产品研发阶段，要完成硬件驱动程序编写和硬件控制逻辑构思等工作，这些工作大多先由电子硬件工程师给软件工程师做技术“交底”，然后由软件工程师进行编程。不同的职业有不同的“武器”，如软件工程师的键盘和编程语言、电子硬件工程师的电烙铁和电子硬件知识，如图1-2所示。

图1-2

电子硬件工程师的核心工作是电路设计、PCB设计、EMC整改，如图1-3所示。

图1-3

电子硬件工程师的三大“法宝”是万用表、示波器、电烙铁，如图1-4所示。

图1-4

1.2　电子硬件工程师必备的知识和能力

电子硬件工程师的知识面要广。为了更好地胜任这个岗位，电子硬件工程师需从基础的电子电路知识开始，逐渐向外发散学习。电子硬件工程师必备的知识和能力如图1-5所示。

图1-5

（1）电子电路知识：包括电阻、电容、电感、磁珠、三极管、运算放大器、微控制器、逻辑芯片等与电路原理图设计直接相关的元器件知识。

（2）信号阻抗、PCB知识：包括单端阻抗、差分阻抗、微带线、PCB材质、叠层参数、锡焊膏等知识。

（3）EMC知识：包括静电、浪涌、绝缘耐压、高低温、辐射、电压暂降、传导干扰等知识。

（4）结构知识：包括钣金工艺、放样、金属材质强度、屈服强度系数等知识。

（5）软件知识：包括基本编程语言、嵌入式微控制器支持的语言编译器、宿主机组装、软硬驱动结合、操作系统（如Linux）等知识。

（6）想象力：结合生活中的新技术、新知识，组合出新的技术应用场景。

（7）创新：在新的技术应用场景中积累经验和知识，弥补现有技术的不足。

有的公司可能只要求电子硬件工程师掌握和具备上述部分知识及能力，而有的公司则要求电子硬件工程师掌握和具备多方面的知识及能力。电子硬件工程师后期可以转至平台方案工程师、产品规划工程师等与业务紧密结合的技术管理岗位。

1.3　电子硬件设计的“5可”原则

为了电子硬件工程师职业的可持续发展，设计应遵循“5可”原则：可预测、可设计、可验证、可复用、可传承。具体说明如表1-1所示。

表1-1

电子硬件工程师在其职业生涯中需要时刻留意的事情如下。

（1）与产品相关的、看得见的、摸得着的东西，电子硬件工程师都要管（如实物器件）。

（2）与产品相关的、看不见的、摸不着的东西，电子硬件工程师需要了解（如软件逻辑）。

（3）随时关注生活中的电子、电气设备，挖掘可以借鉴的技巧，记录、收集生活中的灵感，如图1-6所示。

图1-6

细心观察生活，发现其他电子设备具备可学习的地方时，可以及时记录并将其融入自己的产品设计中。

1.4　电子硬件工程师参与产品研发时的工作阶段

电子硬件工程师在参与产品研发时，通常会经历3个工作阶段，如表1-2所示。

表1-2

在不同的公司，电子硬件工程师所承担的职责略有差异，但主要职责都包括元器件选型、设计电路图、信号完整性仿真、PCB板卡设计、准备PCB焊接的物料、焊接后的PCB硬件调试、协助软件工程师调试、完成产品的EMC测试等。在产品研发的不同阶段，电子硬件工程师的工作量也不同，产品研发过程中各岗位的参与程度如图1-7所示。

图1-7

（1）理想状态。

● 方案工程师：在详细阅读国家及行业标准和规范，并收集市场需求后，结合企业自身的技术水平，提出新产品的结构外形、产品性能、产品功能等方面的方案。

● 结构工程师：依据产品方案中的结构外形、国家及行业标准和规范，结合材料材质的特性，选取合适的材料；根据加工工艺细化结构参数，为电子硬件工程师提供PCB板卡尺寸参数。

● 电子硬件工程师：依据产品方案选取合适的元器件、设计电路图；依据结构工程师提供的尺寸参数设计PCB板卡，并确保设计的PCB板卡在调试时符合设计初衷。

● 软件工程师：依据产品方案编写代码，在电子硬件工程师设计的PCB板卡上实现产品方案中的全部既定功能。

● 测试工程师：完成产品的整机测试，包括硬件性能、软硬件配合效果的测试，进一步确认硬件、软件设计的合理性和可靠性。

● 检验工程师：进一步对测试工程师验证合格的产品进行整机测试和性能评定，为产品移交生产、批量制造做最后的检测和核查。

● 移交生产部门：将产品的加工图纸、工艺文件等资料移交给生产部门，并培训技术人员，以保障产品生产的可靠性。

（2）实际可能的状态。

在产品的实际研发过程中，每个岗位其实都全程参与整个产品的研发过程，只是在不同阶段的参与程度不同。

电子产品都需要经历电气性能测试和电磁兼容测试阶段。为了顺利通过测试阶段，电子硬件工程师除了要完成所有的电路设计、PCB设计，遵循电子半导体的基本物理规则外，在测试阶段还要花费大量的时间、精力来修改和完善设计。

例如：①为了满足PCB信号的爬电距离要求，电子硬件工程师会参与到结构设计中，要求结构工程师对结构进行修改、完善；②为了减少EMC中的静电、快速瞬变脉冲群对检测模拟信号的干扰，电子硬件工程师往往会在模拟量检测通道中增加电阻、电容、电阻-电容（Resistance-Capacitance，RC）滤波，或要求软件工程师增加滤波、防抖动算法。

典型的产品研发过程：产品规划→设计→调试→产品使用。分解后的研发过程如图1-8所示。

图1-8

不同的公司，其产品研发过程在图1-8所示研发过程的工作内容的基础上会有所增减。

1.5　电子硬件工程师的商务工作

电子硬件工程师除了要完成技术工作以外，还需要完成一些简单的商务工作，例如接待元器件供应商，参加产品推介会、技术研讨会、技术标准评审会等。

（1）与供应商沟通。

研发分为项目型研发和职能型研发。大多数研发公司采用矩阵模式进行管理，以职能型矩阵模式管理为主，以项目型矩阵模式管理为辅。

轻度职能型矩阵模式：如图1-9（a）所示，员工接收部门的日常任务，同时参与一个项目。每一个项目结束后，员工并非就地解散，而是再次参与职能部门分配的其他项目。

项目型矩阵模式：如图1-9（b）所示，员工以完成项目交付为主要驱动力，在项目研发的过程中，全力执行项目管理者的计划，不受部门其他任务的干扰。

重度职能型矩阵模式：如图1-9（c）所示，员工接收部门的日常任务并优先完成，同时参与多个项目，提供技术支持。研发公司的这种组织架构往往让研发管理者和员工都面临着参与项目越多、绩效输出越低的窘境。这种研发公司不适合采用项目关键绩效指标（Key Performance Indicator，KPI）考核员工，更适合采用按职能方式考核员工。

图1-9

无论研发公司采用哪一种组织管理模式，电子硬件工程师都需要熟悉公司的主要供应商，并与之保持互动、联系。电子硬件工程师通过与供应商保持良好的互动，能及时获取产业链的最新信息，如制造厂的元器件技术改良与淘汰等信息。

常见的商务工作场景是接待供应商，了解新元器件的应用方案，以及比较同类元器件的价格，如图1-10所示。

图1-10

（2）参会。

随着科技的发展，以及元器件、技术方案的更新，电子硬件工程师需要不断学习，了解行业的发展动态，主动参加行业科技展会、产品推介会等，以对比产品和技术是否顺应时代，及时改进设计方案，如图1-11所示。

图1-11

1.6　电子硬件工程师应具备的素养

智能设备的设计与制造是软件工程师、电子硬件工程师、结构工程师等技术工作者共同努力的结果。电子硬件工程师应具备的素养如表1-3所示。

表1-3

下面从不同的视角解释代码是如何让微控制器（Microcontroller Unit，MCU）输出高低电平的。

1.从软件工程师的视角解释

用高级语言（C/C++、Java等）编写的程序通过编译器编译为汇编代码，进而转成二进制机器码，然后MCU就能识别并运行机器码，实现MCU的I/O口高低电平的变化。

2.从电子硬件工程师的视角解释

MCU存储的代码实际上是特定的电平波形序列，其转换过程如图1-12所示，详细解释如下。

图1-12

（1）敲击键盘上的字母会产生高低电平的变化，简称“波形a”（可通过示波器测量）。计算机将敲击键盘产生的“波形a”与计算机内部设定好的波形进行对比，将识别到的波形转为人为规定的ASCII值以方便阅读。

（2）计算机安装编译器后，通过编译器或集成开发环境（如ARM芯片的MDK、IAR，51单片机的KEIL，或MCU的编译器）将ASCII编译为MCU能识别的电平“波形b”（通常为3.3V与0V，或者5V与0V），再将“波形b”（可通过示波器测量）存储到MCU的闪存中。代码是给人看的，但是代码代表的是一种有特殊规律的电平波形。闪存存储的就是“波形b”的开关量状态，当下一次MCU上电时，这种状态将再次通过电平波形传到特定的位置（这个位置被称为寄存器）。

（3）当MCU需要运行时，上电且复位启动后，晶振起振，MCU内部的逻

辑电路在断电前的某个状态开始导通关闭电压，从而让内部某些晶体管（开关管）有规律地导通和关断，好像是在按照程序设计好的起始地址运行。通常，这个第一触发位置被定义为固定的地址，如0x00000000。然后开始将存储在MCU的波形释放出来，从而让MCU内部不同的逻辑开关有规律地通断配合，实现加减乘除等运算。

（4）MCU将运算的结果按所设计的逻辑运行，通过控制MCU的I/O口高低电平的变化，实现对外围元器件的控制。