如何设计一款低成本的计算机载板- 第一部分

1). 简介

在以前的博客文章中，我们已经在一个硬件项目中使用计算机模块提出了许多讨论，因此，这里我们假设你已经在项目中决定采用计算机模块SoM，下一步想知道如何开展计算机载板的设计。我想给你一些有价值的信息和见解，可以帮助成功设计一个低成本的Toradex模块载板。

计算机载板的开发可以分为三个主要任务：系统设计，原理图设计和PCB布局。在这篇文章中，我将讨论前两个主题。我将在以后的博客中讨论PCB布局的主题。

2). 系统构架设计

在开始新的计算机载板的系统设计之前，你必须决定在载板上使用哪个计算机模块 系列。是采用应用广泛的Colibrimodule模块系列，还是你需要具备某种特有高速接口的高性能Apalis modules模块？最终你可以把它缩小到两个系列之一的某几个模块，我们的产品选择器有助于帮助你找到合适的计算机模块SoM。

基于ARM的计算机模块和基于x86的计算机模块之间的主要区别在于ARM模块通常具有可以提供更多种类的不同接口。单个模块引脚通常可以复用到不同的接口，如UART、SPI、I2C、SDIO或简单的GPIO。甚至可能有处理器的多个引脚连接到模块边缘连接器单个引脚。这使得基于ARM计算机载板的系统设计比其引脚仅具有一个特定功能的x86板更复杂。工程师需要为引脚选择适当的功能。此项任务称为引脚复用，图1中显示了一个示例。

图 1: System Design

当Toradex设计一个新的计算机模块时，我们总是尽量使它与同一系列的其他模块兼容。这意味着我们会尽量保持常用接口的设置成为标准接口并引脚兼容。这些标准接口同时对应于我们的现有计算机载板所具有的接口功能。这是一个聪明的决定，符合我们的载板引脚复用。载板最多只能有三个UART接口。但是，如果你需要的超出这三个UART接口，你如何处理？我们的一些计算机模块提供多达七个UART接口。问题是这些额外的UART接口仅在部分模块上存在，而相应的引脚可能已经被其它接口需要。正如我之前提到的，这个任务可能变得相当复杂。

为了减少引脚复用任务的复杂性，我们开发了一个强大的工具，Toradex Pinout Designer（图2）。 该工具允许比较不同Toradex模块的接口。该工具检查引脚是否使用了两次发生冲突或某个模块上的功能是否可用。还有助于轻松设计可与不同Toradex计算机模块兼容的计算机载板，引脚设计器工具考虑到这方面的应用。查找更多信息，并在以下地址免费下载该工具:http://developer.toradex.com/knowledge-base/pinout-designer。

图 2: Toradex Pinout Designer

3). 设计原理图

当创建了你的原理框图后，知道你要使用的计算机模块的哪个引脚，你就可以开始设计原理图。最聪明的方法总是从参考设计的原理图开始，由于我们知道这一点，你可以免费下载我们的计算机载板的原理图。如果你使用Altium Designer设计计算机载板，你可以直接下载我们常用的计算机载板的整个Altium项目。你不仅可以获得原理图。该项目还包括板上所有组件的库，包括用于3D设计的3D文件。所有参考设计可以在这里下载：http://developer.toradex.com/carrier-board-design/reference-designs

图 3: Schematic Capture

和原理图相关的重要信息来源于我们的载板设计指南。分别有一个单独的指南针对Apalis和Colibri模块系列。在这些指南中，集中了模块系列的所有标准接口信息。还可以找到关于电源管理和控制信号的指导。文档为每个接口提供了附加的参考原理图。指南可以在这里下载：http://developer.toradex.com/carrier-board-design/carrier-board-design-guides

设计原理图通常意味着需要评估新的元器件。例如，你必须评估具有某个特性的新的晶体管（）MOSFET）。很可能你会发现面临数百个晶体管都符合你的要求，但是选择最合适的是最难的部分。我会根据我的个人选择策略提供一些建议。

我的第一步总是检查我们选择的晶体管是否适合其它项目需求。如果我可以在多个项目中使用相同的元件，我们的采购部门将会非常便利。如果公司组件库没有真正适合的，我尝试找到兼容晶体管的概述。为了得到这样的列表，通常使用我们首选的晶体管制造商以及主要分销商的参数搜索引擎。我通常创建一个具有不同组件及其主要规格的表。为了找到最适合元件，我需要对于元件参数评价因子进行分级。例如，我可以将这个元器件是否有兼容的第二个选择作为最高优先级。价格和长期供货通常也是重要的标准。由于我不想等待这个列表（有时可能是很长的）中的每个晶体管的报价，我喜欢用一个方法来筛选列表中的几个真正的候选元器件来报价。依我看来，www.ciiva.com 的SmartParts Search（图4）是提供有价值指标的不错选择。网站提供许多不同分销商的批量价格突库存水平，无需在每个分销商上搜索设相关元件，它还提供了设备是否即将停产的告警，并提供了查看历史价格和库存水平的选项。如果晶体管在许多不同的分销商有库存，并且库存水平波动，它使我相信这个元件被广泛使用，不太可能很快停止。我使用价格信息仅作为指示，因为我们的采购部门将在我们的首选分销商中要求自己的报价

图 4: Smart Parts Search

完成原理图设计后，有一个非常重要的步骤，原理图的审查。我知道，这可能是一个非常烦人的任务。但是花费几个小时甚至几天的时间进行密集的审查总好过一个月的硬件等待。请一个同事通过整个原理图，甚至在网表级别校验。他就像一个无聊的四岁男孩，想知道每一个细节。进入每个电路的对话框。尝试向你的同事解释为什么你用这种方式处理电路。在和同事的面前争论电路设计时，发现了我的原理图中许多严重的错误。

这就是所有。希望我能够让你对系统设计和原理图设计过程有一些了解。 如果你也有兴趣了解更多关于PCB布局阶段，你可以查找我的下一篇文章。 我会尽量与大家分享一些我的经验，以避免PCB布局陷阱。