百度智能硬件质量白皮书

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云设备测试组从2013年7月组建，先后负责了小度wifi、小度TV伴侣、小度路由器、小度i耳目、智能手环等一系列智能硬件产品的测试；同时在dulife厂商合作中体验了多款智能硬件产品，包括智能家居、医疗、健康、母婴、车载设备等领域，在测试过程中积累了丰富的经验。

本文总结了云设备测试组在产品测试过程中积累的实战经验，主要内容包括：

第一章智能硬件背景介绍

第二章云设备测试背景介绍

第三章云设备质量保证体系

第四章硬件实验室

第五章用户实验室

第六章智能硬件测试的未来展望

第七章智能硬件测试案例

全文由多位资深测试工程师合作完成，希望为即将从事智能硬件测试以及对智能硬件产品感兴趣的同学提供解决方案的参考，也欢迎大家一起交流智能硬件开发和 测试技术，联系xdu-qa@baidu.com。

　第1章智能硬件背景介绍

　　1.1 嵌入式系统

　　1、嵌入式系统概念

根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（原文为devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。广义上讲，嵌入式系统是一种应用系统，它至少包含一个可编程的计算机（通常是某种形式的微控制器、微处理器或数字信号处理芯片（DSP））且使用该系统的人一般并未意识到该系统是基于计算机的。

国内经典的定义是“以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求，满足特定应用的专用计算机系统。”一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式 操作系统以及用户的应用程序等部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。

　　2、嵌入式系统分类

按硬件范畴的表现形式分：芯片级嵌入（含程序或算法的处理器）、模块级嵌入（系统中的某个核心模块）系统级嵌入。

按软件范畴实时性要求分：非实时系统、软实时系统、硬实时系统。对实时系统，他的正确性不仅与系统的逻辑正确性相关，而且与系统响应时间相关，如果系统响应不能满足时限的要求，即使它能得到正确的输出，我们也只能说他是一个失败的响应。“软”意味着如果没有满足指定的时间约束并不会导致灾难性后果，而对硬实时系统来说却是灾难性的。

　　3、嵌入式系统应用

互联网普及、微电子加工工艺提高、3C（Computer，Communication，Consumer）技术的普遍融合、使用者需求增多、信息服务应用生活化、技术渗透性和融合性、设备关联性以及个性化服务的普遍需求，让嵌入式应用更加广泛。一个典型的嵌入式应用智能家居如图1：

图1 嵌入式应用：智能家居

4、嵌入式系统硬件组成

从硬件方面来讲，各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中最核心的部分。目前，世界上具有嵌入式功能特点的处理器已超过1000 种，流行体系结构包括MCU、MPU 等30 多个系列，嵌入式处理器寻址空间可以从64KB 到16MB，处理速度最快可以达到2000MIPS，封装从几个引脚到几百个引脚不等。目前嵌入式处理器可以分成这样一些类型：

（1）嵌入式微控制器（ Microcontroller Unit，MCU）

MCU = Microcontroller Unit 一般又称为单片机，即将整个计算机系统集成到一块芯片中。MCU一般以某种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM，总线，总线逻辑，定时器，I/O单元，串口，A/D,D/A，flash等各种必要功能和外设。

为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核基本都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。与MPU 相比，MCU 的特点是单片化，体积大大减小，成本和功耗下降，可靠性提高微控制器的片上资源一般比较丰富，适合于比较简单的控制过程。

代表性的通用系列：intel 8051，P51XA，MCS系列，motorola 68300等等。

半通用系列：支持USB接口的MCU 8XC930/932、C540、C541支持I2C、CAN-bus、LCD的MCU等等。

（2）嵌入式微处理器（ Microprocessor Unit，MPU）

MPU 是由通用计算机中的CPU 演变而来的，本质上与通用计算机的CPU 是一样的，只是在具体的实现细节和功能上有所不同。装配在专门设计的电路板上，只保留跟嵌入式应用紧密相关的功能部件，去除其他冗余功能部件，从而大幅减小系统的体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊需求，MPU 在工作温度、抗电磁干扰、可靠性方面一般都做了各种增强，在功能上会失去一些在嵌入式领域不常用的功能单元。和工业控制计算机相比，MPU 具有体积小、质量轻、成本低、可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也比较差。由于MPU 及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机，如STD-BUS、PC104 等。MPU 目前主要有：intel x86、IBM PowerPC、motorola 68K/coldfire、MIPS、ARM、Hitachi SuperH 等系列。

ARM（Advanced RISC Machines）是ARM 公司的高性能、廉价、低功耗的RISC 处理器，适用于多种领域如嵌入控制、消费/ 教育类多媒体、DSP 和移动式应用等。ARM 公司将其硬件技术授权给世界上许多著名的半导体厂商，包括Intel，IBM，LG，NEC，SONY，Philps 这样的大公司。关于软件系统的合伙人，则包括Microsoft、SUN 等一系列著名公司。ARM 公司提供一系列CPU 内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案。由于所有产品均采用一个通用的基本体系结构，所以相同的软件理论上可在所有产品中运行目前，ARM 公司常见的处理器系列有：ARM7、ARM9、ARM10、ARM11 等。

MIPS（Microprocessor without Interlocked Piped Stages）“无内部互锁流水线微处理器”。也是现在比较流行的一种RISC 处理器，其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题最早是在20 世纪80 年代初由美国斯坦福大学Hennessy 教授领导的研究小组研制出来的在嵌入式方面，仅次于ARM应用领域覆盖游戏机，移动电话，数码相机，ATM，路由器，打印机，掌上电脑等等各个方面，非常广泛。中国科学院计算所研制具有自主知识产权的龙芯1 号：32 位MIPS 处理器。

（3）嵌入式DSP（ Digital Signal Processor ）处理器

DSP在运算量较大（特别是向量运算、指针线性寻址很多）的场合发挥重要作用，对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合与执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。除了数字滤波，FFT等之外，DSP处理器在各种带有智能逻辑的产品，生物信息识别终端，实时语音编码解码系统中都得到了广泛的应用。代表性的产品是Texas Instruments公司的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。

（4）嵌入式片上系统（ System on Chip，SoC）

随着VLSI技术的发展，在一个硅片上可以包括CPU、各种外设控制器（如网络控制器、LCD控制器等）等多个功能单元，构成一个完整的复杂硬件系统，这就是嵌入式片上系统。

嵌入式处理器内核可以作为SoC的一种标准库，与其他嵌入式系统外设一样，成为VLSI设计中的一种标准器件，用VHDL等语言描述，存储在器件库中用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后，就可以将设计图交给半导体工厂制作。这样，整个嵌入式系统大部分都可以集成到一块或几块芯片中去，系统电路板将变得很简洁，对减小体积和功耗，提高可靠性非常有利。SoC可以分为通用和专用两类，市场份额比较小。

5、嵌入式处理器的选择

够用原则：少量处理和少数的I/O功能，一般选用8位单片机，如数码手表、空调、冰箱等；有网络和嵌入操作系统需求，一般选用32位处理器；有信号处理和数学计算需求，一般选用DSP。

成本原则：价格、供货渠道。

参数原则：封装、温度、片内存储器、速度、功耗、电源管理、特殊总线接口等。

成熟度原则：成功案例、开发板、开发包、设计方案、技术支持、团队知识结构。

　1.2 硬件产品设计与生产流程

硬件产品设计与生产流程包括硬件需求分析、硬件系统设计、生产制造、系统调试等阶段。

1、硬件需求分析

接到产品需求后，首先进行硬件需求分析，撰写硬件需求规格说明书。硬件需求分析解决的是产品需求能不能满足，怎么满足问题。

硬件需求分析主要有下列内容：

（1）明确系统的基本功能和主要性能指标

（2）平台选择

（3）运行环境

（4）功能模块的划分

（5）关键技术的罗列

（6）可靠性、稳定性、电磁兼容等和成本的讨论

（7）工艺结构

（8）硬件测试方案

　2、硬件系统设计

硬件系统设计的主要任务是从系统层面进一步划分落实各功能模块，打通各模块间的接口及有关技术指标，最终让系统成功运行起来的过程。

硬件系统设计主要有下列内容：

（1）系统总体结构图及功能划分

（2）系统功能模块分解及相关指标确定

（3）系统各功能块的逻辑框图，电路结构图及单板组成

（4）单板逻辑框图和电路结构图

（5）关键技术讨论

简单的说，硬件系统设计就是把整个系统进一步具体化，细化的过程。硬件开发总体设计是最重要的环节。

3、硬件生产制造

一个好的系统设计方案，要有好的可生产性和可制造性。生产制造过程简单，较高的良品率也是硬件设计追求的目标。整个生产制造过程，包括正确的BOM输出、可靠的物料来源、再到产线良好的生产工艺，都需要严格管控。

4、系统调试

板子生产回来后开始系统调试。具体分为硬件调试，软硬联调和软件调试。首先完成电源，接口等硬件调试；之后进行软硬联调，软硬联调过程是很重要环节，不但可以及时发现设计中的不足，同时也可以验证设计是否能达到需求；最后交给软件调试，完成上层开发直到产品开发完成。

整体硬件生产流程图如图2，补充说明：

1、图表中每个阶段的大概耗时仅仅是个简单评估，具体开发过程和公司开发效率，整体设计难易程度，工厂工艺，物料环节等都有很大关系。

2、以上仅是产品工程样机开发周期，后续完善和量产阶段没包含在里面。

图2 整体硬件生产流程图

1.3 短距离无线通信技术

一般意义上，只要通信收发双方通过无线电波传输信息，单跳传输距离限制在较短（通常最远为数百米）的范围内，就可以称为短距离无线通信。

目前主要技术包括 Wifi、紫蜂 (Zigbee)、蓝牙技术(Bluetooth)、超宽带技术( UWB)、射频识别技术(RFID)及近场通信(NFC)等。低功耗、微型化是用户对当前无线通信产品尤其是便携产品的强烈要求，作为无线通信技术重要分支的短距离无线通信技术正逐步引起越来越广泛的关注。这些技术没有绝对的好和坏，主要根据不同场景和应用领域决定使用哪种技术。

此外，最近新型的HomeRF技术这是由HomeRF工作组开发的，目标是在家庭范围内，实现计算机与其他设备间的无线通信，HomeRF是IEEE802.11与DECT的结合，作用距离为100米，传输速率为1～2Mbps，支持流媒体传输，在抗干扰能力上略有不足。然而HomeRF技术没有公开，目前仅有为数很少的企业支持，因此应用前景并不广泛。

本章主要介绍RFID、NFC、DSRC、蓝牙、ZigBee、wifi、UWB、TG3c、IrDA在频率、距离、应用领域、优缺点比较见下表，详细协议介绍参考附录。

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