产品的标准化设计与研制是提高产品开发质量、加快产品研制速度、避免产品设计失误的重要方法与手段。产品标准化的应用可以进一步降低企业产品研制与生产成本,在为企业产生显著经济效益的同时避免不必要的经济损失。产品标准设计的主要优点有:
1）保证产品设计质量、提高产品生产效率、降低产品维护成本;
2）增加设计复用度、减少重复设计、缩短产品研制周期、加快产品上市速度;
3）实现产品技术的沉淀与积累,增加研发团队设计能力;
4）增加产品配件设计标准化,降低产品生产、装配、工艺难度,提高产品生产的机械化程度与生产率;
5）有利于提高产品的零部件复用率、提高零部件的采购议价能力,降低器件采购成本。
与产品国标、行标、企标的标准化建设不同,本文是在结合作者实际产品设计工作经验,并考虑UPS功率电源产品技术特点,从产品设计理念与技巧等角度,来实现公司UPS功率电源产品的软、硬件设计标准化工作。通过该项工作,解决当前公司电源产品日益扩张后所带来的产品设计质量风险,缩短产品研发周期与上市周期。
二、层次化设计
展开产品标准化设计,绕不开产品的层次化设计思想。“层次”是自然辩证法中有关系统论的基本哲学概念,是形成标准化设计的哲学基础。唯物主义辩证法指出,“系统”是由相互作用的各部分所组成的、具备一定功能的整体。一个性能优异、功能完备的电力电子产品无疑也是一个设计良好的系统。
有关层次化的概念深入在产品与技术的方方面面,例如麻省理工学院电子工程和计算机科学教授Anant Agarwal在讲授《电路与电子学》过程中,当讲到什么是电子工程时,其将电子工程分成了如图1所示的层次化结构。从最初自然界间的量值关系开始,进而形成自然物理规律再经过层层集总抽象,最终形成小到烤面包机,大到航天飞机等电子产品。
在硬件开发领域中,电子设计自动化EDA技术也完全是按层次化思想开展设计的。EDA技术是以计算机为工作平台,融合了计算机技术、信息处理技术、电子技术等最新研究成果,用硬件描述语言HDL完成设计的一种全自动计算机辅助设计CAD技术。
HDL语言通过使用结构级或行为级描述,可以在电子产品的不同抽象层次开展电子行为描述与设计。HDL语言也是一种层次化设计方法,采用自顶向下的设计方法开展数字电路设计。如图2所示,HDL抽象层次描述包括行为领域、结构领域、物理领域3个领域,以及系统级、算法级、寄存器传输级、逻辑级与电路级5个抽象层次。
在软件开发领域,层次化设计思想也是应用于软件设计的方方面面。在计算机标准通信模型中,开放式系统互联参考模型OSI也完全是依据层次化进行设计的。如图3所示,该通信协议模型分为7层通信逻辑。作为OSI标准模型的子集,计算机网络通信协议TCP/IP协议是国际互联网应用最为广泛的基础协议,它规范了信息设备如何与互联进行交互信息,其最主要协议是IP网络层协议和TCP传输层协议所。TCP/IP协议栈层次化结构包括:网络接口层、网络层、传输层、应用层4层,每一层都为上层协议提升必要的功能支持。
此外,还有操作系统的层次化结构设计等等,可见层次化的设计理念深入在工程技术的方方面面,大凡上了一定规模的应用设计都具备层次化设计结构。利用产品的层次化设计,即可开展产品的标准化设计。因为,在一个产品的各层次间可以形成一个个标准化的接口,各层次间通过标准化接口互联进而形成完整有机整体。
三、自顶向下的设计方法
相对于产品的自顶向下设计方法,自下而上的产品设计过程是一种更为常见的设计方法。过去,人们在产品设计过程中,通常在了解产品功能需求后,从元器件开始形成电路单元设计,进而组成功能部件,最后完成产品系统设计。这类设计方式主要针对早期一些小型工程与产品是适用的。然而,面对当前产品结构与功能的日益复杂化,这种自下而上的设计方式往往导致项目开发者陷入孤立的产品细节问题中,缺乏产品系统的全局观。这样设计出来的产品往往存在很多设计缺陷与质量隐患。因此,面对当前越来越复杂系统,产品设计需要自顶向下的设计方法来避免上述问题。
所谓自顶向下的设计方法是指:产品设计过程首先从产品整体开始,对系统的功能与性能进行划分,将整体功能分解为功能较为单一、输入输出明确的功能模块,并明确各功能模块之间的相互联接关系,重复上述过程,直到最后划分的功能单元可以通过电路实物来实现。
采用自顶向下的设计方法的优点是显而易见的。由于产品设计是从顶层逻辑功能开始,通过现代软件仿真工具,即可从设计之初即掌握产品的功能性能状况。如果客户应用需求发生变化,则可就此调整设计方案,进行产品功能、性能的优化与折衷。随着设计层次的展开,产品功能与性能参数将进一步得到细化与确认,并可随时根据客户需求进行调整,从而即保证了设计结果的正确性又缩短了产品的设计。
自顶向下的设计方法广泛的存在于当今社会的各行各业,就电子行业而言,在现代职业中,出现了产品构架师、软件构架师等新型职业。如前述,在产