一、前言
　　
　　產品的標準化設計與研制是提高產品開發質量、加快產品研制速度、避免產品設計失誤的重要方法與手段。產品標準化的應用可以進一步降低企業產品研制與生產成本,在為企業產生顯著經濟效益的同時避免不必要的經濟損失。產品標準設計的主要優點有:
　　
　　1）保證產品設計質量、提高產品生產效率、降低產品維護成本;
　　
　　2）增加設計復用度、減少重復設計、縮短產品研制周期、加快產品上市速度;
　　
　　3）實現產品技術的沉淀與積累,增加研發團隊設計能力;
　　
　　4）增加產品配件設計標準化,降低產品生產、裝配、工藝難度,提高產品生產的機械化程度與生產率;
　　
　　5）有利于提高產品的零部件復用率、提高零部件的采購議價能力,降低器件采購成本。
　　
　　與產品國標、行標、企標的標準化建設不同,本文是在結合作者實際產品設計工作經驗,并考慮UPS功率電源產品技術特點,從產品設計理念與技巧等角度,來實現公司UPS功率電源產品的軟、硬件設計標準化工作。通過該項工作,解決當前公司電源產品日益擴張后所帶來的產品設計質量風險,縮短產品研發周期與上市周期。
　　
　　二、層次化設計
　　
　　展開產品標準化設計,繞不開產品的層次化設計思想?！皩哟巍笔亲匀晦q證法中有關系統論的基本哲學概念,是形成標準化設計的哲學基礎。唯物主義辯證法指出,“系統”是由相互作用的各部分所組成的、具備一定功能的整體。一個性能優異、功能完備的電力電子產品無疑也是一個設計良好的系統。
　　
　　有關層次化的概念深入在產品與技術的方方面面,例如麻省理工學院電子工程和計算機科學教授Anant Agarwal在講授《電路與電子學》過程中,當講到什么是電子工程時,其將電子工程分成了如圖1所示的層次化結構。從最初自然界間的量值關系開始,進而形成自然物理規律再經過層層集總抽象,最終形成小到烤面包機,大到航天飛機等電子產品。
　　
　　在硬件開發領域中,電子設計自動化EDA技術也完全是按層次化思想開展設計的。EDA技術是以計算機為工作平臺,融合了計算機技術、信息處理技術、電子技術等最新研究成果,用硬件描述語言HDL完成設計的一種全自動計算機輔助設計CAD技術。
　　
　　HDL語言通過使用結構級或行為級描述,可以在電子產品的不同抽象層次開展電子行為描述與設計。HDL語言也是一種層次化設計方法,采用自頂向下的設計方法開展數字電路設計。如圖2所示,HDL抽象層次描述包括行為領域、結構領域、物理領域3個領域,以及系統級、算法級、寄存器傳輸級、邏輯級與電路級5個抽象層次。
　　
　　在軟件開發領域,層次化設計思想也是應用于軟件設計的方方面面。在計算機標準通信模型中,開放式系統互聯參考模型OSI也完全是依據層次化進行設計的。如圖3所示,該通信協議模型分為7層通信邏輯。作為OSI標準模型的子集,計算機網絡通信協議TCP/IP協議是國際互聯網應用最為廣泛的基礎協議,它規范了信息設備如何與互聯進行交互信息,其最主要協議是IP網絡層協議和TCP傳輸層協議所。TCP/IP協議棧層次化結構包括:網絡接口層、網絡層、傳輸層、應用層4層,每一層都為上層協議提升必要的功能支持。
　　
　　此外,還有操作系統的層次化結構設計等等,可見層次化的設計理念深入在工程技術的方方面面,大凡上了一定規模的應用設計都具備層次化設計結構。利用產品的層次化設計,即可開展產品的標準化設計。因為,在一個產品的各層次間可以形成一個個標準化的接口,各層次間通過標準化接口互聯進而形成完整有機整體。
　　
　　三、自頂向下的設計方法
　　
　　相對于產品的自頂向下設計方法,自下而上的產品設計過程是一種更為常見的設計方法。過去,人們在產品設計過程中,通常在了解產品功能需求后,從元器件開始形成電路單元設計,進而組成功能部件,最后完成產品系統設計。這類設計方式主要針對早期一些小型工程與產品是適用的。然而,面對當前產品結構與功能的日益復雜化,這種自下而上的設計方式往往導致項目開發者陷入孤立的產品細節問題中,缺乏產品系統的全局觀。這樣設計出來的產品往往存在很多設計缺陷與質量隱患。因此,面對當前越來越復雜系統,產品設計需要自頂向下的設計方法來避免上述問題。
　　
　　所謂自頂向下的設計方法是指:產品設計過程首先從產品整體開始,對系統的功能與性能進行劃分,將整體功能分解為功能較為單一、輸入輸出明確的功能模塊,并明確各功能模塊之間的相互聯接關系,重復上述過程,直到最后劃分的功能單元可以通過電路實物來實現。
　　
　　采用自頂向下的設計方法的優點是顯而易見的。由于產品設計是從頂層邏輯功能開始,通過現代軟件仿真工具,即可從設計之初即掌握產品的功能性能狀況。如果客戶應用需求發生變化,則可就此調整設計方案,進行產品功能、性能的優化與折衷。隨著設計層次的展開,產品功能與性能參數將進一步得到細化與確認,并可隨時根據客戶需求進行調整,從而即保證了設計結果的正確性又縮短了產品的設計。
　　
　　自頂向下的設計方法廣泛的存在于當今社會的各行各業,就電子行業而言,在現代職業中,出現了產品構架師、軟件構架師等新型職業。如前述,在產品硬件設計領域,EDA設計的工程組織是采用自頂向下設計方法的;在產品軟件設計過程中,自頂向下設計方法是將一個復雜系統軟件通過自上而下、逐步分解的方式實現軟件模塊劃分,直到分解為若干單一功能模塊并明確各模塊之間調用關系為止?，F在主流系統級軟件開發也都是自頂向下進行項目組織與模塊化開發設計的。
　　
　　四、UPS功率電源產品標準化設計研究
　　
　　UPS產品各層次化設計如圖3所示,其中產品規劃為公司集團級頂層設計部分,主要用于規劃產品系列與產品樹,不是本文的重點。本文側重于從產品部件以及下各產品設計層次,結合自頂向下的設計理念以及層次化的設計風格,研究UPS產品標準化設計思路。
　　

　　4.1產品部件標準化設計
　　
　　UPS產品系統組成大致如圖5所示,主要包括功率及驅動單元、主控制單元、顯示與通信、系統電流與充電器等基本組成模塊。那么,在系列產品內、與產品間有很多共通的電路模塊,因此可將這類模塊規范,并形成標準化模塊設計。
　　
　　根據模塊應用范圍,各電路模塊可如表2示例進行規劃:

　　
　　另外,與顯示單元、系統電源、充電器一樣,功率模塊也可標準化設計,如圖6所示,設計出標準功率模塊組件。那么相關產品則只需搭積木一樣,實現相關配電與控制即可。
　　
　　4.2 硬件標準化設計
　　
　　這里的硬件標準化設計是指,根據公司UPS產品的技術特點,在硬件原理圖設計上按層級進行的標準化設計。原理圖級標準化設計可開展的設計過程如圖6所示,設計過程可以充分利用現代化的原理圖設計工具輔助完成。
　　
　　各層級標準化主要工作內容與任務如表3所示:
　　
　　此外,現代化原理圖設計工具對層次化的標準電路設計均有良好的支持,通過標準化電路模塊的調用,除實現原理圖標準化設計以外,還可以極大減輕PCB制板工作人員的工作量。層次化的原理圖設計采用自頂向下的設計過程,將完整的產品電路按功能分成若干子系統或子電路模塊,然后通過模塊電路的輸入、輸出接口將各子系統電路連接。分成子模塊的電路圖即可很好的形成標準化電路模塊圖,應用于完全不同的產品與項目。
　　
　　此外,層次化的原理圖還可以將硬件電路的兩個設計層次:“電路原理”設計與“電路信號流”設計清晰的分隔開,使得設計思路清晰便于核對,同時也方便了軟件開發人員對硬件信號的掌握。
　　
　　4.3 軟件標準化設計
　　
　　與硬件模塊標準化設計類似,軟件模塊根據自頂向下的層次化設計理念,可劃分如下設計階段與設計內容:
　　
　　各層級標準化主要工作內容與任務如表4所示:
　　
　　對于軟件框架,根據UPS產品的特點,UPS嵌入式控制軟件頂層模塊,可以形成如圖9所示的嵌入式軟件的層次結構。
　　
　　軟件模塊的標準化是根據軟件的層次劃分,組織相關層級軟件的結構。以APP軟件層設計為例,其軟件模塊組織結構如圖10所示,APP模塊設計只與具體產品相關而與底層硬件無關。
　　
　　軟件再下一層設計,即是開始算法級軟件模塊設計,以UPS逆變控制軟件模塊為例,軟件組織與算法規劃如圖11所示。
　　
　　經過軟件的層層劃分,形成各軟件層次的標準化接口,即可有機組織形成軟件整體,也可方便實現公司代碼評審與管理。
　　
　　五、總結
　　
　　本文從技術角度研究了UPS產品標準化設計的相關理念與方法,其核心思想主要為:
　　
　　1、自頂向下的設計方法;
　　
　　2、層次化設計結構。
　　
　　基于這兩條設計理念,UPS產品即可劃分為各部件,各部件間相互獨立,通過標準化接口又可有機組成整體。標準化設計的優點不言而喻,這里最后再從管理的角度提一下它的優點,即:對于設計評審,特別是軟件設計評審往往無的放矢,那么在實現標準化設計后,軟、硬件的評審工作即變得非常簡單了,即只需評審與常規或標準不符合的項目即可。