韌體層將外殼、電路板和少量感測器變成一個可以響應的裝置。
典型的硬體原型始於實體零件：一個用CAD建模並3D列印的外殼、一塊適配安裝柱的PCB板，以及根據設計佈置的一系列感測器、按鈕和LED燈。組裝完成後，原型看起來幾乎與成品無異。然而，如果沒有韌體，設備就無法讀取感測器資料、響應輸入或與其他系統通訊。
韌體是運行在設備微控制器上的程式碼。有些團隊自己編寫晶片程式碼，而有些團隊則引入現成的程式碼。 固件開發 公司只有在機械設計穩定後才會著手開發固件，因為要讓微控制器與感測器、無線電模組和容量有限的電池可靠地協同工作，需要豐富的經驗。韌體定義了硬體執行哪些操作、操作順序以及裝置如何從錯誤中復原。
以下各節解釋了原型設計期間韌體工作涉及哪些內容、通常需要哪些服務以及何時外包韌體是合理的。
從硬體原型到可運行產品
外殼設計、機械組裝和3D模型設計是產品開發的重要組成部分。經過充分測試的外殼可以檢驗設備握持是否舒適、通風口位置是否合理以及鉸鍊等活動部件的耐用性。然而，僅僅是外形正確的原型仍然只是一個實體模型。讀取溫度或向手機發送資料需要設備內部處理器上運行的軟體才能實現。
運作在設備處理器上的軟體稱為韌體。韌體通常用 C 或 C++ 編寫，它將實體電子元件與使用者互動的功能連接起來。記憶體和功耗限制因平台而異，因此韌體必須根據所選硬體及其運作模式進行設計。當團隊更換感測器時，韌體也必須更新。為了降低單位成本而改用更便宜的微控制器，可能需要更改驅動程式、工具鍊和應用程序，具體取決於軟體架構。
由於硬體的變更通常需要韌體的相應修改，因此硬體和韌體最好是並行開發，而不是先後開發。機械方面的決策會直接影響程式碼。例如，將天線放置在金屬支架後面會導致韌體接收到的訊號較弱，需要處理更多的重傳；而較小的電池倉則需要更嚴格的節能模式。如果機械工程師和韌體工程師能夠儘早協調合作，那麼首批組裝好的設備在測試過程中出現的問題就會更少。
韌體開發公司為硬體原型做些什麼？
在原型開發階段，韌體開發公司負責確保電路板能夠正常運作，並在硬體設計變更時保持電路板的正常運作。這項工作通常包括多個階段。
第一階段通常是選擇晶片。大多數原型機都採用微控制器 (MCU)，例如 STM32、ESP32 或 nRF52。而需要顯示器、更強大的處理能力或嵌入式 Linux 的裝置則會使用系統單晶片 (SoC)。經驗豐富的韌體工程公司可以就晶片選擇提供建議，因為晶片的選擇決定了後續可用的開發工具和無線功能。
下一階段是硬體調試，工程師會檢查時鐘是否穩定、電源軌是否提供正確的電壓、調試器是否能夠連接以及每個週邊裝置是否響應。此過程需要示波器和邏輯分析儀等工具。調試過程通常也會發現一些在設計評審階段未被發現的原理圖錯誤，例如引腳接反或缺少上拉電阻。
典型的原型韌體堆疊，從晶片到用戶看到的實際行為。
完成啟動後，團隊會為板上的感測器和周邊設定編寫驅動程序，包括加速度計、溫度感測器、顯示器、馬達控制器和外部快閃記憶體。每個組件都透過總線（例如 I2C、SPI 或 UART）進行通信，每個組件都有其數據手冊中的具體信息，這些信息只有在實際運行條件下才能體現出來。接下來是新增通訊協定：與行動應用程式配合使用的裝置通常使用低功耗藍牙 (Bluetooth Low Energy)，而雲端報告則需要 Wi-Fi 或蜂窩網路。車輛通常使用 CAN 總線，而工業設備則通常依賴 Modbus 協定。
最後階段是設備的基本邏輯，它定義了使用者看到的行為。例如，按住電源按鈕三秒鐘即可將裝置置於配對模式，電池電量低於 15% 時會觸發警告並使 LED 指示燈變暗。諸如配對和低電量警報之類的規則，使一個工作電路變成了一個可用的產品。
原型開發階段的關鍵韌體開發服務
韌體開發工作的範圍取決於產品。單感測器數據記錄器所需的韌體遠少於連網醫療穿戴裝置。然而，大多數原型開發階段的韌體開發服務都可歸為以下幾類：
- 嵌入式韌體。它是MCU上的核心應用程序，包括啟動代碼、主循環和定義設備行為的狀態機。
- 設備驅動程式。這是一種底層程式碼，它允許處理器讀取和寫入電路板上的每個元件。供應商會為常用零件提供驅動程序，但供應商提供的程式碼很少能涵蓋所有使用場景，因此通常需要進行一些客製化開發。
- 即時作業系統 (RTOS)。當裝置需要同時對感測器進行取樣、更新螢幕和監聽無線電資料包時，像 FreeRTOS 或 Zephyr 這樣的即時作業系統會以可預測的方式調度所有這三個任務。
- 連接性。整合 BLE、Wi-Fi、LoRaWAN、蜂窩網路或有線總線，以及配對、加密和空中 (OTA) 更新。
- 電源管理包括睡眠模式、時鐘頻率調節以及關閉不使用的周邊設備。對於電池供電設備而言，電源管理決定了一次充電能持續一週還是一年。這項工作還包括測量實際電流消耗，而不是僅依賴數據手冊中的數值。
- 偵錯.尋找並修復崩潰、時序問題和硬體軟體衝突，通常使用連接到電路板的 JTAG 或 SWD 偵錯器。
- 韌體測試。單元測試、硬體在環測試以及低電壓、高溫或不穩定連接下的壓力測試。
在接近截止日期時，調試和測試時間往往會被縮短，這通常會導致後期成本增加。修復手工組裝原型機上的一個缺陷可能只需幾個小時，而同樣的缺陷在生產數千台產品後才被發現，則需要現場更新，甚至在某些情況下需要召回。
為什麼要在產品開發過程中與韌體開發合作夥伴合作？
對於概念驗證階段，通常工程師就能完成原理圖、外殼模型和程式碼編寫。但如果設備需要可靠的無線連接、長電池續航時間和安全的現場韌體更新，工作量就會顯著增加。
可靠的無線連接和持久的電池續航力是聘請韌體開發合作夥伴的優點。經驗豐富的工程師熟悉常見的晶片缺陷以及特定廠商SDK的限制。他們還會優化程式碼結構，確保從開發套件到客製化PCB的轉換無需從頭開始。大多數韌體團隊都擁有功率分析儀和射頻測試工具等實驗室設備，因此客戶無需為單一專案購買昂貴的測試設備。
與合作夥伴協作還可以縮短開發週期。韌體開發可以在使用相同晶片的評估板上開始，這樣團隊就不必等待最終硬件，韌體和機械設計可以並行推進。
外部協助的成本取決於設備類型：韌體開發機構會增加預算中的一項費用，而對於非常簡單的設備，內部的通用技術人員可能就足夠了。對於連網設備、電池供電設備或受控設備，外部專家通常可以減少電路板的修改次數，而每次電路板修改都會使工期延長數週，並增加直接成本。
選擇合作夥伴時，請詢問團隊已在哪些MCU系列上發布過產品，如何處理OTA更新，以及工程師是否擁有針對您所在市場認證的設備經驗（例如FCC、CE或醫療標準，如適用）。通常，為期一到兩週的付費研究階段，用於審查您的原理圖和需求，比銷售電話更能讓您清楚地了解情況。
請記住，外部團隊需要了解您產品的詳細信息，而向工程師進行簡報會佔用您不少時間。務必在專案開始時就文件標準和原始碼所有權達成一致，以確保專案結束後韌體的所有權仍然屬於您。
將硬體創意轉化為功能性設備
假設我們需要一個用於溫室的土壤濕度感測器。以下範例展示了一種可能的開發流程，並非實際的客戶案例研究。第一個版本是內部裝有開發板的3D列印外殼，韌體僅透過USB介面向筆記型電腦發送濕度讀數。第一個版本足以驗證概念的可行性。
第二版採用了一塊客製化的PCB板，該PCB板與外殼的安裝柱完美契合。韌體現在每十分鐘讀取一次探頭數據，在兩次讀取之間保持睡眠模式，並將每次讀取結果透過LoRaWAN協定發送到建築物另一側的網關。透過調整佔空比和適當的無線電策略可以延長運行時間，但最終結果必須根據測量電流、電池容量和實際報告條件進行計算和驗證。
韌體開發工作介於第一個印刷外殼和試生產批次之間。
試生產階段剩餘的工作可能涵蓋韌體、電子元件、機械設計和生產驗證。試生產階段的韌體工程服務重點在於確保程式碼穩定性、優化功耗、添加安全啟動和OTA更新功能，以及編寫每台設備出廠前運行的自我檢測程序。早期版本只需在工程師的監督下在一台測試樣機上運行即可，而量產版本則需要在數百台實際應用中穩定運作。
在這個示例性工作流程中，外殼和韌體都會隨著團隊對設備的驗證而不斷迭代更新。許多硬體專案都遵循相同的模式，韌體的版本更新次數通常比外殼的版本更新次數更多。在規劃硬體專案時，應根據複雜性、整合和驗證需求來分配韌體開發預算，並在CAD檔案最終定稿階段就讓韌體工程師參與其中。
