对于一台复杂的精密仪器（特别是 CEMS 这种涉及光、机、电、算、化系统的设备），在动工前，必须集齐以下四大设计文档。

第一张图：P&ID 图—— 仪器的“血脉”

在动手买任何一个阀门之前，必须先有这张图。这是机械/流体设计的宪法。

• 它是什么：它不是简单的管路连接图，它包含了所有流体部件的逻辑符号。它定义了气体怎么走、哪里测压、哪里调节、哪里放空。
• 它决定了什么：
  • 控制逻辑：看到图上的球阀符号，软工就知道这需要一个 DO（开关量输出）信号。看到压力变送器，就知道需要一个 AI（模拟量输入）接口。
  • 安全逻辑：哪里必须加单向阀防止倒灌？哪里必须加安全阀防止憋压？
• 你的盲区可能在于：很多新手只画“管子怎么连”，却不画“测点在哪里”和“控制点在哪里”。
  • 比如： 你想做闭环控制稀释比，那你的 P&ID 上必须在临界孔前画一个压力传感器符号。如果不画，电路板设计时就不会留这个接口，最后软件就没法写闭环算法。

第二张图：硬件互连图 —— 仪器的“骨骼”

你之前问了电源板、驱动板、主板……这张图就是用来规划这些板子之间怎么连线的。

• 它是什么：它不关心电路板内部怎么画（那是原理图 Schematic 的事），它只关心板子与板子、板子与部件之间的线束定义。
• 它决定了什么：
  • 供电拓扑：24V 是从电源板直接给风扇，还是先经过主板再给风扇？（决定了电流负载和走线粗细）。
  • 信号流向：PMT 的信号是先去前放板，再去主板？还是直接去 IO 板？
  • 接口定义：主板上需要留几个插座？是 10 Pin 的还是 20 Pin 的？
• 你的盲区可能在于：“地线规划”。在这张图上，必须明确画出：哪根是信号地（AGND），哪根是电源地（PGND），它们在哪里汇合（单点接地）。如果这张图没画好，后期干扰问题会让你崩溃。

第三张图：I/O 列表 —— 软硬件的“字典”

这是连接“硬件工程师”和“软件工程师”的唯一桥梁。也是你画状态机图的前提。

• 它是什么：一个巨大的 Excel 表格。每一行代表仪器的一个“手”或“眼”。
• 内容包含：
  • 位号 (Tag Name)：如 V1_Sample_Valve。
  • 物理接口：如 IO_Board_J3_Pin5。
  • 信号类型：DO (继电器输出), DI (光耦输入), AI (4-20mA), AO。
  • 逻辑定义：高电平是开还是关？（常开还是常闭）。
  • 供电要求：这个阀门是 24V 还是 12V？
• 为什么必须最先做：如果不先列出这张表，硬件工程师不知道选多大的 CPU（管脚够不够用），软件工程师不知道变量怎么定义。它是软硬件分工的契约。

第四张图：时序图 —— 仪器的“剧本”

状态机图是宏观逻辑，时序图是微观动作。这是解决你之前担心的“两位三通阀乱套”问题的关键。

• 它是什么：横轴是时间，纵轴是各个部件（泵、阀、灯、加热器）的状态。
• 它解决了什么细节：
  • 比如切校准时：是先关采样阀，还是先开标气阀？
  • 如果先关采样阀，中间有 0.1 秒 两个阀都关了，泵会不会憋死？
  • 如果先开标气阀，中间有 0.1 秒 两个阀都开了，标气会不会倒灌进采样管？
• 你的盲区可能在于：“死区时间 (Dead Time)”的设计。所有的动作都不可能瞬间完成，必须在时序图上预留出 500ms 或 1s 的缓冲期。

小结

如果你现在要重新设计一台 CEMS 分析仪，正确的顺序应该是：

• 先画 P&ID (气路逻辑)： 搞定物理原理。确定要几个阀、几个泵、几个传感器。（这是根本）
• 列 I/O List (资源统计)： 数一数上一共有多少个控制点和采集点。（这是量化）
• 画 硬件互连图 (电气架构)： 决定用几块板子，怎么给这些 I/O 供电和通讯。（这是骨架）
• 画 状态机 & 时序图 (软件逻辑)： 决定这些 I/O 按照什么顺序动。（这是灵魂）

你之前的提问顺序（先问电路板、再问气路、最后问状态机），其实是“自下而上”的学习过程，这完全正常。但现在你要开始“设计”了，就必须“自上而下”，先有这四份顶层设计文档，再去画具体的电路图或写代码。