深入理解嵌入式硬件设计的第三章

前言

        本章主要介绍嵌入式硬件设计过程中所设计的基础知识，包括嵌入式系统电源分类、电源管理和电子电路设计中的PCB设计、电子电路测试基础知识。

3.1 嵌入式系统电源分类及电源管理

        一般来说，嵌入式电源的输入都为交流市电，输出是常见直流12V、5V、3.3V，是一类二次设备。

        交流电源是嵌入式系统较为重要的电能来源之一。嵌入式系统的电能由该类电源直接或间接提供。通常使用市电作为输入，通过一系列变化、转化将交流高压电转变为低压直流电。

        稳压器是常见配合交流电源与电池使用的一种元器件，由于嵌入式系统往往需要多种电压，因此在嵌入式系统中会使用稳压器将电压降至所需范围。

1、电源管理

绝大多数嵌入式系统都会包含基础电源管理功能以降低功能

（1）系统上电，上电时通常以较高功率来运行

（2）空闲模式。CMOS电路有效得功耗是在电路时钟工作得时候产生得，通过关闭不需要的时钟来降低功耗

（3）断电。

（4）电压与频率缩放。有效功率与切换频率成线性比例，但是与电源电压平方成正比。

3.2 电子电路设计

3.2.1 电子电路设计基础知识

1、电子电路设计原理

电路设计主要分三个步骤：设计电路原理图、生成网络表、设计印刷电路板

在电路设计中，基本步骤如下：

（1）充分了解设计任务的具体要求

（2）方案选择

（3）根据设计框架进行电路单元设计

（4）根据电路工作原理和分析方法，进行参数的估算与计算

（5）元器件选择时，元器件的工作、电压、频率和功耗等参数应满足电路指标要求

（6）电路原理图的绘制

2、电子电路设计方法及步骤

电子电路设计的第一步是电路原理图设计，设计电子电路是后续步骤的基石。

电子电路设计的过程如图：

        在原理图设计过程中，首先建立元器件库，其次是元器件布局和布线连接，然后需要进行电路分析与仿真，进而生成网表，最终得到设计完整的原理图。

1）建立元器件中没有的元器件

        在进行元器件建库时需要注意以下标准：

        【1】元器件引脚序号与封装库相应元器件序号保持一直；

        【2】分立元器件要注意元器件的标号与引脚的对应关系

        【3】二脚有极性，如二极管，默认以1表示正极，2表示负极

        【4】多脚元器件如晶体管，引脚序号应该与封装的引脚序号保持对应关系，且芯片引脚的序号为逆时针逻辑

        【5】通常元器件的引线引脚长度为5个单位

2）CAD设置

        根据实际的电路及其复杂程度选择相应的元器件库，设置CAD图示相关属性，配置CAD中设计规则，并建立有关工程

3）放置元器件

        根据设计电路图的需求，将所使用的元器件有选择地放置在合适地位置，并进行修改，同时利用CAD自动编号功能为元器件编号，并选择实际印刷电路所使用地封装。

4）原理图连接

        根据原理图需要，将原理图上的各个元器件按照需求设计将对应引脚通过合适的方法进行连接，即可形成完整的原理图

5）检查校对

        根据系统需求与电路功能对所设计的电路图进行校验，保证原理图符合电器规则，同时布局较为清晰、简明、美观。对元器件、导线位置、连接等进行检查修改。

6）电路分析与仿真

        利用CAD软件提供的分析仿真功能或使用专用软件对检录进行分析，分析之后对电路进行仿真，检查电路是否符合需求设计与相关设计指标。

7）生成网络表

        使用CAD软件生成原理图的网格表。

8）保存与输出

        将设计的电路所在工程存储并提交至版本控制系统中。

3、电子电路设计可靠性

        电子设备的可靠性设计可以保证在绝大部分情况下电子设备能够稳定可靠地工作，同时在发送故障时可以将损失降到最低。在电子电路可靠性设计中，设计可靠性定义、故障衡量、可靠性成本、可靠性设计和设计故障等概念。

1）可靠性定义

可靠性：在规定的时间和环境条件下系统无肆运行的概率。这个概率受三个控制量的影响：

（1）故障的规定

（2）工作寿命

（3）实际环境

2）故障衡量

        在确定时间内的故障率的倒数就是通常所指的平均故障间隔时间 (MTBF)。一般用小时表示，而故障率使用每个小时故障的次数进行表示。MTBF 通常与运行周期无关，可以方便地表示可靠性。

3）可靠性成本

4）可靠性设计

【1】有效的散热；

【2】尽量减少高敏感元器件的使用

【3】使用最少的元器件设计最简单的电路

【4】使用可靠性高、质量好的元器件

5）设计故障

3.2.2 PCB设计基础知识

1、PCB设计原理

（1）PCB印刷：PCB印刷是按照设计将电路印刷到基板上，然后重复多次得到多层PCB，最后添加过孔、阻焊层等

（2）PCB由基板、铜层、阻焊层、字符层等组成

（3）印制线路是采用诸如刻蚀之类的方法印制电路，包括导线和焊盘

（4）印制元器件是指通过丝印等手段将元器件符号等文字印刷至电路上

（5）PCB贴片是指使用专用贴片机自动贴片或者使用钢网手工贴片，然后通过各类加热方式或者回流焊接方式将元器件焊接的过程

（6）电镀：通常使用锡或者金对暴露的焊盘进行电镀处理

2、PCB设计方法及步骤

        PCB设计的主要任务是根据电路原理图对PCB进行合理的结构与布线布局设计，主要过程是依据网表中的设计进行布局、布线连接，并通过PCB仿真来判断设计是否正确，最终得到PCB输出。

1）建立封装库中没有的元器件

2）规划电路板

3）载入网络和元器件封装

4）布置元器件封装

3、PCB布局要求

        PCB元器件的布局遵循先大后小，先难后易的布置原则，即重要的单元电路、核心元器件应当优先布局。

        总的连线尽可能短，关键信号线最短；高压电、大电流信号与小电流、低电压的弱信号完全分开；模拟信号与数字信号分开；高频信号与低频辛亥分开；高频元器件的间隔要充分。

通常元器件布局有如下要求：

（1）元器件的摆放不重叠

（2）元器件的摆放不影响其他元器件的插拔和贴焊

（3）元器件的摆放符号限高要求

（4）有极性元器件的摆放方向要尽可能一直，同一板上最多允许两种朝向

（5）安装孔的禁步区内无元器件和走线

4、PCB布线

        在放置完封装之后，可以使用 CAD 自动布线或者手动布线。对于自动布线则需要将自动布线失败或者不满足需求的地方手工重新布线。

        布线的优先次序一般是：电源、模拟小信号、高速信号、时钟信号和同步信号等，关键信号优先布线。

        应遵循密度优先原则，即从单板上连接关系最复杂的元器件着手布线。从单板上连线最密集的区域开始布线。

        自动布线在布线质量满足设计要求的情况下，可使用自动布线器以提高工作效率。

5、设计规则检查

        按照 PCB 设计规则，检查 PCB 设计是否合乎规范。对于元器件、铜线、过孔、覆铜等按照一定规则检查。例如，元器件不可以重叠，布线间距不合乎规范。一般可使用CAD 对电路进行检查，将不符合规范的设计与未连接的部分查找出来。

6、PCB仿真

        使用CAD软件对PCB进行藩镇分析，确定PCB达到需求与设计目标。

7、保存输出

        将设计工程保存，并且导出相关文件以便PCB加工。

8、多层PCB设计的注意事项及布线原则

在多层PCB布线时应注意：

（1）高频信号线一定要短，不可以有尖角，两根线之间不宜平行、过近，否则可能会产生寄生电容。

（2）如果是两面板，面的线布成横线，另面的线布成竖线，尽量不要布成斜线。

9、丝印设计

        丝印设计是 PCB 设计中容易被忽视但又十分重要的一个环节。容易被忽视是由于PCB 并不会因为缺少丝印而不能工作,说其十分重要是因为丝印是PCB 设计的一个缩影。

        丝印有效的标记元器件、安装孔、定位孔等 PCB 上关键的元素。一般丝印设计要求所有元器件、安装孔、定位孔都有对应的丝印标号，PCB 上的安装孔丝印可用 H (Hole)，H，··，H，进行标识。同时 PCB 上元器件的标识符必须和BOM 清单中的标识符号一致。

3.3 Cadence PCB系统设计

        Cadence 公司的 PCB 系统设计提供了从原理图设计输入、分析、PCB 设计、PCB 制造文件输出等一整套工具，为嵌入式系统硬件设计的准确性和高效提供了基础，其设计流程如图所示。

3.3.1 原理图设计输入工具

        Cadence 公司的 PCB 系统设计提供了两种原理图输入工具，Concept HDL 和 CaptureCIS，Concept HDL 提供了一个高度集成的规则驱动的设计流程，与约束管理器整合提供了整个设计流程中管理电器约束的统一环境，支持团队设计、并发设计、设计重用等。Concept HDL 提供了传统的平面设计方法和先进的分层次的设计方法。

1）分层次设计

Concept HDL支持自顶向下和自底向上两种设计方法

2）模块化设计 – 设计重用

3）并行设计方法

布局时，需要改变连线或者添加元件，可以实现设计同步

4）导入物理布局和原理图

可以通过 IFF 接口自动导入安捷伦ADS物理布局和原理图。

5）功能强大的原理图输入方法

【1】参数化

【2】对上下文敏感的菜单

【3】群组操作

【4】分割元件图形

6）其他功能和特点

【1】高性能的图形界面

【2】自动生成BOM

【3】可以进行电器规则检查和生成网表报告

【4】归档

【5】与 Allegro 整合

3.3.2 PCB设计系统

        PCB设计系统可以实现复杂、多层电路版图的创建和编辑，可以方便输出生产数据。

其特点包括：

（1）灵活的驱动布局功能

（2）交互式布线编辑器

（3）多种生产加工数据的输出

（4）丰富的平面操作功能

（5）高级SKILL语言

3.3.3 自动和交互布线工具

        Cadence 公司的 PCB 系统设计中的自动布线工具是一流的，针对高密度 PCB 和复杂IC 封装的自动和交互式互连线布线工具，具体包含 SPECCTRA 布局编辑器、SPECCTRA交互布线编辑器、SPECCTRA 自动布线器 3 个工具。

3.3.4 库管理

Cadence 公司的 PCB 系统设计的库管理提供 3 个工具,分别是 PCB 库专家、PCB 库、库浏览。

1）PCB库专家

提供了原理图和PCB库的创建】封装和验证功能。

2）PCB库

包含手工创建库的工具

3）库浏览

基于web的检索和放置元件的工具

3.3.5 约束管理器

        约束管理是 PCB 系统设计的核心，提供基于电子数据表格式的约束信息，具有实时显示高速规则和状态的功能，并且可以在设计流程的任意阶段调用。仿真设计人员在做仿真之后，形成了高速约束规则，这些规则一旦加入约束管理器，就可以用来驱动布局布线了。约束管理器包括两个视图，一个视图让设计者观察数据库中不同的电子约束集合相关的约束值；另一个视图提供系统中不同网络以及它们要遵守的约束集名称，并目实时显示约束值的分析结果，通过改变分析结果的颜色来标明成功和失败，一目了然。