第二章Cadence的原理图设计.docx
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第二章Cadence的原理图设计
第二章Cadence的原理图设计
2.1DesignEntryCIS软件概述
Cadence软件系统有两套电路原理图的设计工具,一套是DesignEntryHDL,另一套就是我们马上要开始学习的DesignEntryCIS。
其中DesignEntryHDL是Cadence公司原本的原理图设计软件,可以用于芯片电路和板级电路的设计,其长处在于可以把芯片的电路原理图和板级电路原理图结合在一起,进行综合设计;而DesignEntryCIS主要用于常规的板级电路设计,DesignEntryCIS原本是OrCAD公司的产品,OrCAD公司后来被Cadence公司收购,于是DesignEntryCIS也就成了Cadence公司的另一套电路原理图设计软件。
DesignEntryCIS原理图设计软件的特点是直观、易学、易用,在业界有很高的知名度,利用DesignEntryCIS原理图设计软件可以进行简单的(只有单张图纸构成的)电路原理图设计,也可以进行(由多张图纸拼接而成的)平坦式电路原理图设计,还可以进行(多张图纸按一定层次关系构成的)层次式电路原理图设计。
在本章中,我们首先学习简单的电路原理图设计,然后再学习较为复杂的平坦式和层次式电路原理图设计。
我们将围绕一块非常简单的STC系列单片机下载电路板,学习简单电路原理图的设计,同时在此过程中,还将学习到USB转UART串行口、STC系列单片机下载电路等方面的知识。
接着,我们将围绕一块ARM-7核心实验板,进行平坦式和层次式电路原理图的设计,而该核心板是配套于ARM-7实验箱。
在此过程中我们还将学习到嵌入式技术等方面的知识。
2.2初识DesignEntryCIS
一.启动DesignEntryCIS
我们在电脑上点击“开始→所有程序→CadenceSPB16.2→DesignEntryCIS”,如下图所示:
图2-1启动DesignEntryCIS
这时将弹出如下对话框:
图2-2选择工作内容
在这里我们选择“OrCADCaptureCIS”一项,点击“OK”按钮后,就实际启动了DesignEntryCIS,出现如下界面:
图2-3OrCADCaptureCIS软件界面
与大多数软件一样,OrCADCaptureCIS软件也是以项目方式管理我们的设计文件的,所以我们将首先要新建一个项目:
在窗体上点击“File→New→Project”出现如下对话框:
图2-4新建项目
在“Name”中输入项目名称,“Location”中输入项目文件的存放位置(最好给每一个项目建立一个文件夹,把项目中的所有文件都放入该文件夹),在“CreateaNewProjectUsing”栏目中,选择“Schematic”(因为我们要进行电路原理图的设计)。
完成上述工作后,点击“OK”,则建立了一个工程,并默认创建了一个的原理图,我们可以在这个原理图上进行我们的电路设计。
这时,窗体出现如下状态:
图2-5OrCADCaptureCIS原理图设计界面
在图2-5的左侧是项目窗体,点击“.\Interfaxe_lv.dsn”(这是我们的项目名称)后,在SCHEMATIC1文件夹下已经建立了一个名为“PAGE1”的原理图文件。
如下图所示:
图2-6OrCADCaptureCIS的项目窗口
如果希望改变默认的原理图文件名称,可以用鼠标的右键点击项目窗体中的“PAGE1”栏目,在弹出的菜单中选择“Rename”一项,然后输入希望的名称。
二.进行DesignEntryCIS的基本设置*
初次学习Cadence时,这部分内容可以跳过,直接学习后面的内容,等到掌握了绘制原理图的基本技能后,再回过头来学习如何进行DesignEntryCIS的设置。
在启动了OrCADCaptureCIS原理图设计软件后,通常要进行一些基本的设置工作。
这些设置主要是原理图图纸大小的设置、栅格点的设置、图纸上各种元素颜色的设置、标题栏的设置等等。
我们首先点击“Options→Preferences…”菜单项,这时弹出如下对话框:
图2-7参数选择对话框的颜色设置选项页
如图2-7所示,Preferences对话框由多个选项页构成,其中“Colors/Print”是设置图纸上的颜色和打印的颜色;“GridDisplay”是设置栅格点;“Miscellaneous”是混杂选项。
1.颜色设置
首先我们进行颜色的设置,在此仅就几个常用的栏目讲解一下,而不进行逐一讲述。
Alias:
网络名的颜色;Background:
图纸底色;Bus:
总线颜色;DRCMarker:
DRC校验标志颜色;Grid:
栅格的颜色;HierarchicalBlock:
层次块的颜色;Junction:
连接点的颜色;PartBody:
元件的颜色;Pin:
引脚的颜色;Power:
电源符号的颜色;Wire:
导线的颜色。
如果我们要改变某一种图纸元素的颜色,可以点击对应的颜色框,这时会弹出如下的颜色对话框:
图2-8颜色对话框
在颜色对话框中可以选择对应的颜色,从而改变原来图纸上相应元素的颜色设置。
如果我们希望使用默认的颜色设置,可以点击“UseDefaults”按键,就可以把所有颜色设置该回到最初始状态。
2.栅格设置
下面我们选择“GridDisplay”选项页,进行栅格点的设置,如下图所示:
图2-9参数选择对话框的设置栅格选项页
如图所示,该选项页又分成两部分:
左半部用于原理图的栅格设置,右半部用于制作原理图元件的设置。
“Visible”选项用于选择是否显示栅格。
“GridStyle”选项用于选择点状栅格或线状栅格。
“Gridspacing”选项用于选择栅格点的密度(该数值表示两个最近的引脚之间的栅格数)。
“Pointersnaptogrid”:
选项用于选择对齐到栅格。
3.杂项设置
选择“Miscellaneous”选项页,在这个选项页中可以设置有关原理图、制作原理图元件的多种选项,如下图所示:
图2-10参数选择对话框的杂项选项页
“SchematicPageEditor”选项框用于原理图的设置;“PartandSymbolEditor”选项框用于原理图元件的制作的设置等等选项框。
在原理图和原理图元件制作的选项中,都有“FillStyle”和“LineStyleand”选项,它们分别用于图形填充块和线型的设置;“JunctionDot”用于连接点的设置;“SessionLog”选项框的“Font”用于项目管理器和记录器字体的设置;“TextRendering”选项栏用于设置是否以加框的方式显示TrueType字体,以及是否填充;“AutoRecovery”选项框用于设置是否进行自动保存,以及自动保存的时间间隔;“AutoReference”选项框用于设置是否进行元件的自动编号,以及拷贝时是否把元件编号一并拷贝过去;“IntertoolCommunication”选项用于设置是否与其它Cadence软件进行交互操作(我们常常要与PCB软件进行交互操作,该选项应该选中);“WireDrag”选项栏用于设置是否因接线改变而移动。
在Preferences对话框中,还有“TextEditor”、“Panandzoom”、“Select”和“BoardSimulation”选项页,一般可以按照默认的设置,在此就不介绍了。
4.图纸幅面设置
在OrCADCaptureCIS的菜单栏中,点击“Options→SchematicPageProperties…”菜单项,将弹出如下对话框:
图2-11原理图属性对话框的图纸幅面尺寸选项页
如图2-11所示,在图纸幅面尺寸选项页中,可以设置图纸幅面尺寸所用的长度计量单位,如果选用毫米为单位,则图纸的选项是A2、A3、A4等系列图纸;如果选用英寸为单位,则图纸的选项是A、B、C等系列图纸。
我们在原理图中通常是采用毫米为单位,这样便于和打印机相匹配。
同时我们还可以选择“Custom”选项,自己设定图纸的大小。
我们还可以进行图纸区块的设置,所谓区块类似某些城市地图,把城市划分成多个矩形区块,并给每个区块,按照一定的次序进行命名,如:
C3、D5等。
选择“GridReference”选项卡,如下图所示:
图2-12原理图属性对话框的区块设置选项页
如图2-12所示,在区块设置选项页中,可以进行水平方向和垂直方向的设置。
“Count”是某一个方向上区块的数目。
区块可以选择“Alphabetic”,按照字母进行排列,也可以选择“Numeric”,按照数字进行排列(通常在水平和垂直两个方向上,一个选择按字母排列、另一个选择按数字排列)。
区块还可以按照升序或降序进行排列。
“Width”栏目用于设置区块显示部分的宽度,如果该值为0,则等于不显示区块了。
在该选项页中,“TitleBlockVissible”选项用于设置是否显示标题栏;“BorderVisible”用于设置是否显示边框;“GridReferenceVisible”用于设置是否显示区块。
5.打印设置
进行打印设置可以点击“File→Print…”菜单项,这时会弹出如下对话框:
图2-13打印对话框
如图2-13所示,在打印对话框中,“Scale”选项框是指示打印比例的,“Scaletopapersize”选项将把电路图打印在一张图纸上;“Scaletopagesize”选项可能会把电路图打印在多张图纸上;“Scaling”选项用于设置打印比例。
“Printoffsets”选项框用于设置打印纸的偏移量。
“Printquality”选项用于设置每英寸打印的点数;“Copies”选项用于设置打印的份数;“Printtofile”选项用于把电路图打印到文件中;“Printallcolorsinblack”选项用于强制用黑白方式打印。
6.设置设计模板
设置设计模板是在打开新图纸时,按照预定的设置产生新的图纸,点击“Options→DesignTemplate…”菜单项,出现如下对话框:
图2-14DesignTemplate对话框的字体选项页
如图2-11所示,首先我们可以在“Fonts”选项页中,进行图纸上各种元素的字体设置。
如果我们在DesignTemplate对话框中选择“TitleBlock”选项页,可以进行标题栏的设置,如下图所示:
图2-15DesignTemplate对话框的标题栏选项页
如图2-15所示,在标题栏选项页中,“Title”选项用于设置标题栏上的图纸名称;“OrganizationName”用于设置标题栏上的公司名称;“Organization”用于设置公司地址;“DocumentNumber”用于设置标题栏上的文件编号;“Revision”用于设置标题栏上的文件版本号;“Symbol”选项框中的两个栏目分别用于设置标题栏文件的存储位置和文件名。
如果我们在DesignTemplate对话框中,选择“Hierarchy”选项页,可以进行层次原理图的设置,如下图所示:
图2-16DesignTemplate对话框的层次图选项页
如图2-16所示,层次图选项页由两个选项框构成,分别设置层次图中电路方块和元件的属性。
“Primitive”选项表示为基本元件;“Nonprimitive”表示为非基本元件。
非基本元件是指内部还含有下层电路图的元件;基本元件是指简单元件。
在DesignTemplate对话框中还包括“PageSize”、“GridReference”两个选项页,它们分别以模板形式设置图纸幅面尺寸和区块,这与前面讲解的基本相同,这里就不多赘述了。
在DesignTemplate对话框中还包括“SDTcompatibility”选项页用于与早期的版本相兼容的设置,在此就不介绍了。
2.3STC单片机下载电路分析
前面说过,我们的第一个设计将围绕一个STC系列单片机下载器电路展开,为了让同学们不仅掌握Cadence软件的使用,而且在此过程中学会电路设计的基本技能,所以我们把该电路进行一番分析。
一.串行下载电路分析
STC系列单片机都是采用串行方式进行下载编程的,而不是像其它单片机那样,使用编程器进行程序的烧录。
在宏晶科技公司所给的STC单片机的技术资料中,给出了如下的单片机下载电路图:
图2-17STC系列单片机下载电路示意图
如图2-17所示,STC单片机下载电路是通过单片机的Rxd(P3.0)和Txd(P3.1)两个引脚实现下载功能的。
在下载时,单片机应该处于工作状态,所以单片机的时钟电路和复位电路应该能够正常工作。
实际上,STC单片机每次上电复位时,都要检测Rxd引脚上是否有进行下载的数据流,如果有下载的数据流,就进行下载工作;如果没检测到下载数据流,就运行单片机中原有的程序。
在上述电路中,单片机与PC机的连接是通过MAX232(或与之兼容的)芯片进行连接的,该芯片完成RS-232电平信号与TTL电平信号的转换。
因为PC机串行接口上的信号是RS-232电平信号,而单片机上的信号都是TTL信号。
上述电路有两点不足:
一是利用PC机的串行口进行下载,目前多数笔记本电脑都没有串行口了,即使是台式电脑,该电路还另外需要直流电源,使用起来有些不便。
二是STC系列单片机的电源电压有5V和3.3V两种,而该电路不能灵活适应,给应用带来局限性。
二.USB转串口电路分析
由于目前USB接口是每台PC机(不管是台式机、还是笔记本)必有的标准配置,而且PC机的USB接口还可以为下载电路提供电源。
所以我们考虑将USB接口的信号经过转换,形成UART口信号,连接到单片机的Rxd(P3.0)和Txd(P3.1)两个引脚上。
这样就解决了笔记本电脑没有串行口的问题,也解决了下载电路的电源问题。
进行USB信号到UART信号转换的芯片有很多种,我们选用南京沁恒公司开发的CH341T芯片,我们可以登录南京沁恒公司的网站(),下载CH341芯片的资料。
从设计PCB板的角度,我们关心的是该芯片的管脚编号、管脚的类型以及芯片的封装形式。
它具有简单、可靠的优点。
它的引脚图如下:
图2-18CH341芯片引脚图
如图2-18所示,CH341芯片是一个20引脚的芯片,下面我们解释一下各个引脚的功能:
名称
引脚号
引脚类型
说明
VCC
13、20
电源
5V电源引脚
GND
11、12
电源
地线
V3
6
电源
在3.3V电源电压时连接VCC输入外部电源,在5V电源电压时外接容量为0.01uF退耦电容。
XI
9
输入
晶体振荡的输入端,需要外接晶体及振荡电容
XO
10
输出
晶体振荡的反相输出端,需要外接晶体及振荡电容
UD+
7
双向
直接连到USB总线的D+数据线
UD-
8
双向
直接连到USB总线的D-数据线
ACT#
1
输出
USB设备配置完成状态输出,低电平有效
SCL
16
开漏输出
芯片功能配置输出,内置上拉电阻,可以接串行EEPROM配置芯片的SCL引脚
SDA
15
开漏输出及输入
芯片功能配置输入,内置上拉电阻,可以接串行EEPROM配置芯片的SDA引脚
TXD
3
输出
串行数据输出
RXD
4
输入
串行数据输入,内置上拉电阻
TEN#
19
输入
串口发送使能,低电平有效,内置上拉电阻
RDY#
17
输出
串口接收就绪,低电平有效
TNOW
18
输出
串口发送正在进行的状态指示,高电平有效
ROV#
2
三态输出
串口接收缓冲区溢出,低电平有效
INT#
5
输入
自定义中断请求,上升沿有效,内置上拉电阻
SLP#
14
三态输出
睡眠状态输出信号,低电平有效
表2-1CH341T引脚功能
利用CH341T芯片,可以把USB信号转换成UART信号或I2C信号,CH341的具体功能由复位后的SCL引脚和SDA引脚配置芯片的功能:
如果SDA悬空、SCL也悬空,则完成USB转异步串口,仿真计算机串口的功能。
CH341T芯片的XI和XO应分别接晶振的两端;UD+和UD-分别接USB接口的D+和D-引脚;ACT#通常接发光管,来指示CH341T芯片已完成配置工作;TXD引脚接单片机的RXD引脚;RXD引脚接单片机的TXD引脚;TEN#接低电平。
其它功能引脚一般可以悬空。
其典型电路如下:
图2-19利用CH341T芯片进行USB转UART口电路图
三.电源电路分析
前面说过,利用USB接口可以为下载电路提供电源,不过USB接口只提供5V电源电压,可是USB单片机既有5V电源的,也有3.3V电源的。
所以在我们的下载电路中,设计了一个用来降压的稳压集成块1117芯片,由它的输出产生3.3V的电源电压。
提供给单片机的电源信号,或为5V或为3.3V,由一个三脚跳线进行切换。
另外,在给单片机开始下载之前,CH341T就必须供电,而此时还不能给单片机供电。
这时PC机通过CH341T不断给单片机发送下载数据流,然后给单片机进行上电复位(即给单片机加电),所以我们的下载电路还需要一个按键开关,按下开关后,才能让电源信号传递给单片机。
电源电路如下图所示:
图2-20STC单片机下载电路中的电源电路
如图2-20所示,在下载电路的电源电路中,1117芯片用于产生3.3V电源电压。
通过三脚跳线选择5V或3.3V供给单片机,在我们的电路中,其实只需要一个单刀单掷的按键开关,可是常见的按键开关都是双刀双掷的,所以我们也选用双刀双掷的按键开关,只不过把不用的引脚悬空而已。
另外为了保护PC机的USB接口,我们把USB接口输入的5V电源信号与下载电路上的5V电源信号通过2Ω电阻进行隔离,避免因下载电路发生短路而烧毁PC机的USB接口。
我们考虑在下载电路板上安排一个40脚的锁紧插座,用于给DIP-40封装的单片机芯片进行下载编程,于是还需使单片机工作的复位电路和晶振电路。
另外为了给其它STC系列单片机进行在线下载编程,我们还在电路板上安置一个3脚插座,引出TXD、RXD和地线,即输出CH341T产生的UART口信号。
2.4原理图设计的基本操作
从这一节我们开始STC系列单片机下载电路板的原理图设计,在这个电路板上主要的元器件包括:
STC单片机(锁紧插座)、CH341T芯片、1117芯片、按键开关、跳线装置、USB接口、UART接口以及其它辅助元器件。
在这里要对单片机进行说明:
我们在制作下载电路板时,在该板上并不放置单片机,实际放置的是一个40脚锁紧插座。
当我们使用该电路板给DIP-40封装形式的STC单片机进行下载编程时,就把它放入缩进插座,并与辅助电路一起构成单片机系统,从而可以进行下载。
由于40脚锁紧插座的管脚与DIP-40封装形式STC单片机的管脚一一对应,而单片机的各个管脚都有对应的名称,从而便于在原理图上的连接与分辨,于是在我们的电路图中,就用单片机元件替代锁紧插座元件。
一.元件库的加载
下面我们首先放置STC单片机芯片及其附属电路(包括晶振电路和复位电路)。
OrCADCaptureCIS软件向我们提供了许多原理图元件,所以一些常见的元件如:
电阻、电容、单片机、石英晶体等,它们被放在一些元件库文件中,我们可以加载这些元件库,然后再把相应的元件放到原理图上。
第一步我们要加载单片机元件所在的元件库文件,点击“Place→Part”,这是“PlacePart”窗体会显现出来,如下图所示:
图2-21PlacePart窗口
图2-21的左半部是PlacePart窗口刚刚显示的状态,我们看到在“Libraries”的栏目中只有“DesignCache”一项,而这项中并没有任何元件。
因为我们是初次接触OrCADCaptureCIS软件还不很清楚各种元器件位于什么元件库中,所以就从查找元件开始。
先查找单片机元件,我们知道STC单片机是51系列单片机的后代,其DIP-40封装的单片机芯片与早期的8051芯片是引脚兼容的,所以我们就应该点击“SearchforPart”按键,这时PlacePart窗口变成图2-21的右半部的样子。
在“Searchfor”栏目中键入“8051”,再按下回车键,就会开始查找工作,在找到该元件所在的库文件后,选中该库文件,再点击“ADD”按键,就可以加载8051芯片所在的“MICROCONTROLLER”库文件了。
我们知道,单片机必须有时钟振荡信号才能工作,因此还单片机还必须与石英晶体、电容相连;另外单片机芯片还需要复位电路才能工作,需要电阻、电容元件,因此我们还需要把这些元件所在的库文件加载进来。
这次我们不进行查找了,而直接加入库文件:
点击“Libraries”栏目上的库文件浏览图标,弹出如下对话框:
图2-22库文件加载对话框
电阻、电容、石英晶体等元器件都位于“Discrete”库文件中,点击该项,将“Discrete”元件库文件加载进来。
二.元件的放置
下面要在原理图上放置元件,放置8051芯片、石英晶体各一个,石英晶体旁边放置两个电容(准备构成单片机的晶振电路),在图纸的另外一处放置一个电阻和电容(准备构成单片机的上电复位电路)。
其中电容选择CAPUP元件、石英晶体选择CRYSTAL元件、电阻选择R2元件。
放置时,首先在“PartList”列表中选择元件,点击PlacePart窗口上的
图标(或键入回车键)后,在鼠标上就会沾上一个元件,我们把鼠标移到原理图中相应的位置,按下鼠标左键,就把元件放在了原理图上;如果放弃放置,按下“Esc”键即可。
在原理图中,图纸的放大、缩小可以用工具栏上对应的图标来进行,也可以用按键来进行:
按下“i”键,图纸放大;按下“o”键图纸缩小。
要删除在原理图中的元件,可以首先点击该元件,选中它,然后按下“delete”键进行删除;要移动某个元件,可以用鼠标直接拖动;要去除元件的拖动状态,用鼠标在原理图的空白处,点击一下就行了;要选中多个元件,可以在按着“ctrl”键时,用鼠标点击多个元件,这样就可以选中多个元件,也可以用鼠标拖出一个矩形,则矩形体内的元件就都被选中了,在这之后,可以对选中的多个元件进行移动、复制等工作。
要旋转某个元件时,可以先选中它,然后按下“r”键,这时所选中的元件,就会逆时针旋转90°;有时还希望吧元件进行左右(或上下)镜像对调,这时可以先选择某个元件,然后用鼠标右键点击该元件,在弹出的菜单项中选择“MirrorHorizontally”(或“MirrorVertically”)项,就可以完成元件的镜像对调。
上述元件放置好以后,我们把电容和石英晶体的标称值进行修改。
原本电容、石英晶体上的标称值与其元件的名称是一致的,电容都是“CAPUP”,石英晶体是“CRYSTAL”,电阻是R2。
我们把石英晶体的标称值改成石英晶体的振荡频率值(单片机电路的石英晶体频率值为11.0592MHz);石英晶体边上的两个电容值改成“47pF”;另一个电容值改为“1uF”,电阻值改成“10k”。
另外把单片机的标称值改成“STC89C5x”。
修改的方法是:
用鼠标双击元件的标称值,则弹出如下对话框:
图2-23修改标称值
在“Value”中栏目进行修改,点击“O
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