PCB电子系统设计
摘要：随着技术的进步，电子系统的设计对自动化程度的要求越来越高。然而将自己设计的半定制电路芯片加入到PCB板的设计中，仍是一件十分繁琐的工作。针对这一问题提出了一种解决方法，大大减少了工作量，提高了效率，从而对缩短电子系统设计周期、提高设计自动化程度起到了积极作用。
关键词：电子系统 开发周期 ＡＬＴＥＲＡ ＰＲＯＴＥＬ
自集成电路从60年代出现以来，随着它在速度、规模和价格上取得了令人瞩目的飞跃，电子系统也得到了快速发展。进入90年代，电子信息类产品的开发明显地出现了两个特点：一是开发产品的复杂程度加深；二是开发产品的上市时限紧迫。所谓开发产品的复杂程度深是指设计者往往要将更多的功能、更高的性能和更丰富的技术含量集成于所开发的电子系统之中。目前的趋势是系统集成（ｓｙｓｔｅｍｏｎ ａ ｃｈｉｐ或ｃｈｉｐ ｉｎ ｓｙｓｔｅｍ）。所谓产品开发的时限性，是指在产品的寿命期间应让产品早日上市。从市场的角度开发应市的新产品应该做到使产品无延误地投放市场。市场学中的一种市场窗口，从图中可以看出，减少延误、缩短系统开发周期以及尽早推出产品上市是十分重要的。
由于电子系统复杂且具有上市的时限性，因此手工设计无法完成。只有采用EDA（电子设计自动化）设计方式，从手工设计过渡到自动设计，将大量繁重、重复性的工作交给计算机去完成。因而，提高EDA方法的自动化程度，缩短整体EDA设计周期，具有十分重要的意义。
1 目前电子系统设计开发EDA方法中瓶颈问题的讨论
典型的电子系统的制造周期中包含以下几个步骤：系统规划、功能设计、逻辑设计、电路设计、设计验证、生产制作、测试调试。归纳起来可划为三个主要阶段：设计阶段、生产制作阶段与测试阶段。
进行电路设计时，首先要选择使用的电子器件。由于系统的复杂性加深，分立器件已经不能满足对设计的精度和质量的要求，应采用集成电路进行设计。电子系统中所使用的集成电路，一般来说有三种芯片可供选择：全定制电路芯片、半定制电路芯片、通用电路芯片。全定制电路芯片完全由设计者自己开发设计，集成度高，可以针对所设计的电子系统进行优化，使性能达到最优，但是其芯片设计、制作的成本都比较高，并且设计开发的周期较长，所以全定制电路芯片一般只用于大规模生产中，在电子系统的设计开发过程中不使用全定制电路芯片。对于半定制电路芯片，设计者不需从头设计，只需将所需功能用开发系统“写”入半定制电路芯片，如ＥＰＬＤ、ＣＰＬＤ、ＦＰＧＡ等。因而在性能上虽然不能达到最优，但是设计制作的成本较低，开发周期短，比较适合于在电子系统的设计开发中使用。而通用电路芯片，特别是ＳＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、Ｅ2ＰＲＯＭ等，由于价格便宜，使用方便，也广泛地应用于电子系统的设计、生产过程中。
因此，在电子系统的设计开发过程中，主要考虑使用半定制电路芯片和通用电路芯片。在电子系统规模较大的情况下，如果在开发设计过程中全部使用或者主要依赖于通用电路芯片，则设计出的PCB板会规模非常大，并且整个系统的集成度很差，同时性能下降，可靠性降低。如果对电子产品的设计开发采用半定制电路芯片，由设计者自行规定器件的逻辑功能，可将大量的电路功能集成到一个单芯片中，从而提高了系统的集成度和可靠性。然而半定制电路芯片的制作成本比通用电路芯片的成本高得多，例如，同样是使用上百万门的存储器电路，将此部分电路集成到半定制电路芯片中，比直接使用ＲＯＭ或ＲＡＭ通用电路芯片的花费高几十倍。所以，要同时考虑性能、集成度和开发成本这些相互矛盾的因素，并最终取得相对最优的结果。可见电子系统的设计开发应该采取半定制电路芯片与通用电路芯片配合使用的方法。
综上所述，电子系统设计开发的一般过程是：
（1）系统规划，功能设计。
（2）逻辑设计，并进行逻辑模拟。
（3）电路设计。根据系统的规模、复杂度选择所使用的元器件。在设计开发的过程中，要缩短设计周期，降低开发成本，主要选择半定制电路和通用的元器件。根据电路的逻辑功能，同时考虑系统集成度和设计成本，确定将哪些电路功能集成到半定制电路芯片中，哪些电路功能可直接采用通用元器件芯片。
（4）设计半定制电路芯片。
（5）设计印制电路板。将自己设计的半定制电路芯片与通用电路芯片组合成完整的电路，设计印制电路板。
（6）制作印制电路板，完成整个系统的制作。
（7）测试调试，并最终形成设计开发的新产品，推向市场。
在现在的技术条件下，EDA设计方式已经比较成熟，从逻辑分析模拟到半定制电路设计、印制电路板设计，都有专门的软件来完成。随着ＰＬＤ、ＦＰＧＡ技术、以及PCB板自动布局、布线技术的发展，半定制电路设计、PCB板设计已实现了较高程度的自动化，可以简单、迅速地完成设计任务。然而将自己设计的半定制电路芯片与通用电路芯片组合成完整电路输入到PCB板的设计软件中去设计PCB板，这一步基本上是手工操作，做起来相当繁琐。例如，使用软件ＡＬＴＥＲＡ进行半定制电路芯片的设计，使用软件ＰＲＯＴＥＬ进行印制电路板的设计。虽然其最新版本（Ｐｒｏｔｅｌ98、99）中包含了ＡＬＴＥＲＡ的元件库，但由于半定制电路芯片都是自己设计的，管腿功能和名称不可能统一，所以即使ＰＲＯＴＥＬ中有ＡＬＴＥＲＡ的元件库，仍然不实用。通常的做法是先在ＰＲＯＴＥＬ的元件库中建立或编辑修改芯片的原型，然后使用。而且由于自己设计的半定制电路芯片互不相同，所以对每一个芯片都需要在库中建立修改它的原型；另一方面，半定制电路芯片的管腿很多（一般都有几十个甚至上百个管腿），并且在很多情况下库中所建芯片原型只使用少数几次。建库完成后，还需进行Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ式设计绘制电路原理图。因而这种通常的做法费时费力，效率非常低，已成为制约提高电子产品开发速度的一个瓶颈，具有非常大的改进余地。
2 接口软件Ｐｏｒｔ
解决这一瓶颈问题，就要将手工作业部分变为自动。解决方案就是在半定制电路设计与印制电路板设计之间用软件自动接口，使设计好的半定制电路芯片能够直接用于PCB板的设计，从而省去繁琐的建库操作，实现从半定制电路设计到印制电路板设计的自动化。
以ＡＬＴＥＲＡ（半定制电路设计软件）和ＰＲＯＴＥＬ（PCB板设计软件）为例，编写ＡＬＴＥＲＡ与ＰＲＯＴＥＬ之间的接口软件Ｐｏｒｔ，来完成自动输入。设计中对瓶颈问题的改进。
使用ＰＲＯＴＥＬ进行PCB设计的步骤是：首先使用Ｐｒｏｔｅｌ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ进行电气原理设计，即用电气图形符号编辑器（ＳｃｈｅｍａｔｉｃＬｉｂｒａｒｙ Ｅｄｉｔｏｒ）制作、编辑和管理元器件的图形符号库，用电气原理图编辑器（Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ Ｓｈｅｅｔ Ｅｄｉｔｏｒ）制作、编辑和检查符合电气设计方案的原理图；然后利用编辑好的原理图生成电气连接网络表，以此与PCB设计及其他EDA工具（ＳＰＩＣＥ、ＥＥｓｏｆ、Ｘｉｌｉｎｘ、ＯｒＣＡＤ等）有机地连接。由此可见，ＰｒｏｔｅｌＳｃｈｅｍａｔｉｃ依靠电气连接网络表进行数据传输，因此可以考虑跳过Ｐｒｏｔｅｌ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ Ｓｈｅｅｔ Ｅｄｉｔｏｒ绘制电气原理图部分，直接产生用于其他EDA工具的电气连接网络表。接口软件Ｐｏｒｔ能直接生成整个电子系统的元器件连接网络表，作为Ｐｒｏｔｅｌ PCB设计的输入文件，而跳过了Ｐｒｏｔｅｌ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ绘制原理图的部分。由于现在接口软件Ｐｏｒｔ主要为PCB设计服务，所以编写Ｐｏｒｔ时只考虑了生成用于PCB设计的电气连接网络表，但是仍保留了与其他EDA工具（如ＳＰＩＣＥ、ＥＥｓｏｆ等）传递数据的接口。
接口软件Ｐｏｒｔ以Ｃ＋＋作为编程语言，采用Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋ 6．0作为编程的工作平台，是标准的Ｗｉｎｄｏｗｓ多文档应用程序，可以同时编辑多个电气连接网络表。能够非常方便地处理半定制电路芯片和通用电路芯片，并且对连接网络表提供了很强大的修改、整理以及统计的功能。下面详细介绍接口软件Ｐｏｒｔ的使用。
首先，对于自己设计的半定制电路芯片，直接利用ＡＬＴＥＲＡ的设计结果。通过对话框（如图3所示）调用ＡＬＴＥＲＡ的输出文件，将自己设计的半定制电路芯片加入到网络连接表中，省去了对半定制电路芯片建库的工作。另外，如果需要更改半定制电路芯片的管腿名，可通过复选框的设定来打开对话框，进行管腿名的修改。
其次，同样可以将通用电路芯片加入到网络连接表中。对于通用电路芯片，通过库的形式进行处理，调用库编辑对话框将库中的元器件加入网络表。库编辑对话框上半部分是对库进行处理，列表框显示内存中的元件库，按钮Ａｄｄ和Ｒｅｍｏｖｅ的功能分别是将库加入内存和从内存中剔除库，按钮ＮｅｗＬｉｂ是建立新的库。下半部分是对库中的元器件进行处理，列表框显示选中元件库中所包含的元器件，右侧的一排按钮对选中的元件进行操作，其功能如下：
按钮Ａｄｄ ｔｏ Ｎｅｔ：打开添加通用电路芯片对话框，通过输入网络名称，即将选中的元件加入到网络连接表。
按钮Ａｐｐｅｎｄ ａ Ｎｅｗ和Ａｐｐｅｎｄ ａ Ｃｏｐｙ：打开库元件编辑对话框，通过填写对话框中的各项内容，实现向所选库中增加期望的新元件。
按钮Ｍｏｄｉｆｙ Ｃｏｍｐ：打开库元件编辑对话框，修改选中的元件。
按钮Ｒｅｍｏｖｅ Ｃｏｍｐ：从库中永久性地删除所选中的元件。
通过图3和图5所示的对话框可简单快捷地将电路设计中所用到的半定制电路芯片与通用电路芯片构造成完整的电气连接网络表，供Ｐｒｏｔｅｌ PCB设计自动布局、布线使用。如此可非常容易地完成Ｐｒｏｔｅｌ PCB设计的输入工作，实现从半定制电路设计到PCB设计的自动化。
此外，为使用方便，接口软件Ｐｏｒｔ还提供对网络连接表进行检查、修改、整理的功能。可以对网络连接表中多余的元器件进行删除；对输入错误的元器件进行修改；对选择错误的元器件进行替换。如果要查询元器件的连接关系，打开对话框（如图7所示），可方便地显示出元器件的管腿连接，而且通过单击按钮ＩｎｐｕｔＡ Ｆｉｌｅ可以调用ＭｉｃｒｏＳｏｆｔ Ｏｆｆｉｃｅ97中的Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｅｘｃｅｌ，将元件的连接关系自动生成Ｅｘｃｅｌ文件，为制作设计报告提供方便。
3 效果分析
对使用和不使用接口软件Ｐｏｒｔ的情况进行了比较。以所设计开发的某电子设备主机板（所使用的元件包括自己设计的半定制电路芯片和通用电路）为例，不使用此接口软件，对于将电路连接输入到Ｐｒｏｔｅｌ中的工作，需要首先在Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ的元件库中建立六个半定制电路芯片的原型，每个芯片有８4个管脚；然后将半定制电路芯片与通用电路芯片结合在一起画出电路原理图，再产生系统的电气网络连接表，以便据此进行PCB板的自动布局、布线。整个工作需要花费一周的时间。而如果使用接口软件，可直接利用ＡＬＴＥＲＡ的输出文件和元件库生成电路的网络连接表，省去了建立半定制电路芯片的元件库以及绘制电路原理图的工作。如此，整个工作只需一天的时间就可完成，大大缩短了设计开发周期，提高了设计的自动化程度。
实践证明，接口软件Ｐｏｒｔ可以完成电气原理设计软件Ｐｒｏｔｅｌ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ的功能，顶替之用于电子系统的设计，确实改善了Ｐｒｏｔｅｌ PCB设计输入繁琐的问题，效果良好，对缩短电子系统设计开发周期、提高设计自动化程度起到了积极的作用，消除了其中的瓶颈。