利用Altium Designer進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)—以火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)為例

井田，王宜結(jié)，苗永輝

（淮南師范學(xué)院 電子工程學(xué)院，安徽淮南，232001）

PCB（Printed Circuit Board），中文名稱為印制電路板，簡(jiǎn)稱印制板，是電子工業(yè)的重要部件之一。它是電子元器件的支撐體和電子元器件電氣連接的提供者。幾乎每種電子設(shè)備，小到電子手表、計(jì)算器，大到計(jì)算機(jī)、通信電子設(shè)備、軍用武器系統(tǒng)，只要有集成電路等電子元器件，都要使用PCB[1]。掌握PCB制造工藝已經(jīng)成為電子信息類學(xué)生必須掌握的一門技術(shù)，也是現(xiàn)代工科學(xué)生就業(yè)的一個(gè)基本條件?；馂?zāi)預(yù)警系統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)，電路原理難易適中，涉及單片機(jī)、傳感器原理、電路原理等多門課程的融匯教學(xué)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力[2]。

1 火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)電路原理圖設(shè)計(jì)

Altium Designer是Altium 公司推出的一種電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化設(shè)計(jì)軟件，結(jié)合電路圖設(shè)計(jì)、PCB繪制編輯、電路仿真、FPGA應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)等技術(shù)，為用戶提供了全線的設(shè)計(jì)解決方案，大大提高了各種復(fù)雜電子電路設(shè)計(jì)工作的效率[3]。Altium Designer采用項(xiàng)目式文檔管理，首先要新建PCB項(xiàng)目文件（＊.PrjPcb），然后依次添加原理圖文檔（＊.SchDoc）、PCB文檔（＊.PcbDoc）、原理圖庫(kù)文(＊.SchLib)和PCB庫(kù)文檔(＊.PcbLib)。具體的設(shè)計(jì)過(guò)程是通過(guò)編輯項(xiàng)目中對(duì)應(yīng)的文檔來(lái)完成的。通過(guò)使用這個(gè)軟件，學(xué)生可以利用自己的個(gè)人電腦進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)。

利用Altium Designer提供的原理圖文檔可以實(shí)現(xiàn)原理圖的編輯和繪制。通過(guò)原理圖文檔的編輯，不僅可以實(shí)現(xiàn)電路原理圖設(shè)計(jì)，還可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)表生成、原理圖輸出、元器件清單列表生成等功能，為PCB設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。對(duì)于規(guī)模較大的設(shè)計(jì)項(xiàng)目，還支持層次原理圖設(shè)計(jì)，即將項(xiàng)目細(xì)分為子項(xiàng)目，并利用子圖符號(hào)（Sheet Symbol）和子圖入口（Sheet Entry）實(shí)現(xiàn)子項(xiàng)目的原理圖繪制和電氣連接。

本文設(shè)計(jì)的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)是基于單片機(jī)和傳感器的[4]，主要包括了單片機(jī)最小系統(tǒng)和溫度、煙霧數(shù)據(jù)采集模塊以及聲光報(bào)警模塊和上位機(jī)串口通信模塊，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化思想，可以通過(guò)添加外部設(shè)備的方式，方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的擴(kuò)展。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

利用Altium Designer進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)主要步驟和方法如下：

(1)為項(xiàng)目添加原理圖文檔：鼠標(biāo)右鍵單擊項(xiàng)目文件→添加新的原理圖文檔。

(2)設(shè)置圖紙規(guī)格：鼠標(biāo)右鍵單擊原理圖文檔編輯窗口→選項(xiàng)→文檔選項(xiàng)，進(jìn)行相應(yīng)屬性設(shè)置。

(3)加載元件庫(kù)：鼠標(biāo)左鍵單擊“設(shè)計(jì)”菜單→添加/移除庫(kù)，進(jìn)行的庫(kù)的添加和移除等操作。

(4)放置元器件：鼠標(biāo)左鍵單擊“放置”菜單→選擇相應(yīng)繪圖對(duì)象進(jìn)行放置。

(5)原理圖的編輯與調(diào)整：按照電路連接對(duì)原件進(jìn)行擺放和位置調(diào)整，通過(guò)導(dǎo)線、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)、端口等進(jìn)行電氣相連。

(6)原理圖的檢查：鼠標(biāo)左鍵單擊“項(xiàng)目”菜單→編譯某個(gè)原理圖文檔或者是對(duì)當(dāng)前項(xiàng)目中所有原理圖文檔進(jìn)行編譯，直至沒(méi)有電氣規(guī)則錯(cuò)誤。

(7)相關(guān)報(bào)表的生成：鼠標(biāo)左鍵單擊“報(bào)告”菜單→選擇菜單項(xiàng)進(jìn)行對(duì)應(yīng)格式的文檔輸出。

根據(jù)以上步驟，繪制電路原理圖如圖2～圖5所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

圖3 煙霧探測(cè)模塊

圖4 溫度檢測(cè)模塊

圖5 聲光報(bào)警模塊

雖然Altium Designer提供了從原理圖更新到PCB的功能，不再需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)表加載的形式設(shè)計(jì)PCB文檔，還是建議設(shè)計(jì)者根據(jù)電路原理圖生成網(wǎng)絡(luò)表。因?yàn)楫?dāng)從原理圖更新到PCB不成功或者更新不完全的時(shí)候，我們往往需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)表去查找問(wèn)題。比如更新之后，我們發(fā)現(xiàn)原本應(yīng)該相連的焊盤之間沒(méi)有產(chǎn)生飛線，這時(shí)候去查看網(wǎng)絡(luò)表，會(huì)發(fā)現(xiàn)一定沒(méi)有產(chǎn)生相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，再去檢查電路原理圖中對(duì)應(yīng)部分，則可能是將畫(huà)線工具誤認(rèn)為是導(dǎo)線工具使用，導(dǎo)致引腳之間沒(méi)有電氣相連，而這種問(wèn)題具有很強(qiáng)的隱蔽性，對(duì)原理圖進(jìn)行編譯通常也不會(huì)報(bào)錯(cuò)。再比如更新之后，某個(gè)原件沒(méi)有封裝與之對(duì)應(yīng)，查看網(wǎng)絡(luò)表會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)原件的封裝一定是漏設(shè)置了?？傊?，網(wǎng)絡(luò)表既是對(duì)電路原理圖如實(shí)的反映，更是連接電路原理圖和PCB圖的橋梁，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)表可以查看各元件編號(hào)、參數(shù)是否正確，封裝是否合適，元件之間的網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系是否正確等。

2 火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)PCB設(shè)計(jì)

利用Altium Designer進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)主要步驟和方法如下：

(1)為項(xiàng)目添加PCB文檔：鼠標(biāo)右鍵單擊項(xiàng)目文件→添加新的PCB文檔。

(2)設(shè)置板層和顏色：鼠標(biāo)右鍵單擊PCB文檔編輯窗口→選項(xiàng)→板層和顏色，根據(jù)需要進(jìn)行板層的選擇，不建議對(duì)板層顏色進(jìn)行修改，保留默認(rèn)設(shè)置即可。

(3)電氣邊框和機(jī)械邊框的規(guī)劃：分別選擇禁止布線層和機(jī)械層，利用畫(huà)線工具進(jìn)行電氣邊框和機(jī)械邊框的繪制，也可用電氣邊框代替機(jī)械邊框。

(4)原理圖更新到PCB文檔：鼠標(biāo)左鍵單擊“設(shè)計(jì)”菜單→更新原理圖到PCB，如果PCB文檔沒(méi)有保存，則沒(méi)有更新菜單項(xiàng)。

(5)手動(dòng)布局元件，自動(dòng)布線，手動(dòng)調(diào)整布線。

根據(jù)以上步驟和鋪銅操作后，得到PCB頂層走線圖和底層走線圖分別如圖6、圖7所示。

圖6 頂層信號(hào)層

圖7 底層信號(hào)層

電氣邊框的規(guī)劃，首先要根據(jù)板材尺寸正確設(shè)置鎖定網(wǎng)格規(guī)格，比如板材尺寸要精確到10mil，那鎖定網(wǎng)格必須設(shè)置成10mil，否則無(wú)法精確規(guī)劃電路板尺寸。鎖定網(wǎng)格較小，會(huì)使得繪制較大尺寸的電氣邊框變得麻煩，可以通過(guò)靈活切換視圖解決這個(gè)問(wèn)題。當(dāng)需要走線的時(shí)候，將視圖縮小，可以實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)畫(huà)線工具的效果，快到邊框邊緣拐角處時(shí)，將視圖放大，可以精確定位畫(huà)線工具，從而實(shí)現(xiàn)快速繪制大尺寸高精度的電氣邊框。為了方便定位操作，在規(guī)劃之前應(yīng)先設(shè)置參考點(diǎn)，這樣在任何時(shí)刻可以通過(guò)ctrl+end組合鍵回到參考點(diǎn)[5]。

3 曝光法制作PCB

手工制作PCB板的常用方法是熱轉(zhuǎn)印法和曝光法。熱轉(zhuǎn)印法利用熱轉(zhuǎn)印機(jī)將打印在熱轉(zhuǎn)印紙上的電路圖轉(zhuǎn)印到覆銅板上，受熱不均勻或者受熱不充分，會(huì)導(dǎo)致電路圖缺失，需要后期用碳素筆手工繪制加以補(bǔ)充。曝光法利用光的直射原理，將電路圖精準(zhǔn)轉(zhuǎn)印到覆銅板上，可以制作出高精確度的PCB，本文中采用曝光法制作PCB。

圖8 底層膠片

圖9 底層顯影

曝光法制作PCB的詳細(xì)步驟如下：

(1)將畫(huà)好的PCB圖打印在菲林膠片上。頂層信號(hào)層在曝光過(guò)程中經(jīng)過(guò)一次鏡像轉(zhuǎn)印，因此應(yīng)該生成鏡像圖用來(lái)打印膠片。底層信號(hào)層為了和頂層信號(hào)層的原件和走線相匹配，本身需要的就是鏡像效果，所以底層信號(hào)層除文字之外的所有內(nèi)容應(yīng)該用原像來(lái)打印膠片[6]。

(2)清洗、打磨雙面覆銅板，裁切、粘貼感光膜。清洗、打磨掉覆銅板表面

的油污和銹漬，可以讓感光膜更服帖，曝光和轉(zhuǎn)印效果更好，是制作PCB的必要步驟。可以借助熱轉(zhuǎn)印機(jī)貼感光膜，以防止有氣泡，產(chǎn)生光線折射，影響曝光效果。

(3)用紫外燈或曝光機(jī)，對(duì)貼好感光膜的覆銅板進(jìn)行曝光反應(yīng)。此步驟的關(guān)鍵是菲林膠片的打印面應(yīng)該和覆銅板足夠貼合，防止有光線透進(jìn)膠片和覆銅板之間，造成不該有的曝光。利用曝光機(jī)的抽真空功能可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題，如果使用的是簡(jiǎn)易紫外燈，則可以利用重物壓在膠片四周，一定程度上解決這個(gè)問(wèn)題。

(4)對(duì)曝光好的覆銅板進(jìn)行顯影處理。應(yīng)嚴(yán)格按照顯影劑使用說(shuō)明書(shū)進(jìn)行顯影液的配制，使用橡膠手套、毛刷、鑷子等輔助工具，將覆銅板上被顯影劑溶解的部分清理干凈，并做干燥。

(5)接下來(lái)是腐蝕、脫膜、干燥，完成。

按照以上步驟，以底層信號(hào)層為例，打印膠片如圖8所示，顯影之后的效果如圖9所示。

曝光法制作PCB的流程包括菲林膠片的打印、覆銅板的處理、貼膜、曝光、顯影、腐蝕及脫膜，流程較熱轉(zhuǎn)印法多，且需要曝光設(shè)備的支持，但是在調(diào)試好曝光時(shí)間以及顯影溶液配比的前提下，所制作的PCB具有精度高，一次制作成功率高等顯著優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

PCB設(shè)計(jì)作為一項(xiàng)專業(yè)技能，廣泛應(yīng)用于電子信息類專業(yè)學(xué)生的課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和電子設(shè)計(jì)大賽等實(shí)踐環(huán)節(jié)和比賽環(huán)節(jié)。文中以火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)為例，給出了利用Altium Designer進(jìn)行了PCB設(shè)計(jì)的方法和步驟。設(shè)計(jì)過(guò)程不依賴于軟件版本，不要求特殊的實(shí)驗(yàn)器材，具有較強(qiáng)的可操作性，可以為PCB設(shè)計(jì)愛(ài)好者和學(xué)習(xí)者提供一定參考。