硬件电路的设计开发

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1、 硬件电路的设计开发硬件电路的设计开发 一、实验目的 1、 学会开发硬件电路的最基本的流程 2、 掌握硬件开发相关软件 protel99se，熟悉基本的操作和修改错误的方法 3、 学会自己设计简单的印刷电路板 二、实验背景知识介绍 1、 硬件电路基础知识 什么叫硬件电路？ 我们知道，硬件（HardWare）是区别于软件（SoftWare）来说的，是控制逻辑的具体执 行和实现部分， 它可以用来控制一些可执行器件、 机构、 设备， 也可以自己就实现很多功能， 在人类创造过程中是处于底层的部分， 是实现创造的根本的基础之一。 硬件电路包含的内容 很广，例如，硬件电路可以有微处理器电路、LCD 液晶显

2、示电路、键盘电路、模拟量输入 电路、开关量输入输出电路、总线通讯接口电路、实时时钟电路等等。总的来说，应该包括 电子元件（如芯片、电阻、电容等） ，接插件（接头，卡头，连接件等） ，电路板，相关外部 设备（电源、电机等） 。 所以我们的实验也将围绕功能/方案电路原理图印刷电路板这样一个流程展开。 当我们有了模拟电路、数字电路、微机原理的基础之后，我们就可以开始硬件电路的历程。 2、 硬件设计基本流程 任何一个硬件设计都需要一个过程和完善的过程，核心在于“设计”。在这里我们将着重讲解 基于单片机的硬件设计流程。其他的设计都十分类似，一个设计是否成功，重要的在于对它 的每一个环节的把握上。 要进行

3、以单片机为核心的数字电路设计与制作，一般来说要按照下列流程进行： （1）功能定义 （2）方案选定 （3）电路原理图设计（6）电路板加工 （7）电路焊接与硬件调（8）软件设计 （4）采购元件 （5）印制电路板设可以看到，设计是一个有反复修改的过程，需要在理论和实际之间、实用性和经济性之间作 反复的协调和优化。 （1）功能定义 功能定义过程中， 要明白想做什么。 一个结合自己知识积累情况和实力的切实可行的想法是项目得以实施的关键。一般容易目标过高，此时由于条件受限将无法实现。 （2）方案选定 列出实现功能可能的几种方案。 方案的内容一般是由什么芯片实现什么功能， 以及这些芯片 之间如何接口。对于主

4、要芯片，还要致电厂商询问有无现货及价格。要对这些方案进行对比 分析，综合考虑其价格、可参考设计等内容来取舍。最后要选定一种方案实施。 功能定义与方案选定过程是紧密联系的， 因为芯片是特定的， 某些芯片可能具有比原定义功 能更多的功能，这时，可以考虑更改功能定义，充分利用芯片潜能增加功能。有些功能的存 在芯片无法满足要求或成本成倍增加， 则考虑暂时去掉某些功能。 流程图中的虚线箭头反映 了这种关系和影响。 （3）电路原理图设计 根据方案选定的结果，将所选择芯片的各信号引脚以一定的规律和自己的设计考虑连接起 来。一般使用 Protel 电路图制作软件。电路原理图设计与软件设计之间有一个双向箭头，

5、意指在进行电路原理图设计一定充分考虑到将来进行软件设计时的一些需要。 比如， 要给软 件保留那些输出接口，软件体系结构对硬件电路的设计有无何特殊要求。 （4）采购元件 电路原理图设计完成之后，便可通过各种途径购买元件了。对于常用元件，北京地区可到中 关村中发（知春）电子市场购买。对于一些北京市场上没有的芯片，要通过互联网查询，并 通过邮购、特快专递等方式购买。 （5）印制电路板设计 元件购买齐全之后， 就要根据元件的封装情况来设计印制电路板。 因为印制电路板不同于导 线连接的电路，修改起来非常麻烦，并增加了电路工作的不可靠性，因此，要尽量确保印制 电路板上的元件封装正确， 最好将印制电路板以真

6、实比例打印出来， 然后将元件放置在图上 进行核对。 （6）电路板加工 电路板加工一般请专门的厂商进行， 当然需要向他们支付费用。 设计者将印制电路板图通过 电子邮件发送给某个线路板制作商，一般可根据需要决定制作周期，一般从 1 天到 10 天不 等，当然，加工越快，价格越高，工艺质量相对越差。 （7）电路焊接与硬件调试 经过数天，电路板制作完成后，只要有配置基本的焊接工具，就可以进行电路焊接了。因为 还无法确保电路可以按设计正常工作， 因此焊接过程其实也是硬件调试过程。 按照一定的顺 序，对各个功能模块的元件依次焊接，并依次进行测试，有必要时，可能还需要割线飞线， 直至调通硬件。如果出现大的原

7、则性错误，比如弄错封装型式，则有可能需要重新制版。 （8）软件设计 硬件调试通过以后， 以后的工作便是调试软件了。 在这个过程中， 可以不再关心硬件的细节。 参考设计过程中的电路原理图，以及所用芯片的相关资料，在编写硬件电路的软件程序。硬 件电路设计与软件程序编写必须相辅相成、相得益彰，才能使所设计功能顺利实现。 3、 Protel99Se 简介 PROTEL 是美国 Protel 公司出品的一套非常强大的 EDA 软件，目前已经发布了许多版本 从早期运行于 DOS 的 Protel3.31， Protel For Windows， 到后来的 Protel98， Protel99， Prote

8、l99SE， 以及后来发布的 SP5、 SP6， 以及最新的 Protel ， 目前以 Protel99SESP 较为常用。但是它的很多功能不是我们做电路设计时所需要的，比如它的“可编程逻辑设计” 和“电路仿真”基本用不上，我们使用 PROTEL99 时，只用到它的 PCB，SCH 部分。正式 版本的中文 PROTEL 于 2000 年 7 月正式诞生， 它已经比较完善， 同时提供了各种国标库， 但随着 WinXP 的发布,软件本身也存在一些不兼容性,于是 2002 年 7 月作了修正，在Windwos 各个系统上稳定性已大大增强。 4、 让我们到中发去，自己动手实现我们的构想 三、实验要求与

9、内容 1、 使用Protel99SE完成单片机电子线路的原理图设计。 其中原理图的示意图和图库、 PCB 图库将由 FTP 提供，可以按照示意图画出原理图。 2、 使用 Protel99SE 完成一个简单的系统的印刷电路板设计。其中 PCB 图库将由 FTP 提 供，按照对实验的学习，将你画出的原理图转化生成 PCB 印刷电路板图。 3、 自己制作完成简单的硬件电路设计（选做） 实现自己的构想，自己搭建相关的电路模块或者系统电路（内容不限） ，自己制作完成硬件 电路设计，包括电路图设计和具体到厂商制版，通过对本实验的掌握，把构想变成现实。有 兴趣的同学可以作进一步的咨询，论坛将作相关的答疑。

10、四、注意事项与关键问题 1、画原理图的时候应当格外注意 Lines 和 Wires 的区别。Lines 是纯粹的标识，没有电气 意义，而 Wires 才是导线，才有电气意义才是导线，才有电气意义。用 Lines 连接元件是毫无意义的。 2、网络标识和放置字符也有类似的不同，网络标识相当于导线，是有电气含义的网络标识相当于导线，是有电气含义的，而字符 没有，这两个按钮的初放置颜色不同，不要搞错。 3、请确保标号没有错误也没有重复请确保标号没有错误也没有重复，否则生成的 PCB 图会不符合要求，产生错误。 4、 在作原理图到 PCB 的转化过程中，务必要保证每个元件有对应的封装，每个元件有对应的封

11、装，PCB 图中已经 添加了提供的图中已经 添加了提供的 PCB 图库，否则无法生成正确的图库，否则无法生成正确的 PCB 图，图，系统会提示出错。 5、 元件放置的时候模拟部分和数字部分应当分开分布，模拟部分和数字部分应当分开分布，这样可以减少相互之间的信号干 扰。 五、实验结果提交方式 1、 完成给定硬件电路的原理图设计，完成给定电路 PCB 印制电路板设计（不用覆铜） ，两 个文件都放在同一个 Ddb 文件中。每组完成两份。 要求：电路原理图的连接正确，PCB 图元件布置合理、走线合理，大小合适，符合电路板 设计基本准则。提交你的原理图和 PCB 图到作业 FTP。 2、 选作：投入制作

12、自己设计的硬件电路系统，把你自己的构想用硬件电路具体实现出来。 提交你的功能原理、电路图，到制版厂商做出电路板，实现自己的功能原理。 3、 提交实验报告到 FTP，在实验报告中写出实验完成主要过程，结果，实验感想和意见建 议 六、附录 Protel99Se 软件的使用方法： Protel99SE 是一款功能十分强大的软件，限于篇幅，这里只对基本操作作一些解释。详细 使用请参考相关书籍的讲解。 首次运行 Protel 时，可以创建新的设计数据库。如图所示，从菜单上选择“FileNew”， 即可创建新的设计数据库。以后操作可以直接打开已经存在的文件。 创建新设计数据库 在图中所示的“New Des

13、ign Database（新建设计数据库）”对话框中，选择存放数据库的 位置，并确定数据库的名称，然后单击“OK”。 指定数据库路径和名称 如图所示， 数据库视图相当于一个文件夹， 以便于对某一个设计中的有关文档更好地进行管 理。Design Team 是多人协作时使用的属性。Recycle Bin 中放置此数据库存中删除的文 件。Documents 中放置与此设计有关的所有文档。单击“Documents”打开此文件夹。 数据库文件的基本结构 在“Documents”中单击“右键”，从弹出菜单上选择“New”，可以新建文件。当然，如果选 择“Import”、“Import Folder”、“I

14、mport Project”，可以将单个文件、文件夹或是整个 设计从当前设计数据库之外导入进来。 新建文件 在图中所示的“（New Document）新建文档”中，选择要创建的文档类型。这里要建立一 个原理图，因此双击“Schematic Document”即可。 选择文档类型 Protel 自动在 Documents 中创建名为“Sheet1.sch”的原理图文件， 为了更好地识识别文 件，可以更改文件名，改名操作与在 Windows 浏览器中操作完全一致。 再双击新建的原理图文件，便进入到原理图编辑状态，如图所示。 文档管 理器 原理库 原理图工作区工作区边界工具栏库中元件 原理图设计工作

15、区 如果工具栏没有显示，可以通过“ViewTool Bars”中打开。 用鼠标单击原理库中的不同内容时， 可以切换到不同的库。 在元件列表中双击相应的元件时， 即进入元件放置状态，可以向工作区中放置双击的元件。如图所示，放工作区中放置电阻。 2、移动鼠标到 理图中合适位 置单击即放置 一个此元件 1、 先双击3、继续移动鼠 标放置元件 放置元件 当处于元件放置状态时，这个状态会一直保持，直到单击鼠标右键。如果错误地双击了某个 元件，进入了放置状态时，也可单击鼠标右键退出这种状态。 放置元件时，如果工作区的显示比例太小，看不清楚元件的放置情况，可以使用 PageUp 和 PageDown 键来放

16、大与缩小工作区的显示比例（以鼠标指针所在位置为缩放中心） 。每 个元件都有元件标号（R?）和元件类型（RES2）两个文本内容相随，可以改变它们相对与 元件的位置，也可以改变其内容。如图所示，将这两个文本移动到与电阻较近的位置。 修改元件说明的位置 再次单击元件列表中的电容元件，向工作区中放置电容。在放置元件时，元件的方向总是与 元件列表下方的元件预览框中一致，但有时需要改变元件的方向。这时，可以在双击此元件 后、单击放置到工作区之前按空格键来改变元件的方向。方向调整合适后，再移动鼠标到正 确的位置单击，将元件放置到工作区中。 器件的方向与其在 元件预览视图里的 方向一致 在放置元件以前， 按一次空格键，可 以改变一次当前元 件放置时的方向 改变元件放置方向 不同的元件之间，需要用导线连接起来，这样，元件之间的信号才可以传递。如图所示，单 击鼠标右键，从弹出菜单上选择“Place Wire”，即进入放置导线状态。 进入导线放置状态 放置导线时，先在起点单击一下，然