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。
在OrCADCaptureCIS软件中，一个项目可以包含若干个设计，每个设计对应一个PCB板，所以一个项目通常对应一个由多块电路板构成的产品；而每个设计可以由若干张原理图构成。
对于我们要完成的“STC系列单片机下载器”而言，它是非常简单的产品，该产品只包含一块电路板，所以该项目中只有一个设计；又因为该电路板上的电路也非常简单，使用一张图纸就可以清楚地描述了，所以该设计只有一张原理图。
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”（这是我们的设计名称）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单片机下载器电路分析
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，CH341T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。
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