protel课设STM32F103最小系统电路设计.docx

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protel课设STM32F103最小系统电路设计

Protel实训任务书

学生姓名：

专业班级：

指导教师：

工作单位：

题目:

基于Protel的STM32F103最小系统电路设计

主要目的就是对学生进行protel软件的操作训练，通过训练，使学生能够掌握protel软件的基本使用方法，能够使用protel绘制简单电路的原理图和PCB版图，提高学生的动手能力。

一、初始条件

计算机；OfficeWord软件；PROTELDXP或者AltiumDesigner软件

二、内容和要求

1、学习PROTEL软件；

2、设计一个STM32F103最小系统的电路，要求至少包含电源，晶振，复位（上电复位和按键复位），调试接口；

3、绘制电路的原理图和PCB版图，要求图纸绘制清晰、布线合理、符合绘图规范。

3、对所设计电路的基本原理进行分析；

4、查阅至少6篇参考文献，按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写报告书，全文用A4纸打印。

三、时间安排

1、2013年12月16日集中下达任务书。

作基础强化训练具体实施计划与报告格式要求的说明；学生查阅相关资料，学习电路的工作原理。

2、2013年12月18日，protel软件基本功能与使用方法学习。

3、2013年12月19日至2013年12月25日，采用protel进行相关电路图的绘制。

4、2013年12月27日上交成果及报告，进行答辩。

指导教师签名：

年月日

系主任（或责任教师）签名：

年月日

摘要

随着计算机软硬件技术的飞速发展，集成电路被广泛应用，电路越来越复杂，集成电路越来越高，加之元器件层出不穷，使得越来越多的工作已经无法依靠手工来完成。

计算机广泛应用恰恰解决了这个问题，并且大大提高了工作效率。

因此，计算机辅助电路板设计已经成为电路板设计制作的必然趋势。

Protel系列软件早期版本用于设计pcb,后来增加了绘制电路原理图的功能，再后来又增加了电路仿真功能和可编程器件开发功能。

主要有原理图设计系统、印制电路板设计系统两大部分组成。

本文主要介绍了以PCB板制作STM32F103最小系统电路板的基本过程，以及制作的整体思路和在制作的过程应注意的地方，本PCB板涉及到了元件原理图绘制、元件原理图和元件封装图之间、原理图管脚和元件封装图焊盘之间的关系、设计环境的颜色的变化、PCB板层的设置方法与电路板尺寸的确定方法及对象属性的编辑方法。

关键词：

最小系统，原理图，PCB，altiumdesigner

1绪论

电子技术突飞猛进，正朝着大规模、高密度、小型化、微型化的方向发展，电路板的设计工艺日趋复杂、精美和完善。

目前人们在计算机上利用电子CAD软件来完成产品的原理图设计和印刷版设计。

Protel系列软件以其功能强、界面友好和操作简便快捷等优点已成为EDA行业尤其是PCB设计中发展最快应用时间最长、运用范围最广的软件之一。

Protel是Altium公司开发的一款基于Windows操作系统的电路辅助设计软件，其功能非常强大，是电路CAD领域的主流产品。

它是第一个将所有的设计工具集成于一身的板级设计系统，从最初的项目模块规划到最终形成生产数据都可以按照设计者自己的设计方式实现。

Protel采用优化的设计浏览器，通过把设计输入仿真、PCB绘制编辑、拓扑自动布线、信号完整性分析和输出等技术的完美融合，为用户提供了全新的设计解决方案，使用户可以轻松的进行各种复杂的电路板设计。

2AltiumDesigner软件介绍

AltiumDesigner是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在Windows操作系统。

这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。

AltiumDesigner除了全面继承包括Protel99SE、ProtelDXP在内的先前一系列版本的功能和优点外，还增加了许多改进和很多高端功能，形成了一个完整的一体化电子设计环境，以全新的方式创建和推出智能型关联电子产品。

ProtelWinter09则具有电路板设计和制造功能，具有自动布线，自动布局，进行逻辑检测、逻辑模拟等强大功能。

该平台拓宽了板级设计的传统界面，全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程设计人员能将系统设计中的FPGA与PCB设计及嵌入式设计集成在一起。

由于AltiumDesigner在继承先前Protel软件功能的基础上，综合了FPGA设计和嵌入式系统软件设计功能，AltiumDesigner对计算机的系统需求比先前的版本要高一些。

3设计内容及要求

3.1设计目的及主要任务

3.1.1设计目的

（1）学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握Protel系列软件设计原理图、制作PCB板图的基本方法。

（2）了解学习有关STM32F103芯片的相关知识。

（3）培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。

3.1.2设计任务及主要技术指标

应用STM32F103芯片设计其最小系统，完成如下基本任务：

（1）电路正常供电；

（2）能够实现上电复位和按键复位；

（3）能够实现程序的调试；

3.2设计要求

（1）使用Protel系列软件绘制STM32F103芯片最小系统电路原理图。

（2）使用Protel系列软件对STM32F103芯片最小系统进行检查调试，生成电路PCB版图。

4设计过程

4.1电路图原理的设计

首先打开该软件，新建一个PCB工程（Project），然后新建一个电路原理图文件，根据你具体的电路画出电路原理图，其中你可以再软件左方中的原理图库中找到你相应的原理图库并使用，比如电阻、电容等。

在这一过程中，要充分利用altiumdesigne所提供的各种原理图绘图工具、各种编辑功能，来实现我们的目的，即得到一张正确、精美的电路原理图。

本次设计原理图如图4-1：

图4-1STM32F103C8T6最小系统原理图

4.2产生网络表

画完原理图后你就要先生成相应的网络表格，再新建一个PCB文件，把之前生成好的电路原理图的网络列表导入到PCB文件中，注意其中在编译的时候要注意一些常规性的错误，比如电气规格、及封装等。

网络表是电路原理图设计（SCH）与印制电路板设计（PCB）之间的一座桥梁，是电路板自动的灵魂。

网络表可以从电路原理图中获得，也可从印制电路板中提取出来。

4.3印制电路板的设计

主要是针对altiumdesigner的另外一个重要的部分PCB而言的，在这个过程中，我们借助altiumdesigner提供的强大功能实现电路板的版面设计，完成元件分布，布线等工作。

5绘制各模块电路

5.1电路的总体原理框图

整个电路主要由芯片、电源、复位电路、晶振及调试接口电路组成。

框图如下图5-1：

图5-1STM32F103C8T6最小系统框图

5.2电路各单元介绍分析

5.2.1芯片STM32F103

STM32F系列属于中低端的32位ARM微控制器，该系列芯片是意法半导体（ST）公司出品，其内核是Cortex-M3。

该系列芯片按片内Flash的大小可分为三大类：

小容量（16K和32K）、中容量（64K和128K）、大容量（256K、384K和512K）。

此次课程设计我选用的是STM32F103系列的STM32F103C8T8芯片。

电压-电源：

2V~3.6V，振荡器型：

内部，封装/外壳：

48-LQFP。

原理图与封装如下图5-2，图5-3：

图5-3STM32F103C8T6芯片封装

图5-2STM32F103C8T6

5.2.2电源电路

本次设计我采用USB电路供电，但考虑到芯片的电压要求，需要使用一个电压转换芯片。

我采用的是ASM1117-3.3V，将USB输出的5V电压转换到3.3V。

AMS1117系列稳压器有可调版与多种固定电压版，设计用于提供1A输出电流且工作压差可低至1V。

在最大输出电流时，AMS1117器件的压差保证最大不超过1.3V，并随负载电流的减小而逐渐降低。

AMS1117的片上微调把基准电压调整到1.5%的误差以内，而且电流限制也得到了调整，以尽量减少因稳压器和电源电路超载而造成的压力。

图中D1二极管为电源指示灯。

具体电路如下图5-4：

图5-4电源电路

5.2.3复位电路

复位电路主要考虑到芯片的复位要求，查阅资料之后了解到此芯片为低电平复位，维持一段时间NRST脚为低电平，则芯片复位。

1、上电复位：

上电瞬间，电容充电电流最大，电容C1相当于短路，NRST端为低电平，自动复位；电容两端的电压达到电源电压时，电容充电电流为零，电容相当于开路，NRST端为高电平，程序正常运行。

2、手动复位：

首先经过上电复位，当按下按键时，NRST直接与GND相连，为低电平形成复位，同时电解电容被短路放电；按键松开时，电源对电容充电，充电电流在电阻上，NRST依然为低电平，仍然是复位，充电完成后，电容相当于开路，NRST为高电平，正常工作。

具体电路如下图5-5：

图5-5复位电路

5.2.4晶振电路

上电后，硬件上默认是内部的时钟源，外面这两个晶振是需要软件配置后才会起振。

晶振电路为芯片提供振荡源，主要由晶振及电容组成。

电容起稳定振荡频率，快速起振的作用。

Y2为RTC（实时时钟）提供驱动时钟振荡，它将产生一个1秒长的时间基准。

具体电路如下图5-6，图5-7：

5.2.5JTAG调试接口

调试接口采用20针JTAG。

JTAG编程方式是在线编程，传统生产流程中先对芯片进行预编程然后再装到板上，简化的流程为先固定器件到电路板上，再用JTAG编程，从而大大加快工程进度，JTAG接口可对DSP芯片内部的所有部件进行编程。

用此接口可以实现在线仿真调试，十分方便，也可以通过JTAG下载程序。

具体电路如下图5-8：

图5-8调试接口

6PCB布线

自动布线工具本身并不知道应该做些什么。

为完成布线任务，布线工具需要在正确之规则和限制条件下工作。

不同之信号线有不同之布线要求，要对所有特殊要求之信号线进行分类，不同之设计分类也不一样。

每个信号类都应该有优先级，优先级越高，规则也越严格。

规则涉及印制线宽度、过孔之最大数量、平行度、信号线之间之相互影响以及层之限制，这些规则对布线工具之性能有很大影响。

认真考虑设计要求是成功布线之重要一步。

电路板之选用、电路板尺寸、元件布局、布线、焊盘、填充、跨接线等。

6.1电路布线规则

除了元器件的选择和电路设计外，良好的PCB 布线在电磁兼容性中也是一个十分重要 的因素。

由于PCB是系统的固有成分，在PCB 布线中增强电磁兼容性不会给产品的最终完 成带来任何附加费用。

6.1.1地线与电源线的布线 

在PCB的布线工作中，地线与电源线的布置对于整个PCB设计的成功起着至关重要的 作用。

鉴于其重要性，地线和电源线的布线工作一般安排在其他线路布线之前完成，当然， 如果在布线过程中有预见性的预留地线与电源线的空间，将地线与电源线的布线工作留待 最后进行也是一个不错的选择。

（1）电源线、地线以及其他线路对高频信号应保持低阻抗。

在频率很高的情况下，电 源线、地线以及其他线路都会成为接收与发射骚扰的小天线。

降低这种骚扰的方法除了加 滤波电容外，更值得重视的是减小电源线、地线以及其他线路本身的高频阻抗。

因此，各 种PCB线路要短而粗，同时线条要均匀。

（2）单面板和双面板用单点接电源和单点接地，如果布局允许，电源线和地线最好采 用井字形网状布线结构，具体做法是PCB的一面横向布线，另一面纵向布线，然后在交叉 孔处用金属化孔相连。

（3）对A/D类器件，数字部分与模拟部分地线宁可统一也不要交叉。

（4）当电路需要不止一个电源供给时，需要采用接地将每个电源分离开。

但是在单层 PCB 中多点接地是不可能的，一种解决方法是把从一个电源中引出的电源线和地线同其他 的电源线和地线分隔开，这同样有助于避免电源之间的噪声藕合。

6.1.2重要线路的布线 

重要线路包括时钟、复位以及弱信号线等 

（1）用地线将时钟区圈起来，时钟线尽量短；石英晶体振荡器外壳要接地；石英晶体 下面以及对噪声敏感的器件下面不要走线。

（2）时钟、总线、片选信号要远离 I/0 线和接插件，时钟发生器尽量靠近到用该时钟 的器件。

（3）时钟信号线最容易产生电磁辐射干扰，走线时应与地线回路相靠近，时钟线垂直 于I/0线比平行I/O线干扰小。

（4）弱信号电路，低频电路周围不要形成电流环路。

（5）模拟电压输入线、参考电压端一定要尽量远离数字电路信号线，特别是时钟。

6.1.3PCB 布线的通用规则 

（1）由于瞬变电流在线路上所产生的冲击干扰主要是由线路的电感造成的，因此应尽 量减小线路的电感。

线路的电感与其长度成正比，与其宽度成反比，因而短而宽的线路对 抑制干扰是有利的。

关键的信号线要尽量粗，并在两边加上保护地，高速线要短而直，导 线的宽度不要突变。

（2）任何信号都不要形成环路，如不可避免，要让环路区尽量小。

（3）PCB尽量使用45º折线而不要采用90º折线布线，这样可以减小高频信号对外的发 射与耦合。

（4）一般采用平行的走线可以减少导线电感，但导线之间的互感和分布电容会增加。

 为了抑制PCB线路之间的串扰，在设计布线时应尽量避免长距离的平行走线，尽可能拉开 线与线之间的距离，信号线与地线及电源线尽可能不交叉。

在一些对干扰十分敏感的信号 线之间设置一根接地的线路，可以有效地抑制串扰。

（5）布线尽可能把具有同一输出电流，而方向相反的信号利用平行布局方式来消除相 应的磁场干扰。

（6）发热元件周围或大电流通过的引线应尽量避免使用大面积铜箔，否则，长时间受 热时，易发生铜箔膨胀和脱落现象。

必须用大面积铜箔时，最好用栅格状，这样有利于铜 箔与基板间粘合剂受热产生挥发性气体的排出。

（7）焊盘中心孔的直径要比器件引线直径稍大一些。

焊盘太大易形成虚焊。

（8）在 PCB 中，没有用到的区域最好由一个大的接地面来覆盖的，以此提供屏蔽和增 加去耦能力。

6.2PCB绘制图

因为所选的芯片引脚较多，为了使电路的设计更加美观、合理，我采用了双面布线。

即toplayer和bottomlayer。

具体如下图6-1：

图6-1STM32F103C8T6最小系统PCB

7心得体会

通过此课程设计，我比较全面地了解和掌握了绘制、编辑电路原理图和印制电路图的方法和技巧，并能处理一些常见问题。

在电路设计过程中遇到了很多没有想到的错误及疑惑，经过检查分析错误及和同学一起交流，逐渐学会并掌握了有关电路设计的思想，懂得了如何在设计过程中调试和修改不合理的设计部分。

更重要的是学习到了一些电子实际器件的相关参数和封装形式例如直插式SIP与DIP封装和贴片式SO封装，熟悉了PCB板的制作原理和流程以及参数。

在对altiumdesigner软件的学习中，我有不少心得体会。

作为电子专业的学生，学会几种电路设计软件是十分必要的，在课程设计过程中，增强了解决实际问题的能力，强化了动手能力。

altiumdesigner则是Protel系列设计电路尤其是PCB印刷电路制作中很实用的一款。

具有自动布线，自动布局，进行逻辑检测、逻辑模拟等强大功能。

这些功能可以帮助电子工程师们提高电路板布线进程，设计更加精密复杂的电路板。

从刚开始对PROTEL的一无所知到现在课程设计的完成，学到了很多也很有成就感。

画元器件、原理图、封装、网表、PCB制作，每一个步骤都需要足够的耐心和仔细，还要有扎实的专业知识。

参考文献

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物理与工艺.科学出版社,1992.

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