硬件开发设计规范V112.docx
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硬件开发设计规范V112
硬件开发设计规范
版本：
V1.2
编写：
校对：
审核：
批准：
五室
2008年8月
一、概述
1.1目的
该硬件开发设计规范是为我室控制设计开发流程提供依据，减少硬件开发中的低层次问题，并提供规范统一的管理用数据。
1.2硬件组成员职责与基本技能
1.2.1硬件组成员职责
一个技术领先、运行可靠的硬件平台是产品质量的基础，因此硬件组成员责任重大。
1）硬件组成员应勇于尝试应用新的先进技术，在产品硬件设计中大胆创新。
但对于弹上产品应优先考虑成熟的技术。
2）充分利用以前的成熟技术，保持设计中技术上的继承性。
3）在设计中考虑成本，控制产品的性能价格比达到最优。
4）技术开放，资源共享，促进我室整体技术提升。
1.2.2硬件组成员基本技能
硬件组成员应掌握如下基本技能：
1、由需求分析至总体方案、详细设计的设计创造能力；
2、熟练使用设计工具，如PCB设计软件Protel99SE、MentorExpedition，出图工具AutoCAD等，设计原理图、PCB、EPLD、FPGA调试程序的能力；
3、运用仿真设备、示波器、频谱仪等仪器调试硬件的能力；
4、掌握常用的标准电路的设计能力；
5、故障定位、解决问题的能力；
6、各种技术文档的写作技能；
7、接触外协合作方，保守秘密的能力。
二、硬件开发流程及要求
2.1硬件开发流程
硬件开发流程对硬件开发的全过程进行了科学分解，规范了硬件开发的四大任务。
●原理设计（需求分析、详细设计、输入及验证）；
●PCB设计；
●硬件调试；
●归纳总结。
2.2原理设计
2.2.1总体方案设计
硬件开发真正起始应在接到硬件任务书之后，但实际工作中，应在项目立项之前，硬件工程师即协助总体开展前期调研，尽早了解总体需求，如系统功能、性能指标、工作原理、环境指标、结构条件、价格、设计时间、产品寿命等。
硬件工程师需要根据自己的理解及时与总体设计沟通，以完成总体方案的设计。
阶段完成标志：
《硬件总体方案设计报告》。
2.2.2详细方案设计
硬件总体方案评审通过后，硬件工程师需要根据分系统指标及硬件工作原理完成详细实施方案设计，详细说明硬件功能模块的划分、各功能模块的指标、功能模块的详细设计、元器件选择及性能、设计依据及工作原理，需要阐述清楚分系统是如何满足分系统设计指标的。
详细方案设计还需要对应用到一些的关键技术进行论证，确定其可行性。
阶段完成标志：
《硬件详细设计报告》及关键（主要）器件订货清单。
2.2.3方案评审
完成方案设计后需要申请方案评审。
对于复杂的系统将总体方案和详细设计方案分两次进行评审，而简单的项目（如一块功能单板）可以将总体方案和详细设计方案合并为一个文档进行评审。
在申请评审前，应首先完成文档规范自检，并将规范完成情况表和评审文档、主要元器件订货清单一并交予室里申请评审。
总体方案需项目负责人签字批准，详细方案需室里签字批准。
2.2.4原理图设计及评审
原理图设计开始于方案评审通过，原理图设计是硬件设计的首要步骤。
原理图设计之前，首先要对元器件建库，参照“3.2中心库设计规范”，还应根据任务需求对一些关键信号进行布线前仿真，以确定是否需要对这些信号进行特殊处理，如增加匹配电阻或者电容等。
在原理图绘制完成后，硬件组应组织课题组相关人员进行评审。
评审时需要对设计中的关键点进行审核，如时钟单元、电源单元、DSP或FPGA等关键器件的配置等。
原理图评审通过后，经室里签字批准方可进入PCB设计工作。
2.3PCB设计要求
2.3.1PCB方案设计
在开始PCB物理实现（布线）之前，首先需要对PCB进行方案设计。
PCB设计方案主要考虑其结构特点，电磁兼容性、信号完整性、电源完整性、热设计、可制造性、可调试性等特点，完成PCB的布局。
其中部分工作如信号完整性、电源完整性及热设计可与硬件详细设计交叉进行。
PCB设计方案应对原理图中关键指标（阻抗、时延、抗干扰等）是如何实现的提出具体措施。
完成标志：
《PCB设计方案》，《硬件测试方案》，《信号完整性仿真报告》。
2.3.2PCB设计方案评审
完成方案设计及与原理图的反馈后，可以申请方案评审。
在申请评审前，应首先完成文档规范自检，并将规范完成情况表和评审文档一并交予室里申请评审。
所有文档需室里签字批准。
方案通过后，方可进行PCB布线工作。
3.3.3PCB设计及投板申请
PCB设计须按照PCB设计规范进行，PCB布局确定之后，总的布局规划禁止改动，功能模块内可以进行位置调整，如功能模块进行较大调整，须向组里提出申请组织讨论，讨论通过后方可进行布线工作。
在PCB投产前设计者要向室里提出投板申请。
首先由硬件组负责PCB设计规范的检查，并给出规范完成情况表与PCB图一并交予室里，由设计室组织人员对关键部分的设计要求进行评审检查。
PCB投板申请需由室领导签字批准。
2.4硬件调试设计要求
2.4.1硬件调试的目的
硬件调试是对硬件的功能和性能进行验证，保证其设计正确性。
2.4.2硬件调试（测试）方案
PCB进行方案设计时，就需要进行硬件调试（测试）方案的设计，需要根据《硬件任务书》和《硬件详细设计报告》中的指标要求制定调试（测试）方案，同时制定调试（测试）记录表，对关键点的参数进行实时记录。
2.4.3硬件调试（测试）方案评审
印制板正式调试之前，需要对硬件调试（测试）方案进行评审，也可在PCB方案设计评审时同时进行。
如简单的印制板设计，调试（测试）方案可以与PCB设计方案合并为一个文件。
2.4.4硬件验收
由于现在软硬件联系密切，无法简单的区别硬件与软件的工作，因此硬件验收的界定较为复杂。
一般来说硬件调试需要完成的工作有如下几方面内容：
电源调试、时钟源调试、各功能电路工作正常、可编程器件可正常工作、CPU工作自启动正常以及输入输出指标正常（需要编写接口控制程序）等。
硬件验收即需要硬件设计人员提供上述各方面的调试（测试）记录，记录数据和实际测试数据达到任务要求方可通过硬件验收。
对于某些硬件需要与系统联调以验证功能和性能的，需要硬件设计人员与总体协调。
2.5技术积累要求
2.5.1元件库
一个硬件工程完成后，需要根据中心库管理规范更新元件库。
2.5.2典型电路
当硬件调试完成后，可对设计中的典型电路进行收集。
典型电路需要详细记录应用背景、设计注意事项（包括周边电路参数设置和PCB设计）及调试记录等内容，便于后期应用查询。
三、EDA软件设计规范
3.1设计流程
硬件设计流程如下：
中心库选择→原理图设计→PCB设计→设计复用→数据导出→版本管理。
中心库选择关系到EDA软件的选择，主要有Protel中心库和Mentor中心库两种，中心库的设计尤为重要，关系到设计基础数据的正确性；原理图设计需要设计人员详细了解硬件电路的功能及设计规范；PCB设计需要严格按照PCB设计规范进行；设计复用要求有足够的技术积累，设计人员需要按照当前设计要求合理应用典型电路等内容；数据导出包括设计数据的导出和图纸的导出；版本管理要求每个硬件设计完成后，需要将版本信息与设计数据一同归纳到室里的数据库中。
3.2中心库设计规范
3.2.1EDA软件应用规范
根据我室设计状况，特意对硬件设计库的管理进行规范，避免同一器件在不同设计中出现不同封装库的情况，以及EDA软件种类过多等现象。
现阶段硬件组硬件设计软件只允许选择Protel99SE（sp6）和Mentor2005，应优先选择Mentor2005，仅对于简单的电路板或者任务方有特殊要求，才允许Protel99SE或者其他软件进行设计。
Mentor2005应使用DxDesigner＋Expedition的设计流程。
根据上述情况，硬件组分别建立Protel中心库和Mentor中心库，设立中心库管理员管理中心库，库文件存于一台固定的计算机（或者服务器）中，所有设计必须采用中心库中的封装和原理图符号。
3.2.2原理图库设计规范
原理图库可以根据器件引脚（pin）分布进行相应调整，但需要遵循以下原则：
1）原理图库的器件引脚需要分布在库的左右两边，尽量减少四边都有引脚的库；
2）普通器件引脚长20mil，阻容类器件引脚长度可以进行调整，但必须保证整个器件库的宽度为10mil的整数倍，引脚纵向坐标为10mil的整数倍；
3）引脚间距可以根据器件进行调整，但并列引脚间距最大为10mil，因为Mentor中的原理图默认将库放大10倍，Protel中则不进行硬性规定；
4）Mentor的原理图库图纸大小应与器件库的形状大小匹配，将REFDES参数设置为“Value”属性，如图1所示，并将REFDES置于图形附近。
图1Mentor原理图库属性设置
5）Mentor的原理图库（Symbol）需要由DxDesigner中的“SymbolWizard”建立，修改也需要在DxDesigner环境下打开修改。
禁止使用LibraryManager进行Symbol的建立和修改。
3.2.3器件封装设计规范
器件封装与焊盘关系紧密，因此在规范器件封装的同时，还需要对焊盘进行相应规范。
3.2.3.1焊盘设计规范
Protel99SE软件对焊盘建立没有特殊要求，只需要设定焊盘的类型、形状和大小即可，因此不做特殊规定。
对于Mentor系列软件，有专门的焊盘管理工具“Padstacks”，所有器件封装用到的焊盘数据都存储于Padstacks中，为了便于焊盘数据的管理，对焊盘的命名规则进行规定。
一、焊盘命名规则
焊盘的命名规则为：
焊盘种类焊盘形状焊盘尺寸，三种属性之间用空格分开，过孔和定位点如下。
过孔命名规则：
Via焊盘尺寸/孔径。
定位点规则：
Fiducial焊盘尺寸/阻焊窗尺寸。
焊盘名称中所有字符均为英文输入法中的字符。
焊盘种类定义：
表贴焊盘（Pin-SMD）——SMD；
通孔焊盘（Pin-Through）——PIN；
过孔（Via）——VIA；
安装孔（MountingHole）——Mounting；
定位点（Fiducial）——Fiducial。
焊盘形状：
圆形——Round；椭圆——Oblong；正方形——Square；
长方形——Rectangle；长六边形——OctagonElong；
六边形——Octagon；其他形状可参照软件界面“Pads”标签中的命名即可，如图2所示。
焊盘尺寸：
表贴类焊盘尺寸可参考“Pads”标签中的尺寸，如图2所示。
默认单位为英制th（即mil），如果使用公制单位，需要在尺寸后面添加单位，公制单位统一使用mm。
通孔类焊盘如安装孔和通孔焊盘等，需要在表面焊盘尺寸后添加孔的尺寸，具体格式为“Hole孔径”。
图2焊盘命名示例
焊盘命名示例：
Fiducial40/90——焊盘尺寸为40mil直径，阻焊开窗尺寸为90mil直径。
Via19/10——焊盘直径为19mil，孔径为10mil的过孔。
Via1.6/0.8mm——焊盘直径为1.6mm，孔径为0.8mm的过孔。
SMDRectangle70x40——大小为70mil×40mil的长方形表贴焊盘。
MountingRound6mm,Hole2.7mm——安装孔，表面为6mm直径圆形焊盘，开孔尺寸2.7mm。
PINRectangle236x118,Hole55——通孔焊盘，表面为236mil×118mil的方形焊盘，开孔尺寸为55mil。
二、焊盘设计规则
焊盘包括的元素主要有焊盘（Pads）、阻焊（soldermask）、助焊（solderpaste）、孔（表贴焊盘除外）、覆铜安全间距（Planeclearnce）、热风焊盘（PlaneThermal），其中覆铜安全间距和热风焊盘可不进行设置。
各元素之间的关系：
焊盘需要比孔大至少10mil，需要焊装的焊盘，至少要大20mil，以保证足够的焊接强度。
阻焊应比焊盘（Pads）大至少4mil。
助焊（solderpaste）与焊盘相同即可，安装孔和过孔没有助焊。
注意：
由于金属化后，孔的实际尺寸要小于设计值，因此在设计过程中，需要注意通孔焊盘开孔尺寸的设计余量。
3.2.3.2封装设计规范
封装库的丝印外框（SilkscreenOutline）线宽不得低于5mil，对于小型封装如阻容件和微型封装器件等，丝印层线宽可以为5mil，其他类型封装线宽应设为6mil。
丝印边框应有焊接方向标注如电容正极、二极管正极、电路及接插件引脚1等，禁止将丝印层与焊盘重叠。
器件标号应放于封装库的显著位置，保证器件焊装后，不得被器件遮盖。
其文字高度不得低于30mil，文字线宽不得低于5mil，除了大型封装如QFP、BGA、DIP以及大型接插件等，标号文字都应采用30mil文字高度，5mil的线宽，大型器件可以适当增加文字高度，但需要以10mil为步进增加。
文字高度高于50mil时，对应的字符线宽须增加为6mil。
对于Mentor系列软件，所有文字的字体应选择“CourierNew”，以保证印制板的美观。
在Mentor系列软件中，封装库还有两种要素“AssemblyOutline”和“PlacementOutline”，其中AssemblyOutline与SilkscreenOutline一致即可。
PlacementOutline表示器件的安全边界，参考器件的封装尺寸即可，由于焊盘就是一种实际的安全边界元素，所以PlacementOutline不需要完全包围整个封装库。
如图3所示，为一个QFP类型的封装，其中蓝色线条为PlacementOutline，左图的PlacementOutline包围了整个封装，并不合理，右图的PlacementOutline仅为器件封装体（即器件body）的大小，是合理的PlacementOutline大小。
图3PlacementOutline示例
对于需要手工焊装的器件，需要至少保证焊盘外沿宽度比器件整体尺寸大1mm，以保证足够好的焊接工艺性。
另外，建立器件封装库的时候，必须严格按照器件手册给出的单位（公制或英制），禁止进行单位转换，以防单位转换带来的误差。
3.3原理图设计规范
原理图的符号绘制及命名规则须严格按照《研发中心标准化文件（图形符号库）》中规定执行。
原理图须简洁清晰，按照功能模块进行划分，对于特殊功能部分需添加标注的，标注文字应统一，禁止中文拼音和英文标注混用。
绘制原理图时，栅格应设置为5mil的整数倍，禁止取消栅格选项。
使用Protel时，图纸大小可以不做特殊约定；使用DxDesigner绘制原理图，需要将图纸大小设为A4、A3或者A2，并添加对应图纸大小的边框，应减少A1的图纸。
DxDesigner新建一个工程时，需要设置一些工程选项，如图4所示。
图4新建DxDesigner工程
如图所示，新建工程会自动建立一个与工程同名的文件夹，注意在Location中不可存在诸如“PCB”之类的关键字，如“D:
\PCB\NewProject”。
点击“More…”按钮，进行详细设置，设置属性如图5所示。
图5新建工程详细设置
需要使能“LibraryManagerCentalLibrary”和“ExpeditionPCB”。
“LibraryManagerCentalLibrary”中的路径即为中心库的路径。
“ExpeditionPCB”中需要使能“AllowBackAnnotation”、“AllowForwardAnnotation”、“ConstraininCES”，必须禁止“UseCDBFlow”，其他属性按照默认设置即可。
小窍门：
如果想应用以前的工程设置，只需要在Dashboard中将想应用的工程设置为活动状态（active），然后点击File菜单中“New”->“Project”即可。
工程建立之后，应在生成原理图之前，对相应的工程设置进行修改。
点击“Settings”快捷按钮或者点击“Project”菜单中的“Settings”，弹出如图6所示的设置窗口。
图6ProjectSettings窗口
在Project标签中，必须选择Grid选项，去除“OAT”选项，GridSpacing设置为5mil的整数倍。
Block/Borders标签中设置新建原理图的图纸尺寸以及是否自动添加边框等属性，在DefaultSheetSetting中，设计图纸大小以及与图纸大小相同的边框，如图7所示。
工程设置中其他设置采用默认设置即可。
图7图纸尺寸属性设置
3.4PCB设计规范
3.4.1布局设计规范
在PCB布局之前，首先要确定参考点（坐标原点，一般设置为左下角），如图8。
参考点确定后，所有的布局均以此参考点为准。
根据要求先将有定位要求的元件固定并锁定，如插座，定位孔，开关等，然后根据结构要求设置禁布区。
PCB布局应遵循以下原则：
●首先放置有定位要求的元器件；
●遵循先难后易、先大后小的原则；
●总的连线尽可能的短，关键信号线最短；
●强信号和弱信号，高电压信号和弱电压信号要完全分开；
●模拟信号和数字信号分开（可以方便的将模拟电和数字电分开）；
图8设置PCB原点
●高速器件和低速器件分开；
●电源相同的器件尽量放置在一起，以减少电源层的分割；
●元器件的放置要便于调试和维修；
●发热元件要有足够空间以利于散热，热敏元件应远离发热元件；
●BGA元件与其他元件的间距要足够大，保证焊接工艺。
布局完成后，还需要对PCB布局组织评审，检查布局是否合理。
评审内容主要有以下几个方面：
●印制板尺寸是否与加工图纸尺寸相符？
能否符合PCB制造工艺要求？
有无定位标记；
●元件在二维、三维空间上有无冲突；
●主要元件布局是否疏密有序，排列整齐？
是否全部布完；
●需经常更换的元件能否方便的更换？
插件板插入设备是否方便；
●热敏元件与发热元件之间是否有适当的距离；
●调整可调元件是否方便；
●在需要散热的地方，是否预留散热器空间？
空气流是否通畅；
●信号流程是否顺畅且互连最短；
●插头、插座等与结构设计是否矛盾；
●线路的干扰问题是否有所考虑。
3.4.2PCB层叠设计规范
板层的层叠原则（对具体情况灵活掌握）：
●元件的下一层（一般是第二层和倒数第二层）为地平面，提供器件屏蔽层，为顶层布线提供参考平面；
●所有信号层尽可能与地平面相邻；
●禁止两个信号层直接相邻，如有特殊需要，必须保证两层的走线方向正交；
●电源层尽可能与其对应的地层相邻；
●禁止两个电源层直接相邻；
●兼顾层叠结构对称；
●关键信号尽量与地层相邻，不跨分割区。
3.4.3布线设计规范
PCB布线时，需要根据当时的PCB厂商工艺水平设置相应的线宽和线间距，一般应比起工艺水平增加1mil左右，以保证成品率。
差分线需要单独设置线宽和线间距。
另外，过孔的设置也需要根据PCB厂商的工艺水平进行相应的改变，注意板厚孔径比。
布线时，需要注意布线的顺序，应按照以下原则进行布线：
●核心优先原则：
核心部分应优先布线，类似信号传输线应专门的布线层，电源，地回路。
其他次要信号要顾全整体，不可以和关键信号相抵触。
●关键信号优先：
电源、模拟小信号，高速信号，时钟信号和同步信号等关键信号优先布线。
●尽量为时钟信号、高频信号、敏感信号等关键信号提供专门的布线层，并保证其最小的回路面积，应采用手工优先布线、屏蔽和加大安全间距等方法，保证信号质量。
●电源和地层之间的EMC环境较差，应避免布置对干扰敏感的信号。
●有阻抗要求的网络应布置在阻抗控制层上，同一层中相同阻抗的差分网络应采用相同的线宽和线间距。
3.4.4电源（地）层的分割规范
对电源（地）层的分割应遵循以下原则：
●平面分隔宽度要考虑不同电源之间的电位差。
电位差大于12V时，分割宽度大于50mil，反之，可选20～25mil。
小板，如内存条等，可以使用小到15mil宽的分割线。
条件允许的情况下，分割线应尽量宽；
●平面分割要考虑高速信号回流路径的完整性；
●当高速信号的回流路径遭到破坏时，应当在其他布线层给与补偿。
例如可用接地的铜箔（或地线）将该信号网络包围，以提供信号的地回路；
●平面分割后，要确认没有形成孤立的分割区域，实际有效区域足够宽。
3.4.5丝印层设计规范
PCB丝印层设计规则可参考“3.2.3.2封装设计规范”中的规定。
丝印排版是PCB设计的最后一步，须按照以下规则：
●禁止将元器件标号放于焊盘或者裸露的铜箔上；
●同一面的元器件标号文字方向只能有两种；
●对于密集分布的元器件，需要将元器件标号在附近区域列表排布，并用线引出；
●元器件标号禁止放于器件底部，避免焊装完成后被器件遮挡；
●尽量避免元器件标号与过孔重叠。
3.4.6数据导出规范
3.4.6.1生产数据导出规范
对于Protel99SE软件，生产用数据直接在软件界面，“File”菜单点击“Export...”，选择导出文件类型为“ProtelPCB2.8ASCIIFile”即可。
对于MentorExpedition软件，生产时需要将PCB导出光绘文件，具体步骤如下。
首先需要生成钻孔文件，点击“Output”菜单“NCDrill...”，采用默认设置点击OK。
然后点击“Output”菜单的“Gerber...”，如图9所示，导出文件格式为274X，在“FilestoProcess”栏中设置需要导出的文件名及文件数量，必须的输出的文件包括：
●钻孔图（DrillDrawingThrough）；
●各信号层及电源层，可自定义各层的Filename，电源层分Positive和Negative两种属性，Negative属性的电源层，需要在文件名后面增加Neg以进行区别，如Layer2Neg；
●丝印层，包括顶层（SilkscreenTop）和底层（SilkscreenBottom）；
●阻焊层，包括顶层（SoldermaskTop）和底层（SoldermaskBottom）；
●助焊层，包括顶层（SolderPasteTop）和底层（SolderPasteBottom）。
图9生产数据导出窗口
可选的包括：
装配层（AssembleBottom和AssembleTop）。
如果PCB在原模板的基础上增加层数，需要增加对应层的输出文件，点击“Filestoprocess”栏中的新建按钮即可。
各层的具体设置可点击“Contents”标签。
信号层与Positive属性的电源层（Plane）设置相同，如图10所示。
图10信号层输出设置
Negative属性的电源层导出设置如图11所示。
图11Negative属性电源层输出设置
丝印层的设置如图12所示，必须一定要设置右下角Items栏中对应层的Silkscreenoutline和SilkscreenRefDes。
阻焊层和助焊层的设置只要在默认设置的基础上，点选“BoardItems”栏中的“BoardOutline”即可，如图13所示。
图12丝印层的输出设置
图13阻焊层和助焊层的输出设置
当上述设置完成之后，可以点击“ProcessCheckedOutputFiles”按钮生成Gerber数据，导出的数据默认存储路径是pcb目录中的Output文件夹。
生成Gerber数据之后，需要由第三方软件CAM350导入查看，以确认其正确性。
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