原因

因为此产品是配合D38-3无人值守系统而设计的。其项目急,且变术过多,没法形成完整的方案,不适合让团队的人员来设计,所以还是自己重拾硬件设计。从2014年起就只负责整个项目方案设计,设计硬件大体方案,或有时给同事的原理图找找茬,很少自己画原画图与PCB,所以也趁此次设计,再总结方案、原理图设计与PCB设计,到制板整个过程的要点,方便今后供团队新人参考。

方案设计

第一步:与产品的使用方深度沟通其需求、同行产品及当前主要问题,确定产品的市场竞争优势及市场定位;
 第二步:明确产品功能,确定硬件的外框、接口类型及接口具体功能。
               此步重点是明确接口形状,最好拿实物来确认。
 第三步:与使用方再确定方案,直至双方都认为完美。

原理图设计

第一步:先做主框图

硬件设计架构 硬件结构设计_硬件工程


第二步:生成子原理画

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第三步:绘制原理图

绘制原理图中,重点是要了解设计工具原理。2008年上半前是用学校里学的protel 99se,之后因自己崇拜的高手推荐而学习和使用pads,但到了2012年时,发现周边的同事都用 altium Designer。为了融入大环境,实现资源的共享,于是也开发始了altium Designer。当时直接将多个项目的硬件重新按altium Designer设计,现想想,那时也挻狠心的。因为有了以上的经历,所以也发现硬件设计工具的共同点:

1、在器件上分为:

1)、原理图器件;

2)、PCB器件。

两者的关联就是引脚编号

在altium Designer中可关联起原理图器件与PCB器件

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不专门关联也是可以。比如在原理图设计好的,再任意选个PCB器件,虽说这样做也能解决问题,但个人意见是元器件本来就较特殊,若每次都像新器件那样重新确认,这种效率比较低,也难免不出错,不符模块化设计思想,通过原画图器件直接 关联上相关的几种PCB类型,适合于项目长期管理。

本项目接口很多,但还好柯力公司人齐全的实验室,自己于2007年于2012年这段时间,经常在实验室做常规试验与极端试验。所以在接口保护极整机EMC保护上是不成问题的。

硬件设计架构 硬件结构设计_嵌入式硬件_04


原理图设计时,要多使用快捷键。这样能大大提高开发效率。这就好比是生产线工时检查时,要分析整个操作过程中有多少无效动作。

补充:在画原理图时,一家公司自有其图表格式规范。所以会用到模板

创建方法:

1、新建原理图

2、右键打开DOCUMENT OPTIONS

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3、用画图工具画图,不能用电气线

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4、保存为**.schDot
调用方法
在原理图处选Design —General Templates,选择你要用的原理图

PCB设计

一定要关注更层的意义,本产品只需要两层。所以相对比较简单,重点关注这几层即可

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Drill Guide是钻孔引导层,PCB板上会显示设置的钻孔信息

Keep out是禁止布线层,用来设置电气边界.

Drill Drawing 按X 、Y 轴的数值定位,画出的整块印制板所需钻孔的位置图。

新手在使用altium Designer开发PCB时,往往是由供应商来分层,很少有层的概念。导致画的线路板的一次成功率。建议新手多抓住去比较大型的PCB制板厂家的机会。了解了线路板的制作过程,你的PCB设计水平也将起飞。

设置规则

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主要就是设置以下这几项:

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对于特殊部件,可专门定义其规则,比如,单片机引脚间距太小

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此时要注意特殊规则的优先级一定要高于常规。否则无效。就这问题,当时搞得我都开始怀疑人生了。

硬件设计架构 硬件结构设计_单片机_11

布局

接口与定位孔布局工作往往参考设计方案所定的位置来设计,若产品装于复杂的外壳,则建议用outcad导入安装关键位置,有些还要注明高度限制区与高温区。其它方面则按自己的EMC方面经验设计器件的布局。由于有些EMC经验与书本理论所述有所不同,为防引起不必要的争议,所以在此不展开描述。
   对其他器件一般多注意:大电流走线、散热、自动插件机要求、关键丝印位置等
   对于关键位置部件,注意选上locked ,以免误移动

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布线

我没有高计过高于50M的电路(指走线上的时钟速度),通过多年经验总结,基本上关注:电流、电压、地完整性及信号时钟等,虽有些地方也依葫芦画瓢去画交差信号线,但由于频率不高,感觉像怎么画都能成功。至少波形测试及EMC测试都OK。
 另外:线是有一定阻值的,对于ADC相关的供电、参考电压线、最好不要与大电流电路共线,更不能与数字电路其线,这也是大家用相同的ADC芯片与外围器件,而精度就是有一点点差异的关键点。这在EMC书上很少有描述的内容。(基本上只写的地线的方面的内容)
过孔:过孔一般要一致,差异太大,咱们要绿色环保,不要引起制板时老换钻头而费时的事。非大电流的线路本人推荐如下:

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覆铜

1、网络:双面板主要是网络地,如果是隔离设计,则注意两隔离区的间距,本人通过耐压测试后的总结,3KV耐压需求,间隔不要小于3mm。补充:另外大家不要指望这个距离来抗静电。在10kV以上的静电下,这点距离没啥用。在这方面本人的处理方式是,让静电在一个合适的地方放电(距离最近),以免损坏器件,而不要看运气式放电。

2、与其它布线的距离。这时我是分为两类,一类是常规,安全间距设为14mil(也可是10mil)

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另一类是特殊器件及网络有要求,本来想通过clearance来设置,但没搞定,最后保用的办法是,用solid regien

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另外对于距离较短的焊盘之间,如MCU引脚焊盘。为防止两引脚间连锡,导致自动图像检测或人工检测时,误以为不合格。采用方法是,solid regien+引出至焊盘上

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3、对于覆铜与大电流的器件连接时,要加宽线

其方法有多种,推荐方法是在覆铜规则中对那些焊盘特别定义

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这时也要注意多种规则之间的优先级。(我在这坑上进了两回)

DRC检测

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双击以上错误。可直接查看具体错误原因。注意区分哪些放行,哪些要解决。

丝印层处理

原则:1、虽产品正常生产时采用的是自动贴片机生产。但在生产样机与故障检测时,都是人工的。所以丝印提示必须清晰。

2、方向位置上要尽可能统一。上百个器件中找个丝印可不简单。

3、对于现场要看的丝印,如接口定义,则必须大而位置准确。因为现场人员视力可能不佳。

一句话,丝印就像软件界面那样人机交互要直观友好。

操作:

1、PCB只显影响丝硬的层

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2、放置关键的信息,特别是对现场接线方面,如果没有外壳,则与现场操作员换位思考,在线路板上标注接线定义。

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再来一次DRC检测

3D效果检查

这是最接近产品实物的检查。为altium Designer点赞。另外也推荐大家将线路板1:1打印出来,再核对。

收尾

版本号、制板要求

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总结

多年主要是自己设计硬件大体方案,和给同事的原理图找茬,很少自己画原画图与PCB,通过上周的开发,趁端午节有空,静下心来做个总结,此时可发现其开发思路上与软件开发大体是相同的。特别是近年来深入开发linux产品,一看到altium Designer 这个软件,直接想到开发商想解决我什么问题、为什么这么设计,各个参数是什么作用、为什么这几个参数放在一起等等。花了1天了解与总结之后,再开始凭经验设计原理图与PCB板,来验证自己总结的正确性。
    原理图设计时,最难点还是电路保护与设计余量,要从空间、成本及效果综合考虑。由于多年来经常处理现场故障问题分析与实验,还是总结了不了经验,且发现10多年了,这方面经验仍有效,此时一来真佩服那些设计了TVS、压敏电阻、可恢复保险丝及气体放电管等器件的发明者;二来在想为何网上没有人好好总结这些保护电路的设计。也许是考虑到这些器件真正组合在一起使用时,与理论推荐电路有偏差。不好发布吧。
    技巧:多用快捷键。多看看好的产品设计,多积累原理图器件与PCB封装,多模块化设计原理图。让开发过程变成一种享受。