ARM-7设计报告

1、ARM-7核心板一、 设计任务在周立功的 Magic ARM2200-S 实验箱上，实验箱的主体部分是用户板，由一些直接 用于实验的单元电路构成的，比如数码管、按键、蜂鸣器等；而实验箱的核心部分却在另一 块小的电路板上，这就是我们现在要开发的 ARM-7 核心板，它是主要由 ARM-7 芯片、存 储器芯片、接插件和一些辅助电路构成。ARM-7 芯片也像其他单片机一样，内部包含一些存储器，不过只是芯片内部存储器还 不够的，还需要在芯片的外围扩充一些。所以我们的核心板主要就是 ARM-7 芯片和存储器 芯片构成的。ARM-7 芯 片 所 用 的 型 号 是 LPC2200FET144 ， 存 储

2、器 NOR FLASH 芯 片 的 型 号 为 SST39VF160 ，存储器 PSRAM 芯片的型号为 MT45W4MW16 ，存储器 NAND FLASH 芯片 的型号为 K9F2808U0C二、 原理设计1、功能模块ARM-7芯片LPC2200FET144的P2 口( P2.0P2.31),同时也是与存储器连接时的 数据口(D0D31 ) ; P3 口的低24位(P3.0P3.23),同时也是与存储器连接时的地址线(A0A23)； P3.27还作为“写”存储器的控制信号( WE、低电平有效)；P1.1还作为“读”存储器的控制信号(OE、低电平有效)；P3.31P3.28还作为指示32位数

3、据线上 哪些字节有效的 BLS0BLS3 (低电平有效)信号线； LPC2200FET144 芯片把外部存储 器划分成4个区块Bank0Bank3，在访问某一个区块的存储单元时，有对应的 CSn (低电平有效)引脚输出低电平，而 P1.0还作为CS0，P3.26P3.24还作为CS1CS3。为了 进行调试和下载， LPC2200FET144 芯片安排以下几个引脚连接 JTAG 接口： RTCK(P1.26)、 TDO(P1.27)、 TDI(P1.28)、 TCK(P1.29)、 TMS(P1.30)、 TRST(P3.1)。2、主要模块工作原理L咗；iiiurLPi !Kal UU1 丽门J

4、! ft JbiiTjfeiiMHji “HE-jXL-rC jfrj*图1 ARM-7核心板的总线接口和三、PCB板设计1. PCB板规划1）绘制核心板的边框ARM-7核心板的外形如下图所示：y 1-|亠1 .1.7L#3-44 谭IJ9 CMiyF u1图2 ARM-7核心板外形尺寸图（单位 mil）如图6-19所示，ARM-7核心板总体形状近似一个正方形，在左边有两个定位孔；右边放置“金手指”，右边的缺口正是金手指上所需要的；在上下两边，各有一个半圆形缺口， 用于辅助定位。我们把ARM-7核心板图纸的幅面尺寸定为14000 X 8000,并以板的右下角为坐标原点,而把整个图纸的左下角的坐

5、标设为：(-4000, -2500 )。下面我们开始绘制 PCB板的板框，根据图 2上的尺寸，我们首先采用绘制多边形的方 式画出板框的初稿，如下图所示：图3采用绘制多边形方式画出的板框在图3中，三个缺口处，都是直线和直角形式，并不是圆弧，我们将采用倒圆弧角的方式，使其变成半圆状态，如下图所示：图4倒角后的板框2) 放置定位孔接着我们放置定位孔，回到创建ARM-7核心板的环境中，点击“ Places Manually”菜单项，弹出如下对话框:图5放置定位孔在图5中，首先选择要放置元件的类别为Mechanical symbol”，然后选择我们在前面创建的定位孔“ mtg130”，就可以把它放置到

6、PCB板上了。显然定位孔的位置一旦放好了， 在后面的设计过程中就不应该移动它了，为了避免误操作，我们要把它固定住：用鼠标右键点击定位孔，在弹出的菜单中选择“Fix”，它就被固定住了。对于其它元器件，只要确定它的位置不需要再移动了， 也可以用上述办法将其固定住。定位孔放置完成后板框如下图所示：图6放置定位孔后的板框2.主要元器件封装2.1.制作“金手指”元件封装我们要制作的“金手指”共有144个焊盘（或称“引脚”），其奇数焊盘都在顶层、偶数焊盘都在底层。“金手指”当中有一个缺口，将“金手指”分成两部分：焊盘编号160为前半部分，焊盘编号 61144为后半部分；缺口处相邻两焊盘的中心距为177mi

7、l，其余处两个相邻焊盘的中心距是 32mil。打开“ PCB Edit ”软件，新建“ edge_144”元件封装。根据初步计算，我们把图纸的宽 度定为3000mil，高度定为1500mil，图纸中心为原点。首先放置顶层前半部分的焊盘，点击“Layout宀Pins”菜单项后，在“ Options”窗口中，选择焊盘为“ smd20rec150t”，其余按照下图设置：:Optiors Mechancal|$MD20REC1 口Rec：情 nqula?回匚omectCopy(00血；SpacingOrderRoldtion：Rntt：Teni： block:Offset X:V：厂Qty图7放置顶层

8、前半部分焊盘时的“Options ”窗口设置设置“ Options”窗口后，在命令窗口输入“x -1209 -150”，于是就放置了顶层前半部分的30个焊盘。我们接着放置顶层后半部分的42个焊盘，在“ Options”窗口中，按照下图设置：FOptloins卡 |回 Connect |_| M edhariicaiRedangularSMD30REC1Padstack：Copy mode:图8放置顶层后半部分焊盘时的“Options ”窗口设置在命令窗口输入“ x -104 -150 ”，于是就放置了顶层后半部分的42个焊盘。我们接着放置底层前半部分的30个焊盘，首先选择焊盘为“smd20re

9、c150b”，在Options窗口中，按照下图设置：Opt 10 06回 Connect MechariwlPad sl ack:|SiTid2DrBc15C I . ICopy mode.RectangulaiQty 托|3Q Y：SpKrig OrderBdalion:0.000PinttTeKt block:Offset X:图9放置底层前半部分焊盘时的Options ”窗口设置在命令窗口输入“ x-1209 -150 ”，于是就放置了底层前半部分的30个焊盘。我们接着放置底层后半部分的42个焊盘，在“ Options”窗口中，按照下图设置:|SMD20nEC1Rectangular1C

10、opy rwde: MechsnfMlSpacing OrderQ期C42:Options 回 Cormeci Pad$4*ck:Y:Rdaiion：0OODPin tt.T ewt block:OffsetsS2 Inc: 7厂囹Y;面图10放置底层后半部分焊盘时的“Opti ons ”窗口设置焊盘放置结束后，再进行外框、占地区域、参考编号的设置，这些部分与常规的元件类似，就不多说了。最后的元件封装如下图所示：js J果心弧3IHIIIIIIHM NIIMIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIH图11“金手指”封装完成图在图11中，请注意在顶层和底层都要放置占地区域。另外为了

11、标识清晰， 在顶层1号、143号焊盘处，用顶层丝印层添加“1 ”和“ 143 ”文本；在底层2号、144号焊盘处，用底层丝印层添加“ 2”和“ 144”文本，同时还要对底层的文本进行“磁镜像”操作（点击文本 后，用点击鼠标右键，在弹出的菜单中选择“Mirror Geometry ”）。2.2 BGA封装的制作2.2.2 BGA封装简介BGA封装的芯片，是大规模的芯片近年来的流行趋势，因为诸如FPGA、微处理器等芯片的管脚数越来越大，常常需要500600条之多，即使采用四面都是密集管脚的QFP封装形式，也非常困难。为了能安排下这么多管脚，导致芯片的尺寸变大，芯片的成品率下降。BGA封装能够很好地

12、解决上述，它不像其它芯片封装形式那样，只在芯片的边沿处布有引脚，BGA封装在芯片整个底面都布置上引脚，比如LPC2220FET144芯片就有采用 BGA封装形式的，如下图所示:irdH naDHU S1 1GFEDLBtfeOCF QOQOOO OOoooooodlooiooocghQOOdQaCOODDD&- ooooQOOO&_2ooooOCQQ oooo oo 000 o o 0 ooooooo o o o o oaooooC也叫*Cm H5T71balA l / In咖OQOO ooooOO DO QQQQ OCOQQO i o o o o o o Aoooooo gQQOOfOOOO

13、QA.DfMEKlOtlS (rnn m the &nnarf dlmenelHoria)UNITAAlAXbDEii*yfimmmar wn nmB 2：1.M0.5EZ -ZAz汇:O.Tfln.&sz ：z XI -Ztan11012.112.011.904aosD.1图12 TFBGA144封装尺寸图图12是一个144管脚的BGA封装芯片的结构图。如图所示， BGA封装的芯片在其底 面上，密布了众多管脚，而每个管脚是一个个小的锡球。由于管脚由“线分布”变成了“面 分布”，所以同样尺寸的芯片就可以安排更多的管脚，芯片的价格也就更低。同样是144脚的芯片，如果采用 TQFP封装形式，其占用

14、的面积大概是BGA封装形式芯片的4倍。虽然BGA封装的芯片有着上述的优点，但是因为管脚的密度很高， 就给PCB板的设计带来不小的难度，通常包含BGA封装芯片的PCB板总是采用多层 PCB板。2.2.3 制作BGA封装的焊盘下面我们就开始制作 BGA封装的焊盘，BAG封装的焊盘制作比较简单， 仅仅需要一个 圆形的单层焊盘，这个圆形焊盘的直径一般比锡球直径略小，我们选择0.4mm。该焊盘的名称命名为：“smd16cir”（表示直径为16mil的圆形表层焊盘）。由于制作表层焊盘比较简单，就不过多地介绍了。2.3 制作BGA封装下面我们使用向导的方式创建BGA封装，打开“PCB Edit”软件，点击“

15、File宀New”在弹出的对话框中按照下图方式，进入向导方式创建元件封装：图13采用向导方式创建 TFBGA144封装1单击“ 0K”按键后，在新出现的对话框中按照下图设置，选择“ PGA/BGA ”选项:Package Symbol Wizard soic PUCOnAP 凹匡蛍凰 TH DISCRETE SMD DISCRETE EIP ZJPPackage T 小: DIPStall： bp chocwing lhe tupc d package wu want to creeo o ao o o0 O & 0 0 0 Oo o ao q ao o aDOO ODO O O O p D

16、C口 Q O Q 口 o o o o 0 o O G a iQ D O图14采用向导向导方式创建 TFBGA144封装2点击“Next”按键后，在新的对话框中，首先点击Load Template”（选择默认的模板）, 然后点击Next ”。图15采用向导向导方式创建 TFBGA144封装3在图15中点击“ Next”后，在新出现的对话框中，设置所用的单位和参考编号前缀。 我们采用毫米为单位，参考编号以“U”为前缀，如下图所示：图16采用向导向导方式创建 TFBGA144封装4在图16中，点击“ Next”后，在新的对话框中设置焊盘的排列方式，根据芯片资料上 管脚的排列方式，进行如下设置：图17

17、采用向导向导方式创建 TFBGA144封装4在图17中，完成设置后点击“ Next”按键，新出现的对话框，它是设置焊盘编号的排列顺序的。由于其默认值与芯片资料的当顺序完全一致，所以不必进行设置，直接点击“Next按键，在新出现的对话框中，设置管脚间距和元件的尺寸，我们根据芯片资料，按照下图方 式进行设置：Fadcage Symbol Wkzard - Pindall Edrid Array ParameEerfO O O O O O 0 Q G00O O O o o oOOOOOOGOOQOaooo-o ooooooooO O QOCOOO000 oooooooaDLd pitchVertic

18、al calumns (bv|:Hoiizonlal rows (eh):milm Biers|0.9fl0 习 mildeiiPackage width (EfPadk旳e lenglh (DJ:1I2DDD|12 OODmilirn Biers：milm日辭PIN/BAcWRHAY图18采用向导向导方式创建 TFBGA144封装4在图184中，点击“ Next”按键后，出现新的对话框，在该对话框中，选择焊盘，我们选择“ smd16cir”，以下的设置都比较简单，就不多述了，最后创建的TFBGA144封装的元件封装，如下图所示：A1抚A-3M比隔M A8 A观囲個3 射暮固眄矽般關翳関堆叽

19、同铮C3诃矽诃询阪D9拙巩D初辭61 就 G3G4IWU2H3IM 曲卫弱J4回矽矽时矽聽%!規矽 L1 谚 L3 y D 百 17 甬 L Wi LJZ13Ml U2N3U4N5U6M7 U3 神业竭闻心图19 TFBGA144封装完成图同样，在 ARM-7 核心板电路中， NOR FLASH 芯片 SST39VF160 和 PSRAM 芯片 MT54W4MW16也是采用BGA封装的，请同学们自行查找资料并完成芯片封装的设计。3、元器件的布局3.1电源层、地层的分割在ARM-7核心板上，有两个地线网络：数字地和模拟地，其中数字地的网络名 为“ Gnd”，模拟地的网络名为“ Agnd”。在前面

20、我们已经在“ Gnd”层建立了“ Gnd”网络 的Shape，它的范围是整个板的区域。我们直接在“ Gnd”层建立另一个连接“ Agnd ”网络Shape,就可以实现“ Gnd”平面层的分割。点击Shapes Polygon ”,然后在Options ”小窗口中按下图进行设置:p * *:OptionsActive Cla$ and Subclass:Shape FiTypt Dynamic coppeiDef&r performing dynamic FillAssign nel name:Agndeluent gridSImpq gridSegment TvpeType:图20建立新Sha

21、pe”的设置接着我们在PCB板上绘制多边形，这个多边形应该将所有“Agnd”网络的焊盘都包括进去，而不要包含“ Gnd”网络的焊盘，也不要让“ Gnd”网络的焊盘形成“孤岛”。 绘制多边形之后，就自动地将“Gnd”层进行了分割HiHiT1 二三=Icraiiili騎牖! - - .1. -图21地层的分割匚HI二；計;I21I粧宙x:=:i=越:邂瘵鹫J理1iiiiipii：=n:r=：3i|ini j|i|ifiiui!Ui II鮒翊沁=兰二Mi ii-issiiiidii二二壽;=邛MH!niaiHiai图22电源层的分割在图21中创建了“ Agnd”网络的Shape,它与“ Gnd”网络

22、的Shape之间的距离 为15mil，这是我们前面在间距规则中所设置的。另外我们还应该在“ Vcc”层创建连接“ Vdd1.8”、“ Avdd3.3”、“Avdd1.8 ”网络的三个 Shape。如果希望修改已经画出的Shape,可以点击“ Shapes Edit Boundary ”菜单项，然后直接用鼠标在要修改之处重新划线。3.2 布线3.2.1扇出扇出是指在焊盘进行连线时，先从焊盘引出一小段连线，再打个过孔。诸如BGA等封装，内层焊盘的网络是不可能都从顶层直接引出的，一定要采用扇出的方式把它们从各个层引出。321.1扇出设置进行扇出操作的方法是：点击“ Routet Fanout By

23、Pick”菜单项，然后点击鼠标右键，在弹出的菜单中选择“ Setup”菜单项，弹出以下对话框：SPECCTRA Automatic Router ParametersSpread WireiMiter ComssE longueFanoutBus Routing | S&ed ViasTesipointD irection: Od OutVia Lwatiori: inside| . Mjodnum Fanput Lengili.Fanout Grid回 Qnent Via Grid 1 Wire Between Vias 2Wirs BatweanVias Specified Grid: |

24、回 EitherI I 口诫 side 回 Ar(ywhaeO Enable HadidWae$Blirtd/Buried Via Depth_ Fanout Blind/BuriedVias To:回5 Bottom Oppose Side _Man: Signal Layer Span:Pinai回 Specified:J Power Nets Single Pin MetsQ Signal Nets Unused Pins:回harinrl Share Within Distance: Share Pins|_J * !：-： 11- ibA Share SMDs on Way to V

25、ia| Mlax Share Count:O Share Vias氐5仙图23扇出选项页如图23所示，“Direction ”用于设置扇出的方向：In”表示向内扇出、Out”表示向 外扇出、“ Either ”表示两者任意。Via Location ”用于设置过孔的位置：Inside”表示在芯片内部、Outside”表示芯片 外部、“ Anywhere ”表示任意。完成扇出的设置后，可以点击“OK ”按键，关闭上述对话框321.2扇出操作进行扇出操作的方法是在完成扇出设置后，然后检查“Find”小窗口中，“Comps”是否被选中，如果没有被选中，应该选中它，然后点击要进行扇出操作的元件，就可以

26、开始该 项操作，最后按下“ F6”键完成操作。下图就是对 BGA封装的NOR FLASH芯片进行扇出 操作后的情形：图24扇出后的BGA封装芯片从图24上可以看出，各个引脚上都进行了扇出操作。由于BGA芯片最外层的焊盘网络可以直接从顶层引出，所以可以扇出它们所连的过孔和连线（有一些应该保留）。322 手工布线3.221布线设置在我们点击Routes Connect”（或者按下F3”按键），即开始进行手工布线，这时“ Opti ons ”小窗口如下：:OptionsNcc3Act叼ViaLine lock:Lined45M iter:1 x widthJMinJLine width;SBubbl

27、e:Shove preferredbdShove vias: OH| QridlessPI Cip dangling clinesSmoollh：M inimal0 Snap to connect pointJ Replace etch图 25 手工布线时的“ Options ”设置小窗口在图 25 中，最上面的两项是当前的走线层和将要转换的层，“Via ”一栏用于选择过孔，“Net”的标签上显示了当前所布线的网络。它后面的一个栏目可以选择“Alt ”或“ WL”,“Alt ”表示布线可以进行换层， “WL ”表示布线在一层中进行。“Line lock ”的两栏用于设置走线弯折处的方式。第一栏

28、选择“ Line ”表示在弯折处为 直线；选择“ Arc ”表示弯折处为圆弧。第二栏选择“45”表示弯折处为 45弯折角；选择“ 90”表示弯折处为 90弯折角；选择“ Off ”表示没有弯折角，用一个线段直接连接两点。“Miter ”的两栏对弯折处的长度进行设置。第一栏可以设置成若干倍的线宽；第二栏 可以设置为“ Min ”或“ Fixed ”，分别表示前一栏是弯折处长度的最小值、或固定的弯折处 长度。“Line width ”栏用于设置线宽，这项我们已经很熟悉了。“ Bubble”栏用于设置绕过障碍的方式。“ Hug only ”表示“抱紧”方式绕过障碍物；“Hug preferred ”

29、表示优先采用“抱紧”方法，如不成功再采用“推挤”的方式；“Shove preferred”表示优先采用“推挤”的方式，如不成功再采用“抱紧”的方式；“Off ”表示不进行任何处理。“Shove vias”表示推挤过孔的方式。“Minimal ”表示最小幅度推挤过孔；“Full”表示 完整推挤过孔；“Off ”不推挤过孔。选中“ Gridless ”表示无栅格点布线。选中“ Snap to connect point”表示从焊盘、过孔的中心引出连线。选中“ Replace etch”，表示新绘制的连线将直接替换以前的线。3.2.2.2 布线操作进行了布线设置后，就可以进行布线操作了，例如：从某个a焊盘连接到b焊盘上，点击 a 焊盘后， 移动鼠标就可以画出连线。 在此过程中可以放置焊盘并使走线换到另一层， 放 置焊盘可以双击鼠标左键，放置焊盘，并切换到另一层；或者点鼠标右键， 在弹出