《电路CAD技术》-项目六AT89S51电路的印刷电路板设计(自动布线法)

任务一PCB编辑器的环境参数设置及规划PCB板6.1.1认识印制电路板印制电路板(printedcircuithoard,PCB)亦称印制线路板，简称印制板，英文称为PCB所谓印制电路板是指，在绝缘基板上，有选择地加工安装孔、连接导线和装配焊接电子元器件的焊盘，以实现元器件间的电气连接的组装板。在制成最终产品时，其上会安装集成电路、电晶体、二极体、被动元件(如电阻、电容、连接器等)及其他各种各样的电子零件。因此，印制电路板是一种提供元件连接的平台，用以承接联系零件的基础。用印制电路板制造的电子产品具有以下优点:下一页返回任务一PCB编辑器的环境参数设置及规划PCB板(1)实现电路中各个元器件间的电气连接，代替复杂的布线，简化了电子产品的装配、焊接、调试工作。

(2)缩小了整机体积，降低了产品成本，提高了电子设备的质量和可靠性。

(3)可以采用标准化设计，有利于装备生产的自动化和焊接的机械化，提高了生产率。

(4)使电子设备便于实现单元模块化，便于整机产品的互换与维修。在日常生话中，我们可以根据不同的导电板层来对PCB板进行划分。(1)单面印制电路板(singlesidedprinthoard)(2)双面印制电路板(doublesidedprinthoard(3)多层印制电路板(multilayerprinthoard)上一页下一页返回任务一PCB编辑器的环境参数设置及规划PCB板

图6-1所示为一个典型四层电路板结构图。整个电路板包括顶层(toplayer)、底层(bottomlayer)和两个中间层。层与层之间是绝缘层，绝缘层用于隔离电源层和布线层，绝缘层的材料要求绝缘性和耐热性要好。6.1.2电路板的工作层面一块印制电路板都是由一系列的工作层来构成的，不同的印制电路板具有不同的工作层面。设计一块印制电路板，首先要根据需要选择和设置相应的工作层面。上一页下一页返回任务一PCB编辑器的环境参数设置及规划PCB板1.工作层的类型

Protel99SE提供了若干不同类型的工作层面，包括信号层(signallayer),内部电源/接地层(internalplanelayer)、机械层(mechanicallayer),阻焊层(soldermasklayer),锡膏防护层(pastemasklayer)、丝印层(silkscreenoverlayer)、钻孔层(drilllayer)和其他工作层面(other)。6.1.3工作层面的设置1.信号板层和内部电源/接地板层设置在设计窗口单击鼠标右键，执行菜单命令“Options"(选项)下的“LaverStackManager”就可以看到如图6-3所示的工作层面管理对话框。也可以直接执行“Design\LayerStackManager”的菜单命令。上一页下一页返回任务一PCB编辑器的环境参数设置及规划PCB板2.下面介绍如何设置工作层1)添加中间信号层将光标移至图6-3中层示意立体图左边的顶层指示标记上，单击鼠标左键选中此项，之后将光标指牛针移至对话框右上方“AddLayer”按钮上并单击鼠标左键，执行添加信号层命令，就会在顶层下面增加中间信号层1(MidLayerl)若再次单击"AddLayer”按钮，则会在中间信号层1(MidLayerl)下面增加中间信号层2(MidLayer2)。依次执行该命令，最多可添加30个中间信号层。完成中间信号层添加任务后，单击图中右下方的“OK”按钮，我们就会在编辑区下方的工作层标签中看到刚才增添的中间信号层。选中某个工作层，单击"Properties”按钮，将弹出如图6-5所示的工作层面编辑对话框，在其中可设置该工作层面的名称(Name)和敷铜厚度(Copperthickness)。上一页下一页返回任务一PCB编辑器的环境参数设置及规划PCB板2)添加内部板层将光标指针移至图6-3层示意立体图左边的需添加内部板层位置的上层指示标记上，单击鼠标左键选中该项，将光标指针移至对话框右上方“AddPlane”按钮上单击鼠标左键，执行添加内部板层命令，就会在所选工作层下面增加内部板层1(InternalPlanel)。若再次单击“AddPlane”命令，则会在内部板层1(InternalPlanel)下面增加内部板层2(InternalPlanet)。依次执行该命令，最多可添加16个内部板层。完成添加内部板层后，单击图6-3右下方的“OK”按钮，在编辑区下方的工作层标签中便可看到刚才添加的内部板层。上一页下一页返回任务一PCB编辑器的环境参数设置及规划PCB板3)删除工作层将光标指针移至图6-3层示意立体图左边想要删除的某工作层标记上，单击鼠标左键选中，而后单击对话框右上方按钮“Delete”，执行删除命令。此时，系统会提示我们是否确认要移去选中的层，回答“Yes”即可删除选中工作层最后单击图6-3右下方的“OK”按钮即可

4)调整工作层的位置若将某工作层上移，只需将光标指针移至图6-3层示意立体图左边，单击鼠标左键选中其标记，之后将光标指针移至对话框右上方按钮“MoveUp”上单击鼠标左键即可。若下移，可单击"MoveDown”按钮。最后单击图6-3右下方的“OK”按钮即可上一页下一页返回任务一PCB编辑器的环境参数设置及规划PCB板5)机械板层的设置执行菜单命令“Design\Options”，单击其中的“Layers”选项，弹出工作层设置对话框。该对话框用于设置打开或关闭某个工作层，只需选中工作层前的某个复选框，即可打开对应的工作层。对话框右下角三个按钮的作用是:"AllOn"—打开所有的层;"AllOff"—关闭所有的层;"UsedOn"—只打开当前文件中正在使用的层。上一页下一页返回任务一PCB编辑器的环境参数设置及规划PCB板7)当前工作层的选择

PCB编辑器包含一种层的环境，用户就是通过在这些不同的层上放置相应的实体来完成PCB板设计的。在任意时刻，只有一个板层是当前层(CurrentLayer)图6-7所示为工作区底部的板层标签，从图中可以看出此时的当前层是顶层。

8)设置栅格执行菜单命令“Design\Options"，在出现的对话框中选中“Options”选项卡，出现如图6-8所示的设置栅格对话框上一页下一页返回任务一PCB编辑器的环境参数设置及规划PCB板6.1.4PCB编辑器的环境参数设置一、启动Protel99SE的PCB编辑器在文档管理器界面中执行菜单命令“File\New”，系统弹出如图6-9所示的新建文档对话框。双击该对话框中的“PCBDocument”图标或者选中后单击“OK”按钮均可创建一个新的PCB文档。新建的PCB文档的文件名默认为“PCB1”，用户可对其进行重命名等。双击要打开的PCB文档图标或在左边的文档管理器中单击要打开的PCB文档的名称，系统就会启动PCB编辑器，弹出如图6-10所示的PCB编辑窗口。上一页下一页返回任务一PCB编辑器的环境参数设置及规划PCB板二、PCB编辑器的工具栏1.主工具栏主工具栏如图6-11所示，表6-1列出了主工具栏中各按钮的功能，表中序号为图6-11所指按钮。2.放置工具栏放置工具栏是通过执行“View\Toolbars\PlacementTools”菜单命令来进行打开或关闭的。它包含了各种放置图件对象的命令。打开的放置工具栏如图6-13所示3.元件布局工具栏打开的元件布局工具栏如图6-14所示。上一页下一页返回任务一PCB编辑器的环境参数设置及规划PCB板4.查找选取工具栏打开的查找选取工具栏如图6-15所示。查找选取工具栏上各个按钮的功能如下。(1)按钮1:将视图跳转到第一个选取对象(2)按钮2:将视图跳转到前一个选取对象(3)按钮3:将视图跳转到后一个选取对象(4)按钮4:将视图跳转到最后一个选取对象(5)按钮5:将视图跳转到第一个选取对象组(6)按钮6:将视图跳转到前一个选取对象组。(7)按钮7:将视图跳转到后一个选取对象组。(8)按钮8:将视图跳转到最后一个选取对象组。上一页下一页返回任务一PCB编辑器的环境参数设置及规划PCB板三、PCB编辑器的界面管理

PCB编辑器的界面管理与原理图编辑器的界面管理基本类似，包括工作界面的缩放、显示、刷新等工作，这些命令主要集中在“View”菜单中，如图6-17所示四、设置PCB工作环境参数

Protel99SE提供的工作环境参数包括特殊功能、工作层面颜色、显示/隐藏、默认参数、信号完整性。根据自己的需要和喜好对这些工作参数进行设置后，便可以在自己喜欢的环境中方便地进行工作了。执行菜单命令“Tools\Preferences"，弹出如图6-19所示的PCB工作参数设置对话框。所有的工作参数可分为6大类分别进行设置。上一页下一页返回任务一PCB编辑器的环境参数设置及规划PCB板6.1.5规划电路板所谓规划电路板，就是根据电路的规模以及公司或制造商的要求，具体确定所需制作电路板的物理外形尺寸和电气边界。电路板规划的原则是在满足公司或制造商要求的前提下，尽量美观且便于后面的布线工作。电路板的机械轮廓是指电路板的物理外形和尺寸，需要根据公司或制造商的要求进行相应规划。机械轮廓，一般是定义在4个机械层面上的。上一页下一页返回任务一PCB编辑器的环境参数设置及规划PCB板

电路板的电气轮廓，是指在电路板上布线和放置元件的范围。电气轮廓，一般是定义在禁止布线层上的。禁止布线层是用于定义布线和放置元件的“合法”区域的特殊层面。一般地，可将该“合法”区域的大小定义为电路板物理轮廓大小。所有信号层上的元件和布线都将被限制在该区域之内。1.手动规划电路板

(1)执行菜单命令“Edit\origin\set”或者单击放置组件工具栏中的放置相对原点图标“”，放置相对原点。在状态栏上可看到工作区中各点的坐标已经改变为新坐标系统下的坐标。上一页下一页返回任务一PCB编辑器的环境参数设置及规划PCB板(2)执行菜单命令“View\ToggleUnits”,设置单位制为公制(Metric)o(3)在工作层设置中选中“KeepOutLayer”复选框，然后用鼠标单击工作区下方标签上的“keepOutLayer”(禁止布线层)，将当前工作层设置为“KeepOutLayer"。

(4)执行菜单命令“Place\Line”放置连线，一般规划印制电路板从工作区的左下角开始)(5)采用同样的方法继续画线，绘制一个尺寸为50mmx50mm的闭合边框，以此边框作为电路板的尺寸，如图6-27所示。此后，放置元件和布线都要在此边框内部进行上一页下一页返回任务一PCB编辑器的环境参数设置及规划PCB板2.利用制板向导创建和规划PCB(1)启动PCB创建向导。从“File”菜单中选择“New”命令，在弹出的“NewDocument”对话框中选择“Wizards”选项卡，如图6-28所示。选择其中的“PrintedCircuitBoardWizard”，然后单击“OK”按钮。系统出现欢迎信息，直接单击”Next”按钮。

(2)选择电路板模式。在如图6-29所示的对话框上部的“Units”区域中有两个单选按钮，即"Imperial"(英制)和"Metric"(公制)，用于设置PCB的长度单位。对话框下部是电路板模式的列表框，有"IBMAThusformat"(IBM的AT总线格式)、"IBMXThusformat"(IBM的XT总线格式)和"Standardbusformat"(标准总线格式)等选项。但是一般来说，很少使用Protel99SE提供的各种预定义格式的电路板，而基本都使用列表框的第一项"CustomMadeBoard"(自定义电路板)。完成上述设置之后，单击"Next”按钮进入下一步。上一页下一页返回任务一PCB编辑器的环境参数设置及规划PCB板(3)设置板的轮廓和板图显示。在如图6-30所示的对话框中，右上方有3个单选按钮，用于确定PCB板的形状，它们分别是“Rectangular"(矩形)、"Circular"(圆形)和“Custom"(自定义外形)。根据所选的PCB板形状的不同，其前面的编辑框和显示的信息也有所不同。对于矩形和自定义形状的PCB板而言，需要设置其宽度(width)和高度(Height);对于圆形PCB板而言，需要设置其半径(Radius)。

(4)设置矩形边界尺寸。在如图6-31所示的对话框中，设置矩形的宽度和高度。如果已经认可矩形的尺寸，则直接单击"Next”按钮进入下一步;如果对尺寸或宽高比不满意，可以将光标移动到相应的边长上，其数值会自动显示为编辑状态，此时可以输入所需的边长值。设置完成之后，单击"Next”按钮进入下一步。

(5)设置切角尺寸。在如图6-32所示的对话框中，设置矩形边界的切角尺寸，只有在第三步时选择了“ComerCutoff'’复选框时才会有这一步。完成设置后，单击"Next”按钮上一页下一页返回任务一PCB编辑器的环境参数设置及规划PCB板(6)设置挖孔的尺寸和位置(7)设置PCB板的设计信息(8)设置板的层数(9)设置过孔或盲孔。(10)设置板的应用类型(11)设置布线相关尺寸(12)将设置保存为模板(13)完成设置上一页返回任务二正确导入网络表1.导入网络表载入网络表时，网络表和元件封装是同时载入的，为了保证网络表和元件封装载入成功，在设计原理图时务必要给每一个元件指定封装形式，并且该封装形式能够在当前PCB已经载入的封装库中找到。导入网络表的具体操作步骤如下。创建网络表之后，切换到PCB板图工作区，然后从“Design”菜单中选择“LoadNets”命令，如图6-43所示，打开如图6-44所示的加载网络表对话框。单击“Browse”按钮，打开选择网络表文件的对话框。在该对话框顶部的下拉列表框中选择设计数据库文件，一般是当前的设计数据库，然后在其下方选择数据库中需要载入的网络表文件，如图6-45所示。单击“OK”按钮，回到加载网络表对话框。下一页返回任务二正确导入网络表2.导入网络表的错误修改网络表如果生成网络宏时出错，装入网络表对话框时会列出出错信息，如图6-46所示，并且在单击"Execute”按钮后将弹出“Confirm"(确认)对话框，提示系统无法执行所有的网络宏并询问是否强行装入。此时，应该先改正错误后再装入网络表和元件。3.利用同步器更新原理图与PCB(1)在原理图工作环境下，执行菜单命令“Design\UpdatePCB"(更新PCB)，即可弹出如图6-47所示的对话框，选择所要更新的PCB文件，然后单击"Apply”按钮，打开如图6-48所示的“UpdateDesign”(同步器参数设置)对话框。上一页下一页返回任务二正确导入网络表(2)设置完同步器的参数后，单击图6-48中所示的“Execute”按钮，同步器开始扫描所选的PCB文件信息和原理图信息，之后给出元件匹配信息，如图6-49所示。单击图6-49中的“Apply”按钮，同步器即开始更新PCB文件对于新建一个PCB文件来说，这个更新过程即是将原理图的信息装入PCB文件的过程。上一页返回任务三自动布局、自动布线的规则设置

导入AT89S51电路的网络表，如图6-50所示，然后要对元件封装进行布局和布线。布局和布线分为手工和自动两种方法。本项目介绍自动布局布线法。在自动布局布线之前，首先要设置自动布局布线的规则。1.自动布局设计规则设置执行菜单命令“Design\Rules”，在弹出的规则设置对话框中选择“Placement”(布局规则)选项，弹出如图6-51所示的元件布局规则对话框。下一页返回任务三自动布局、自动布线的规则设置2.自动布线设计规则设置

Protel99SE的自动布线工具本身并不知道应该做些了1‘么。为完成布线任务，自动布线需要在正确的规则和限制条件下进行。例如，不同的信号线有不同的布线尺寸、布线层、安全距离等，设计规则对自动布线工具的完成有很大影响，因此，自动布线之前一定要认真设置自动布线的设计规则。在PCB板编辑器中执行“Design\Rules”，弹出如图6-57所示的设计规则对话框，选择“Routing”选项，进行与布线有关的设计规则的设置。共有10个设计规则，下面就每个规则进行具体介绍。上一页下一页返回任务三自动布局、自动布线的规则设置(1)“Clearanceconstraint”(走线间距限制):用于规定走线、过孔、焊盘等之间的最小安全距离，双击该项或选中该项后单击“Properties”属性按钮可以更改规则。

(2)“Routingcorners”(设置走线转角方式规则):用于设置自动布线时，导线转角的方式。

(3)"Routinglayers"(设置布线层规则):用于设置自动布线时所使用的信号层，以及在各层上布线的方向。

(4)"RoutingPriority"(设置布线优先权规则):用于设置自动布线时的先后顺序。

(5)"RoutingTopology"(设置布线的拓扑结构规则):用于自动布线时，采用何种形状进行布线。上一页下一页返回任务三自动布局、自动布线的规则设置(6)“RoutingViastyle”(设置过孔类型规则):用于设置自动布线时采用的过孔类型。

(7)“SMDNeck-Downconstraint”(设置贴片式焊盘与导线比例规则):即设置导线在连接贴片式焊盘时，导线宽度占贴片式焊盘宽度的百分比率。

(8)“SMDtocornerconstraint”(SMD焊盘与导线转角间最小距离规则):用于设置SMD焊盘与导线转角间的最小距离。

(9)"SMDToplaneconstraint"(SMD焊盘与电源层的过孔或焊盘最小间距规则):用于设置SMD焊盘与电源层的过孔或焊盘的最小间距。上一页下一页返回任务三自动布局、自动布线的规则设置(10)"Widthconstraint"(设置走线宽度限制规则):用于设置自动布线的最小、最大导线的宽度。上一页返回任务四自动布局、布线6.4.1自动布局1.自动布局前的准备工作

(1)布局范围的设置。确定印制电路板是单面板或是双(多)层板，入工布局事先可以不设置布局范围，但自动布局和布线时必须在布局前设置一个布局区域，即要使用禁止布线层规划好PCB板的范围。

(2)布局栅格设置。执行菜单命令“DesignOptions"，弹出如图6-71所示的设置对话框，选择“Options”选项，设置好捕获栅格和元件栅格的间距大小。下一页返回任务四自动布局、布线2.执行自动布局自动布局的准备工作完成之后，就可以执行自动布局了。执行菜单命令"ToolsAutoPlacementAutoPlacer"，弹出自动布局对话框，如图6-72所示，共有2个选项。

(1)"ClusterPlacer"(组布局方式):指的是将元件按照连接关系分组，然后按几何关系在布局区域内放置元件，这种方式可以选择快速布局选项并适合元件较少电路。上一页下一页返回任务四自动布局、布线(2)“StatisticalPlucer”(统计布局法):根据统计算法放置元件，使元件间的连线长度最短，这种方式适合元件数目较多(>100)的电路。如果选择这种方式，弹出如图6-73所示的对话框，可以设置元件组、元件旋转、地线网络、电源网络和布局栅格等。

图6-74所示为AT89S51电路板自动布局后的效果图，有很多元件重叠在一起。推挤法是指固定一个元件封装，将其他与它重叠的元件推开。具体操作如下。

(1)设置推挤深度。

(2)执行推挤上一页下一页返回任务四自动布局、布线6.4.2自动布线1.预布线

Protel99SE的自动布线功能虽然很强大，但也并不是完美的。因此，在实际工作中，对于某些重要的网络要进行手工布线，此时，就需要对这些预先布好线的网络进行保护，以免受到自动布线的修改，这就是预布线。要想预布线不被自动布线修改，必须满足几个条件:(1)每一条导线必须是完整的，即导线始于焊盘或过孔，也必须终于焊盘或过孔。)(2)当某一网络要进行布线时，必须保证该网格的完整性(3)所有的布线必须被锁定。上一页下一页返回任务四自动布局、布线2.自动布线参数设置完成自动布线的设计规则之后，就可以进行自动布线了，执行菜单命令“AutoRoutesetup”，系统弹出如图6-78所示的自动布线设置对话框，主要用于设置自动布线的策略、参数和测试点等。3.自动布线执行菜单命令“AutoRoute"，如图6-79所示，自动布线的方式有5种，分别如下

(1)"All"(全局布线):系统将对除预布线外的所有导线进行布线。

(2)“Net”(指定网络布线):选中后出现“十”字光标，单击需要布线的网络，该网络进行布线

上一页下一页返回任务四自动布局、布线4.拆除布线在刚刚完成自动布线后，如果觉得效果不满意，可以直接单击撤销按钮，将自动布线的操作撤销。也可以利用Protel99SE中的自动拆除布线功能，对已经完成的布线进行逆操作，将布线撤销。具体操作为:执行菜单“ToolsUn-Route”，如图6-82所示，其中，“All”为全局拆除布线，“Net”为指定网络拆除布线，

"consection”为指定两点间拆除布线，"Component”为指定元件拆除布线。上一页下一页返回任务四自动布局、布线(3)“connection”(指定两点间布线):选中后出现“十”字光标，单击要布线的飞线或焊盘，在两个焊盘间进行布线。

(4)“Component”(指定元件布线):选中后出现“十”字光标，单击要布线的元件，对该元件进行布线。

(5)“Area”(指定区域布线):选中后出现“十”字光标，拖动光标确定一个矩形，对矩形内元件进行布线上一页返回任务五印刷电路板的输出打印6.5.1计算机辅助制造输出文件1.在CAM管理器中建立元器件材料表菜单命令“FileCAMManager”用于设置与建立有关电路板制造方面的一些文件。

(1)选择“FileCAMManager”菜单命令，进入CAM管理器向导窗口。单击“Next”按钮进入第二步

(2)在如图6-83所示的向导中选择输出文件的类型。此时选择“Bom”，即元件表类型，然后单击按钮“Next”进入向导的第三步

(3)在向导第三步中，输入元件表名，如图6-84所示。然后单击“Next按钮进入向导第四步。

(4)选择元件表的文件格式，采用电子表格(Spreadsheet)就可以满足一般要求。如图6-85所示。下一页返回任务五印刷电路板的输出打印(5)选择元件表的格式:元件列表(List)和元件分组列表(Group。如图6-86所示。(6)选择元件列表的排序字段，可以根据需要选择。如图6-87所示。2.在CAM管理器中建立设计规则违规检查表输出设计规则违规检查表的操作方法和步骤与输出元器件材料表的基本一样，只是在选择产生文件类型对话框中前者选择“DRC”项，如图6-89所示最后输出设计规则违规检查表“sheetl.drc"，如图6-90所示。上一页下一页返回任务五印刷电路板的输出打印3.在CAM管理器中建立底片文件

Protel99SE输出的底片文件(Gerher)是直接为制作印制电路板提供服务的，采用此种方式输出，制板时需要有价格高昂的制板设备。输出底板文件的操作方法和步骤与输出元器件材料表的基本一样，只是在选择产生文件类型对话框中前者选择“Gerher”项，如图6-91所示。选择计量单位(Units)和数字格式(Format)，继续下一步，如图6-92所示。设置要输出的层，再继续下一步，如图6-93所示最后输出一套底板文件，包含在文件夹“CAMforsheetl”中上一页下一页返回任务五印刷电路板的输出打印4.在CAM管理器中建立钻孔文件在制作印制电路板时，将钻孔文件输入数控钻孔机床，钻孔机床就会根据钻孔文件上的信息在印制电路板上不同位置打出不同大小的孔。输出数控床钻孔文件的操作方法和步骤与输出元器件材料表的基本一样，只是在选择产生文件类型对话框中前者选择“NCDrill”项，如图6-95所示。5.在CAM管理器中建立元件插置文件在CAM管理器中还可以生成插置文件(*.PIK)，建立方法基本同建立材料表的方法，只是在选择产生文件类型对话框中前者选择“PickPlace”项。插置文件用于驱动插件机工作。插置文件如图6-98所示。上一页下一页返回任务五印刷电路板的输出打印6.在CAM管理器