第二章Cadence的原理图设计要点

第二章 Cadence的原理图设计
2.1Design Entry CIS软件概述
Cadence软件系统有两套电路原理图的设计工具，一套是Design Entry HDL，另一套就是我们马上要开始学习的Design Entry CIS。

其中Design Entry HDL 是Cadence公司原本的原理图设计软件，可以用于芯片电路和板级电路的设计，其长处在于可以把芯片的电路原理图和板级电路原理图结合在一起，进行综合设计；而Design Entry CIS主要用于常规的板级电路设计，Design Entry CIS原本是OrCAD公司的产品，OrCAD公司后来被Cadence公司收购，于是Design Entry CIS也就成了Cadence公司的另一套电路原理图设计软件。

Design Entry CIS原理图设计软件的特点是直观、易学、易用，在业界有很高的知名度，利用Design Entry CIS原理图设计软件可以进行简单的（只有单张图纸构成的）电路原理图设计，也可以进行（由多张图纸拼接而成的）平坦式电路原理图设计，还可以进行（多张图纸按一定层次关系构成的）层次式电路原理图设计。

在本章中，我们首先学习简单的电路原理图设计，然后再学习较为复杂的平坦式和层次式电路原理图设计。

我们将围绕一块非常简单的STC系列单片机下载电路板，学习简单电路原理图的设计，同时在此过程中，还将学习到USB转UART串行口、STC系列单片机下载电路等方面的知识。

接着，我们将围绕一块ARM-7核心实验板，进行平坦式和层次式电路原理图的设计，而该核心板是配套于ARM-7实验箱。

在此过程中我们还将学习到嵌入式技术等方面的知识。

2.2初识Design Entry CIS
一．启动Design Entry CIS
我们在电脑上点击“开始→所有程序→Cadence SPB 16.2→Design Entry CIS”，如下图所示：
这时将弹出如下对话框：
图2-2 选择工作内容
在这里我们选择“OrCAD Capture CIS”一项，点击“OK”按钮后，就实际
启动了Design Entry CIS，出现如下界面：
图2-3 OrCAD Capture CIS软件界面
与大多数软件一样，OrCAD Capture CIS软件也是以项目方式管理我们的设
计文件的。

在OrCAD Capture CIS软件中，一个项目可以包含若干个设计，每个
设计对应一个PCB板，所以一个项目通常对应一个由多块电路板构成的产品；而
每个设计可以由若干张原理图构成。

对于我们要完成的“STC系列单片机下载器”而言，它是非常简单的产品，该产品只包含一块电路板，所以该项目中只有一个设计；又因为该电路板上的电路也非常简单，使用一张图纸就可以清楚地描述了，所以该设计只有一张原理图。

我们将首先要新建一个项目：在窗体上点击“File→New→Project”出现如下对话框：
图2-4 新建项目
在“Name”中输入项目名称，“Location”中输入项目文件的存放位置（最好给每一个项目建立一个文件夹，把项目中的所有文件都放入该文件夹），在“Create a New Project Using”栏目中，选择“Schematic”（因为我们要进行电路原理图的设计）。

完成上述工作后，点击“OK”，则建立了一个工程，并默认创建了一个的原理图，我们可以在这个原理图上进行我们的电路设计。

这时，窗体出现如下状态：
图2-5 OrCAD Capture CIS原理图设计界面
在图2-5的左侧是项目窗体，点击“.\Interfaxe_lv.dsn”(这是我们的设计名称)后，在SCHEMATIC1文件夹下已经建立了一个名为“PAGE1”的原理图文
件。

如下图所示：
图2-6 OrCAD Capture CIS的项目窗口
如果希望改变默认的原理图文件名称，可以用鼠标的右键点击项目窗体中的“PAGE1”栏目，在弹出的菜单中选择“Rename”一项，然后输入希望的名称。

二．进行Design Entry CIS的基本设置*
初次学习Cadence时，这部分内容可以跳过，直接学习后面的内容，等到掌握了绘制原理图的基本技能后，再回过头来学习如何进行Design Entry CIS的设置。

在启动了OrCAD Capture CIS原理图设计软件后，通常要进行一些基本的设置工作。

这些设置主要是原理图图纸大小的设置、栅格点的设置、图纸上各种元素颜色的设置、标题栏的设置等等。

我们首先点击“Options→Preferences…”菜单项，这时弹出如下对话框：
图2-7参数选择对话框的颜色设置选项页
如图2-7所示，Preferences对话框由多个选项页构成，其中“Colors/Print”是设置图纸上的颜色和打印的颜色；“Grid Display”是设置栅格点；“Miscellaneous”是混杂选项。

1.颜色设置
首先我们进行颜色的设置，在此仅就几个常用的栏目讲解一下，而不进行逐一讲述。

Alias：网络名的颜色；Background：图纸底色；Bus：总线颜色；DRC Marker：DRC校验标志颜色；Grid：栅格的颜色；Hierarchical Block：层次块的颜色；Junction：连接点的颜色；Part Body：元件的颜色；Pin：引脚的颜色；Power：电源符号的颜色；Wire：导线的颜色。

如果我们要改变某一种图纸元素的颜色，可以点击对应的颜色框，这时会弹出如下的颜色对话框：
图2-8 颜色对话框
在颜色对话框中可以选择对应的颜色，从而改变原来图纸上相应元素的颜色设置。

如果我们希望使用默认的颜色设置，可以点击“Use Defaults”按键，就可以把所有颜色设置该回到最初始状态。

2.栅格设置
下面我们选择“Grid Display”选项页，进行栅格点的设置，如下图所示：
图2-9参数选择对话框的设置栅格选项页
如图所示，该选项页又分成两部分：左半部用于原理图的栅格设置，右半部用于制作原理图元件的设置。

“Visible”选项用于选择是否显示栅格。

“Grid Style”选项用于选择点状栅格或线状栅格。

“Grid spacing”选项用于选择栅格点的密度（该数值表示两个最近的引脚之间的栅格数）。

“Pointer snap to grid”：选项用于选择对齐到栅格。

3.杂项设置
选择“Miscellaneous”选项页，在这个选项页中可以设置有关原理图、制作原理图元件的多种选项，如下图所示：
图2-10参数选择对话框的杂项选项页
“Schematic Page Editor”选项框用于原理图的设置；“Part and Symbol Editor”选项框用于原理图元件的制作的设置等等选项框。

在原理图和原理图元件制作的选项中，都有“Fill Style”和“Line Style and”选项，它们分别用于图形填充块和线型的设置；“Junction Dot”用于连接点的设置；“Session Log”选项框的“Font”用于项目管理器和记录器字体的设置；“Text Rendering”选项栏用于设置是否以加框的方式显示TrueType字体，以及是否填充；“Auto Recovery”选项框用于设置是否进行自动保存，以及自动保存的时间间隔；“Auto Reference”选项框用于设置是否进行元件的自动编号，以及拷贝时是否把元件编号一并拷贝过去；“Intertool Communication”选项用于设置是否与其它Cadence软件进行交互操作（我们常常要与PCB软件进行交互操作，该选项应该选中）；“Wire Drag”选项栏用于设置是否因接线改变而移动。

在Preferences对话框中，还有“Text Editor”、“Pan and zoom”、“Select”和“Board Simulation”选项页，一般可以按照默认的设置，在此就不介绍了。

4.图纸幅面设置
在OrCAD Capture CIS的菜单栏中，点击“Options→Schematic Page Properties…”菜单项，将弹出如下对话框：
图2-11 原理图属性对话框的图纸幅面尺寸选项页
如图2-11所示，在图纸幅面尺寸选项页中，可以设置图纸幅面尺寸所用的长度计量单位，如果选用毫米为单位，则图纸的选项是A2、A3、A4等系列图纸；如果选用英寸为单位，则图纸的选项是A、B、C等系列图纸。

我们在原理图中通常是采用毫米为单位，这样便于和打印机相匹配。

同时我们还可以选择“Custom”选项，自己设定图纸的大小。

我们还可以进行图纸区块的设置，所谓区块类似某些城市地图，把城市划分成多个矩形区块，并给每个区块，按照一定的次序进行命名，如：C3、D5等。

选择“Grid Reference”选项卡，如下图所示：
图2-12 原理图属性对话框的区块设置选项页
如图2-12所示，在区块设置选项页中，可以进行水平方向和垂直方向的设置。

“Count”是某一个方向上区块的数目。

区块可以选择“Alphabetic”，按照字母进行排列，也可以选择“Numeric”，按照数字进行排列（通常在水平和垂直两个方向上，一个选择按字母排列、另一个选择按数字排列）。

区块还可以按照升序或降序进行排列。

“Width”栏目用于设置区块显示部分的宽度，如果该值为0，则等于不显示区块了。

在该选项页中，“Title Block Vissible”选项用于设置是否显示标题栏；“Border Visible”用于设置是否显示边框；“Grid Reference Visible”用于设置是否显示区块。

5.打印设置
进行打印设置可以点击“File→Print…”菜单项，这时会弹出如下对话框：
图2-13 打印对话框
如图2-13所示，在打印对话框中，“Scale”选项框是指示打印比例的，“Scale to paper size”选项将把电路图打印在一张图纸上；“Scale to page size”选项可能会把电路图打印在多张图纸上；“Scaling”选项用于设置打印比例。

“Print offsets”选项框用于设置打印纸的偏移量。

“Print quality”选项用于设置每英寸打印的点数；“Copies”选项用于设置打印的份数；“Print to file”选项用于把电路图打印到文件中；“Print all colors in black”选项用于强制用黑白方式打印。

6.设置设计模板
设置设计模板是在打开新图纸时，按照预定的设置产生新的图纸，点击“Options→Design Template…”菜单项，出现如下对话框：
图2-14 Design Template对话框的字体选项页
如图2-11所示，首先我们可以在“Fonts”选项页中，进行图纸上各种元素的字体设置。

如果我们在Design Template对话框中选择“Title Block”选项页，可以进行标题栏的设置，如下图所示：
图2-15 Design Template对话框的标题栏选项页
如图2-15所示，在标题栏选项页中，“Title”选项用于设置标题栏上的图纸名称；“Organization Name”用于设置标题栏上的公司名称；“Organization”用于设置公司地址；“Document Number”用于设置标题栏上的文件编号；“Revision”用于设置标题栏上的文件版本号；“Symbol”选项框中的两个栏目分别用于设置标题栏文件的存储位置和文件名。

如果我们在Design Template对话框中，选择“Hierarchy”选项页，可以进行层次原理图的设置，如下图所示：
图2-16 Design Template对话框的层次图选项页
如图2-16所示，层次图选项页由两个选项框构成，分别设置层次图中电路方块和元件的属性。

“Primitive”选项表示为基本元件；“Nonprimitive”表示为非基本元件。

非基本元件是指内部还含有下层电路图的元件；基本元件是指简单元件。

在Design Template对话框中还包括“Page Size”、“Grid Reference”两个选项页，它们分别以模板形式设置图纸幅面尺寸和区块，这与前面讲解的基本相同，这里就不多赘述了。

在Design Template对话框中还包括“SDT compatibility”选项页用于与早期的版本相兼容的设置，在此就不介绍了。

2.3STC单片机下载器电路分析
前面说过，我们的第一个设计将围绕一个STC系列单片机下载器电路展开，为了让同学们不仅掌握Cadence软件的使用，而且在此过程中学会电路设计的基本技能，所以我们把该电路进行一番分析。

一．串行下载电路分析
STC系列单片机都是采用串行方式进行下载编程的，而不是像其它单片机那样，使用编程器进行程序的烧录。

在宏晶科技公司所给的STC单片机的技术资料中，给出了如下的单片机下载电路图：
图2-17 STC系列单片机下载电路示意图
如图2-17所示，STC单片机下载电路是通过单片机的Rxd(P3.0)和Txd(P3.1)两个引脚实现下载功能的。

在下载时，单片机应该处于工作状态，所以单片机的时钟电路和复位电路应该能够正常工作。

实际上，STC单片机每次上电复位时，都要检测Rxd引脚上是否有进行下载的数据流，如果有下载的数据流，就进行下载工作；如果没检测到下载数据流，就运行单片机中原有的程序。

在上述电路中，单片机与PC机的连接是通过MAX232（或与之兼容的）芯片进行连接的，该芯片完成RS-232电平信号与TTL电平信号的转换。

因为PC机串行接口上的信号是RS-232电平信号，而单片机上的信号都是TTL信号。

上述电路有两点不足：
一是利用PC机的串行口进行下载，目前多数笔记本电脑都没有串行口了，即使是台式电脑，该电路还另外需要直流电源，使用起来有些不便。

二是STC系列单片机的电源电压有5V和3.3V两种，而该电路不能灵活适应，给应用带来局限性。

二．USB转串口电路分析
由于目前USB接口是每台PC机（不管是台式机、还是笔记本）必有的标准配置，而且PC机的USB接口还可以为下载电路提供电源。

所以我们考虑将USB 接口的信号经过转换，形成UART口信号，连接到单片机的Rxd(P3.0)和Txd(P3.1)两个引脚上。

这样就解决了笔记本电脑没有串行口的问题，也解决了下载电路的电源问题。

进行USB信号到UART信号转换的芯片有很多种，我们选用南京沁恒公司开发的CH341T芯片，我们可以登录南京沁恒公司的网站（），下载CH341芯片的资料。

从设计PCB板的角度，我们关心的是该芯片的管脚编号、管脚的类型以及芯片的封装形式，它的引脚图如下：
图2-18 CH341芯片引脚图
如图2-18所示，CH341芯片是一个20引脚的芯片，下面我们解释一下各个
利用CH341T芯片，可以把USB信号转换成UART信号或I2C信号，CH341T 的
具体功能由复位后的SCL引脚和SDA引脚配置芯片的功能：如果SDA悬空、SCL 也悬空，则完成USB 转异步串口，仿真计算机串口的功能。

CH341T芯片的XI 和XO应分别接晶振的两端；UD+和UD-分别接USB接口的D+和D-引脚；ACT#通常接发光管，来指示CH341T芯片已完成配置工作；TXD引脚接单片机的RXD引脚；RXD引脚接单片机的TXD引脚；TEN#接低电平。

其它功能引脚一般可以悬空。

其典型电路如下：
图2-19 利用CH341T芯片进行USB转UART口电路图
三．电源电路分析
前面说过，利用USB接口可以为下载电路提供电源，不过USB接口只提供5V电源电压，可是USB单片机既有5V电源的，也有3.3V电源的。

所以在我们的下载电路中，设计了一个用来降压的稳压集成块1117芯片，由它的输出产生3.3V的电源电压。

提供给单片机的电源信号，或为5V或为3.3V，由一个三脚跳线进行切换。

另外，在给单片机开始下载之前，CH341T就必须供电，而此时还不能给单片机供电。

这时PC机通过CH341T不断给单片机发送下载数据流，然后给单片机进行上电复位（即给单片机加电），所以我们的下载电路还需要一个按键开关，按下开关后，才能让电源信号传递给单片机。

电源电路如下图所示：
图2-20 STC单片机下载电路中的电源电路
如图2-20所示，在下载电路的电源电路中，1117芯片用于产生3.3V电源电压。

通过三脚跳线选择5V或3.3V供给单片机，在我们的电路中，其实只需要一个单刀单掷的按键开关，可是常见的按键开关都是双刀双掷的，所以我们也选用双刀双掷的按键开关，只不过把不用的引脚悬空而已。

另外为了保护PC机的USB接口，我们把USB接口输入的5V电源信号与下载电路上的5V电源信号通过2Ω电阻进行隔离，避免因下载电路发生短路而烧毁PC机的USB接口。

我们考虑在下载电路板上安排一个40脚的锁紧插座，用于给DIP-40封装的单片机芯片进行下载编程，于是还需使单片机工作的复位电路和晶振电路。

另外
为了给其它STC系列单片机进行在线下载编程，我们还在电路板上安置一个3脚插座，引出TXD、RXD和地线，即输出CH341T产生的UART口信号。

2.4原理图设计的基本操作
从这一节我们开始STC系列单片机下载电路板的原理图设计，在这个电路板上主要的元器件包括：STC单片机（锁紧插座）、CH341T芯片、1117芯片、按键开关、跳线装置、USB接口、UART接口以及其它辅助元器件。

在这里要对单片机进行说明：我们在制作下载电路板时，在该板上并不放置单片机，实际放置的是一个40脚锁紧插座。

当我们使用该电路板给DIP-40封装形式的STC单片机进行下载编程时，就把它放入缩进插座，并与辅助电路一起构成单片机系统，从而可以进行下载。

由于40脚锁紧插座的管脚与DIP-40封装形式STC单片机的管脚一一对应，而单片机的各个管脚都有对应的名称，从而便于在原理图上的连接与分辨，于是在我们的电路图中，就用单片机元件替代锁紧插座元件。

一．元件库的加载
下面我们首先放置STC单片机芯片及其附属电路（包括晶振电路和复位电路）。

OrCAD Capture CIS软件向我们提供了许多原理图元件，所以一些常见的元件如：电阻、电容、单片机、石英晶体等，它们被放在一些元件库文件中，我们可以加载这些元件库，然后再把相应的元件放到原理图上。

第一步我们要加载单片机元件所在的元件库文件，点击“Place→Part”，这是“Place Part”窗体会显现出来，如下图所示：
图2-21 Place Part 窗口
图2-21的左半部是Place Part 窗口刚刚显示的状态，我们看到在“Libraries ”的栏目中只有“Design Cache ”一项，而这项中并没有任何元件。

因为我们是初次接触OrCAD Capture CIS 软件还不很清楚各种元器件位于什么元件库中，所以就从查找元件开始。

先查找单片机元件，我们知道STC 单片机是51系列单片机的后代，其DIP-40封装的单片机芯片与早期的8051芯片是引脚兼容的，所以我们就应该点击“Search for Part ”按键，这时Place Part 窗口变成图2-21的右半部的样子。

在“Search for ”栏目中键入“8051”，再按下回车键，就会开始查找工作，在找到该元件所在的库文件后，选中该库文件，再点击“ADD ”按键，就可以加载8051芯片所在的“MICROCONTROLLER ”库文件了。

我们知道，单片机必须有时钟振荡信号才能工作，因此还单片机还必须与石英晶体、电容相连；另外单片机芯片还需要复位电路才能工作，需要电阻、电容元件，因此我们还需要把这些元件所在的库文件加载进来。

这次我们不进行查找了，而直接加入库文件：点击“Libraries ”栏目上的库文件浏览图标，弹出如下对话框：
图2-22 库文件加载对话框
电阻、电容、石英晶体等元器件都位于“Discrete”库文件中，点击该项，将“Discrete”元件库文件加载进来。

二．元件的放置
下面要在原理图上放置元件，放置8051芯片、石英晶体各一个，石英晶体旁边放置两个电容（准备构成单片机的晶振电路），在图纸的另外一处放置一个电阻和电容（准备构成单片机的上电复位电路）。

其中电容选择CAP UP元件、石英晶体选择CRYSTAL元件、电阻选择R2元件。

放置时，首先在“Part List”列表中选择元件，点击Place Part窗口上的
图标（或键入回车键）后，在鼠标上就会沾上一个元件，我们把鼠标移到原
理图中相应的位置，按下鼠标左键，就把元件放在了原理图上；如果放弃放置，按下“Esc”键即可。

在原理图中，图纸的放大、缩小可以用工具栏上对应的图标来进行，也可以用按键来进行：按下“i”键，图纸放大；按下“o”键图纸缩小。

要删除在原理图中的元件，可以首先点击该元件，选中它，然后按下“delete”键进行删除；要移动某个元件，可以用鼠标直接拖动；要去除元件的拖动状态，用鼠标在原理图的空白处，点击一下就行了；要选中多个元件，可以在按着“ctrl”键时，用鼠标点击多个元件，这样就可以选中多个元件，也可以用鼠标拖出一个矩形，则矩形体内的元件就都被选中了，在这之后，可以对选中的多个元件进行移动、复制等工作。

要旋转某个元件时，可以先选中它，然后按下“r”键，这时所选中的元件，就会逆时针旋转90°；有时还希望吧元件进行左右（或上下）镜像对调，这时可以先选择某个元件，然后用鼠标右键点击该元件，在弹出的菜单项中选择“Mirror Horizontally”（或“Mirror Vertically”）项，就可以完成元件的镜像对调。

上述元件放置好以后，我们把电容和石英晶体的标称值进行修改。

原本电容、石英晶体上的标称值与其元件的名称是一致的，电容都是“CAP UP”，石英晶体是“CRYSTAL”，电阻是R2。

我们把石英晶体的标称值改成石英晶体的振荡频率值（单片机电路的石英晶体频率值为11.0592MHz）；石英晶体边上的两个电容值改成“47pF”；另一个电容值改为“1uF”，电阻值改成“10k”。

另外把单片机的
标称值改成“STC89C5x”。

修改的方法是：用鼠标双击元件的标称值，则弹出如下对话框：
图2-23 修改标称值
在“Value”中栏目进行修改，点击“OK”键后，就可以改变标称值。

三．元件间的简单连线
接着我们要进行连线了，首先我们要完成单片机的晶振电路。

连接时，首先选择图标，再用鼠标点击要连接的一个引脚，接着移动鼠标，
在要连接的另一个引脚处点击鼠标就可以实现连线了。

在上述过程中，如果希望连线按照自己设定的路线进行弯折，可以在要转弯处用鼠标点击一下，在把鼠标移动到目的地即可。

电源和地线的放置，可以直接点击或图标，点击后，出现如下的对话框：
图2-24 放置电源对话框
我们选择“CAPSYM”元件库中的“VCC_BAR”元件作为电源，并把电源的名称改成VCC；把“GND”元件作为地线。

图2-25 单片机的石英晶体振荡电路
接着我们再完成单片机的上电复位电路，这次我们采用网络标号的形式进行。

在单片机的RST引脚上连接一条连线，并在连线上放置网络标号。

放置的方法是先点击图标，然后点击要放置网络标号的连线，这时出现如下对话框：
图2-26 放置网络标号对话框
在“Alias”栏目中输入网络的名称，并点击“OK”按键即可。

在我们的图纸中，把该连线命名为“RST”，如下图的左图所示。

图2-27用网络标号连接元件之间的管脚
在图2-27的右图中，电阻和电容构成上电复位电路，它们的中间连接点也命名为“RST”，就相当于把单片机的RST引脚与上电复位电路相连。

到此为止，我们学习了原理图设计的最基本操作，当然我们需要的电路图还没有完成，为了完成该电路图，我们必须开始学习原理图元件的制作。

四．绘制总线
绘制总线并不复杂，它其实也是采用网络标号的方式进行各元件引脚之间的电气连接。

首先用鼠标选择图标，在原理图上拖动鼠标绘出总线，然后再在总
线上放置若干个“总线入口”标志，即先点击图标，再按下“r”键调整总线
入口的方向，然后用鼠标点击总线上的相应位置，就可以放置总线入口了。

接着就应该用连线连接总线入口和元件的引脚了，还要给每个连线填上一个网络标号，比如“P2_16”等，另外要给总线本身添加上网络标号，特别要注意总线的网络标号名称的命名方法，比如总线所连接导线分别是“P2_16”~“P2_31”，那么该总线应该命名为“P2_[31:16]”、“P2_[31-16]”、或“P2_[31..16]”。

下图是总线连接的示意图：
图2-28 总线连接示意图
请注意图2-28并不是STC单片机下载电路的组成部分，因为该电路并未采用总线方式进行连接。

2.5原理图元件的制作
在我们的电路中，有几个元件在现有的元件库中是找不到的，这几个芯片是CH341T、1117、3脚跳线等。

所以我们要进行元件的制作，我们以CH341T和3脚跳线为例进行讲解。

一．创建原理图元件
下面我们创建一个原理图元件库文件，点击“File→New→Library”，就创建了一个原理图元件库文件。

我们在项目窗口上就会看到在“Library”一栏中，创建了一个元件库文件。

用鼠标右键点击在项目窗口中的元件库文件，在弹出的对话框中选择“New Part”一项，就会产生如下对话框：
图2-29 新建元件对话框
在“Name”一栏中输入元件的名称，我们输入“CH341T”。

“Part Reference Prefix”一栏是元件编号的前缀，集成电路通常以字母“U”为前缀。

在“PCB Footprint”一栏中输入元件默认的封装形式，我们输入“SSOP-20”。

其它栏目保持默认状态，点击“OK”按键。

这时会一个元件窗口，并在项目窗口中出现相应的一个标志，我们就应该在元件窗口中创建我们的元件。

由于默认的元件尺寸很小，无法放下多个引脚，所以首先应该拖动元件的边框（这个边框并不会在原理图中显示出来，而所有的引脚都在此框之外），使之。