MP3播放器硬件电路设计

第11章 设计实例2：MP3播放器硬件电路设计
MP3播放器作为时尚的数码产品已经融入了年轻人的日常生活中，一款常见的MP3播放器往往具有音乐播放、视频播放、液晶显示等功能，因此MP3对与普通人来说是高科技的产品，其实MP3播放器的硬件结构并没有想想中的那么神秘，本章就以一个简单的MP3播放器的硬件电路设计为例，让读者熟悉复杂电路的电路原理图和PCB 设计。

——附带光盘“视频\11.avi”文件。

Mp3原理图文件的设计
MP3 PCB 电路的设计
PCB 文件格式的转化
MP3播放器硬件电路设计
本章要点
本章案例
11.1 实例简介
本实例所介绍的MP3播放器以高性价比的A VR单片机Mega16L为核心，控制音频解码芯片STA013，再通过模数转换芯片PCM1770 A/D转换后从音频输出端口输出模拟的音频信号。

播放器的播放文件来自SD卡，从计算机的USB端口取电，并通过RS232串口与计算机通信，另外播放器还提供了LCD液晶显示，音量调节按钮等人机交互功能。

该款MP3播放器的硬件电路并不复杂，采用的芯片均是市面上常见的音频信号处理芯片，而且还加入了Mega16L单片机的JTAG调试接口和ISP程序下载端口，可以方便读者自己学习MP3的制作。

图11- 1 MP3播放器原理图
11.2 新建工程
执行【File】|【New】|【Project】|【PCB Project】命令，新建一个空白的工程文件，并将其保存在MP3文件夹下，重新命名为“MP3.PrjPCB”。

执行【File】|【New】|【Schematic】命令，新建一个空白的原理图设计文件，命名为“MP3.SchDoc”。

至此MP3播放器硬件电路设计工程就建立完毕了，下面将详细介绍电路原理图和PCB的设计制作。

11.3 载入元件库
为了方便设计，本书已将工程中所需用到的元器件封装整理出来放置在随书所带的光
盘中，请读者将“MP3.SCHLIB”和“MP3.PcbLib”两个库文件复制到当前的工程项目文件目录中，并在【Libraries】弹出式面板中载入“MP3.SCHLIB”，如图11-2所示
图11- 2 载入“MP3.SCHLIB”
11.4 绘制电路原理图
在绘制电路原理图之前首先要对原理图图纸的属性进行设置，由于本工程项目的电路图并不是十分复杂，不需要采用层次式原理图设计或是多图纸设计，采用简单的单一图纸设计反而更加简单明了，执行【Design】|【Document Options】命令，弹出图纸参数设置对话框，请读者按照图11-3中的参数进行设置。

图11- 3 原理图图纸参数设置
根据电路功能的不同，本播放器可划分为Mega16L单片机控制系统、USB电源供电系统、232串口通信系统、STA013音频解码器系统、DAC模拟信号转换系统以及人机交互系统等，下面就分别介绍。

11.4.1 Mega16L单片机控制系统
Mega16L单片机是整个控制系统的核心，该单片机通过SPI同步串口控制解码芯片、LCD液晶屏、并以SPI通信的方式访问SD存储卡。

为了减少绘图的复杂程度，便于阅读，单片机与外部电路的电气连接均通过网络标识的形式进行。

需注意的是，单片机的供电电源上布置了四个0.1微法的去耦电容。

图11- 4 Mega16L单片机控制系统原理图
z Libraries】弹出式面板的“MP3.SCHLIB”元件库中找到minimega16l元件，点击“Place minimega16l”命令进入元件的放置状态，在图纸中找到合适的位置放置好元件，并双击元件进行属性设置，如图11-5所示。

保持元件的默认属性不用修改，元件标号默认为“U？”，可以在原理图绘制完毕后统一修改。

图11- 5 Mega16L单片机属性设置
z以同样的方式放置四个0.1微法的去耦电容，将电容值改为0.1uf，并绘制导线将电
容并联在电源和地之间。

z放置电源符号、接地符号以及网络标识。

至此Mega16L单片机控制系统部分的原理图绘制完毕，为了防止原理图编译时不必
要的错误，读者还需将Mega16L未使用的引脚加上“No ERC”标识。

11.4.2 USB电源供电系统
与众不同的是该款MP3播放器采用USB口取电，这也是为了设计过程中便于调试。

如图11-6，取自USB的供电电压经过三端稳压芯片CYT117稳压输出3.3V后给整个系统供电。

图11- 6 USB电源供电系统原理图
11.4.3 RS232串口通信系统
RS232串口用于与计算机的通信，该部分电路采用了常见的串口电平转换芯片MAX232，并通过9针串口接口与计算机相连。

图11- 7 RS232串口通信系统原理图
11.4.4 STA013音频解码器系统
图11- 8 STA013音频解码器系统原理图
播放器采用专用的音频解码芯片STA013，解码后的数字信号再输出给数模转换芯片
PCM1770。

11.4.5 DAC模拟信号转换系统
PCM1770负责将音频解码芯片STA013输出的数字信号转化为人耳能够识别的模拟信号，并通过耳机输出口输出。

图11- 9 DAC模拟信号转换系统原理图
11.4.6 人机交互系统
人机交互体统包括了液晶显示屏、以及键盘的输入。

液晶显示屏选用了诺基亚3310手机的液晶屏LCD 3310，通过SPI口与单片机通信。

系统总共有四个控制键盘，包括开关键、前进后退键、以及音量调节键。

图11- 10人机交互系统原理图
至此整个MP3电路原理图已经绘制完成，为了方便阅读，读者还需调整电路图各部
分的布局，并绘制直线将各部分的电路描绘出来，最终的电路图如图11-1所示。

11.5 原理图的后续操作
原理图设计完成后还要进行一系列的后续处理，如元件的统一标注、属性设置、编译与查错、报表输出等等。

11.5.1 元件的标注
在前面的设计中为了方便绘图并没有对元件进行编号，所以在绘制完毕后还需对图纸中的元件进行统一标注。

z执行【Tools】菜单下的【Annotate Schematic】命令弹出图11-11所示的自动标注设置对话框，执行下面的【Update Changes List】命令，系统对所有元件进行预编号，编号的结果显示在Proposed栏中；
z执行【Accept Changes】命令，弹出图11-12所示的工程变更单，该对话框中显示出了即将对原理图做出的更改。

z执行【Validate Changes】对即将对原理图做出的更改进行验证，验证无误后执行【Execute Changes】命令执行更改，如图11-13所示，点击【Close】完成自动标注。

图11- 11 元件的自动标注
图11- 12 工程变更单
图11- 13 执行标号的更改
11.5.2 原理图的编译与查错
接下来对原理图进行编译，执行【Project】|【Compile Document MP3.SchDoc】命令，编译完毕后系统会提示原理图的编译结果，如图11-4所示，有两个警告产生，双击警告条款，弹出编译错误面板，这里详细列出了警告的具体内容，如图11-15，警告原因为“NetJ5_3 has no driving source”，这是由于元器件引脚之间的属性不匹配造成的，并不属于错误，对电路原理图的电气属性无影响，因此不必理会。

图11- 14 编译结果提示
图11- 15 编译错误提示
11.5.3 生成元器件报表
生成元器件报表可以对电路中元器件的封装、标号等进行进一步的检查。

执行菜单命令【Reports】|【Bill of Materials】弹出图11-16所示的元器件报表生成对话框，这里面列
出了原理图中元器件注释、描述、标号以及封装的具体信息。

为了方便保存或是打印，可以将该报表导出为Excel文件格式，点击【Export】按钮在工程文件夹下的“Project Outputs for MP3”文件夹中生成Excel格式文档，打开该文档如图11-17所示，内容与元器件列表对话框中的内容相同。

图11- 16 元器件表对话框
图11- 17 生产的Excel 格式元器件报表
11.5.4 生成网络报表
执行菜单命令【Design】|【Netlist for Document】|【Protel】，系统会在Project面板的“Generated\Netlist Files”目录中生成“”网络报表，双击打开报表，如图11-18所示，在该表的基础上可以完成PCB电路板的设计。

其实在Altium Designer中进行原理图和PCB设计读者并不需要自己单独生成网络报表，系统会自动完成原理图设计系统和PCB编辑系统之间的信息交互。

图11- 18 生成的网络报表
11.6 绘制PCB电路板
原理图绘制完成后紧接着进行PCB设计，请读者在工程中新建一个PCB文件并重命名为“MP3.PcbDoc”保存。

11.6.1 电路板板框设置
打开“MP3.PcbDoc”文件，执行菜单命令【Design】|【Board Options】，进入板框参数设置选项卡，如图11-19所示，请读者按照图中参数设置板框。

图11- 19 板框参数设置选项卡
11.6.2 装入网络表和元件封装
在载入原理图网络表前首先要在PCB编辑环境中加载入元器件所需的引脚封装。

随书所带的光盘中已经附带了本工程所需的PCB引脚封装文件“MP3.PcbLib”，请读者将其复制到工程目录下并在【Libraries】面板中加载，如图11-20。

细心的读者可能会发现，加载“MP3.PcbLib”后在【Libraries】面板中找不到该库文件，这是因为PCB引脚封装库被过滤掉了，点击图11-21中的【…】按钮，在弹出的对话框中选取【Footprints】，这时“MP3.PcbLib”就能被选取了。

图11- 20 加载引脚封装库
图11- 21 加载“MP3.PcbLib”
图11- 22 网络表导入窗口
接下来载入网络表，在PCB编辑系统中执行菜单命令【Design】|【Import Changes From MP3.PRJPCB】，弹出图11-22所示的网络表导入窗口，里面列出了所有的网络表加载项，执行【Validate Changes】命令对所有的加载项进行验证，验证无误后执行【Execute Changes】命令加载网络表，加载完成后图11-23中“Status”状态栏中全部呈“√”状，表示加载正确无误，点击【Close】按钮关闭该对话框。

图11- 23 网络表加载完成
载入网络表和元件的引脚封装后的PCB编辑界面如图11-24所示，载入的元件引脚封装分布在PCB板框的右部，网络连线以预拉线的形式存在。

点击选取右方蓝色的元件放置空间，按键盘上的【Del】键将其删除，删除元件放置空间后的PCB编辑界面如图11-25所示。

图11- 24 完成导入后的PCB编辑界面
图11- 25 删除元件放置区间
11.6.3 元件的布局
元件的布局直接关系到电路板设计的好坏，在实际PCB设计中是很少用系统自带的元器件布局工具的，MP3播放器由于涉及的元器件较多，而且含有数字模拟混合电路，若是布局不合理的话可能会影响输出音频的音质，尤其应该注意布局的合理性。

布局时应该按照功能将电路板划分为若干个区域，每个区域又应该以各自的核心元件为中心来放置元件。

如图11-26所示，本例布局时应该首先放置单片机、LCD液晶屏、USB接口，串口等体积比较大的元件，需注意的是串口接头，SD卡座等元件由于要与外界接触需放置在电路板的边缘位置。

图11- 26 主要元件的布局
放置完主要的元器件后紧接着以这些放置好的元件为中心放置其它体积比较小的如电阻电容等元件。

布局完成后的电路图如图11-27所示，整个电路板的布局十分整齐美观，当然布局整齐并不意味着布线方便，在实际布线时还需要根据需要来调整某些元器件的位置。

图11- 27 布局完成后的效果图
11.6.4 手动布线
接下来是电路板的布线，布线是电路板设计中最重要也是最耗时的工作，好的设计习惯可以提高布线的效率，图11-27所示的布局完成后的电路效果图显示了所有元器件的引脚以及各类字符串信息，整个设计界面显得十分复杂，其实对设计者布线来说只需看到元
器件的引脚即可，隐藏字符串信息可以使界面变得整洁清晰。

点击编辑区域左下角的
“Hidden”，设置完毕后PCB编辑界面的显示效果如图11-29，这样便于布线。

图11- 28 【Show/Hide】选项卡设置
图11- 29 去除“String”信息后的编辑界面
考虑到MP3播放器电路的复杂性，本例中全部采用手工布线，当然在设计过程中可以借助自动布线工具来寻找可能的路径作为参考。

由于是双面板设计，没有独立的电源内电层，所以需要先布设电源网络VCC和GND，考虑到电源走线电流较大，电源网络的走线宽度不能低于30mil；接下来再对其他较为重要的信号线进行布设，信号走线的宽度一般为20mil，最低不能小于10mil；最后再对剩下的较为次要的走线进行布设。

布线完毕后的电路板图如图11-30所示，可以看到图中还有少量的预拉线没有布线完成，仔细观察这些预拉线是属于GND网络的，之所以保留少量的GND网络的预拉线是因为最后要对电路板进行大面积的覆铜，而覆铜正是连接到GND网络。

图11- 30 布线完毕的电路板图
11.7 PCB设计的后续操作
布线完成后并不是意味这电路板设计完成，这时的电路板还不能拿去工厂进行制版，因为还有很多后续工作要进行。

11.7.1 添加机械固定孔
机械固定孔是为了固定电路板，PCB设计中没有专门的机械固定孔，通常用导孔或者焊盘来代替。

在这里我们在电路板的四个脚上各自添加一个导孔来实现机械固定孔，如图11-31所示，四个导孔的属性设置如图11-32，因为机械设计多采用公制，请读者注意导孔的直径是以毫米为单位，另外机械固定孔是不能连接到任何电气网络的。

图11- 31 添加机械固定孔
图11- 32 固定孔的属性设置
11.7.2 重新定义电路板形状
布线完毕并添加机械固定孔后此时电路板的尺寸形状已经可以确定，下面来重新定义电路板的形状。

z切换到Keep-Out Layer，用【Place】|【Line】命令绘出电路板四周的边框，用【Place】|【Arc】命令绘出板框的四个圆弧角，需注意绘制的电路板的边框必须是全封闭的。

z用鼠标框选整个电路板区域，使板框内（包括Keep-Out Layer中的边界线）处于选中状态。

z执行菜单命令【Design】|【Board Shape】|【Define from selected objects】，则系统会根据绘制的板框边界线计算电路板的形状，执行完毕后的电路板如图11-34所示。

图11- 33 Keep-Out Layer画出板框范围
图11- 34 重新定义电路板形状
11.7.3 大面积覆铜
覆铜将要在分别在电路板的顶层和底层进行，为了减小地平面的分布阻抗，通常会在需要较大面积覆铜的地方放置一些导孔，将电路板顶层的覆铜和底层的覆铜连接起来，如图11-35中方框内所示。

导孔的属性编辑如图11-36，需注意的是导孔必须连接到GND 网络，即Net 属性设置为GND 。

添加导孔
添加导孔
图11- 35 连接顶层和底层的导孔
图11- 36 覆铜时导孔属性设定
接下来进行实际覆铜，切换到顶层后执行【Place 】|【Polygon Place 】命令，弹出图11-37所示的覆铜属性设置对话框，在此选择实心式覆铜，并将覆铜连接到GND 网络，由于在上面的布线过程中有少量的GND 网络布线未完成，所以还要选择“Pour Over Same Net Polygon Only ”选项。

确定后用鼠标沿着板框边界绘制铺铜的范围，系统会自动计算覆铜面积的大小。

图11- 37 覆铜属性设置
至此就完成了电路板顶层的覆铜，按照同样的方法对电路板底层进行覆铜，覆铜完成
后的效果图如图11-38所示
图11- 38 覆铜效果
11.7.4 字符串信息的整理
在前面的设计过程中为了更方便的观察元器件之间的电气关系已经将字符串信息隐
藏，但是在电路板制作过程中这些信息又是必不可少的，字符串信息必须准确而且美观。

字符串整理完毕后的电路板如图11-39所示，为了保密，可以将元器件的值隐藏。

图11- 39 字符串排列效果图
接下来还要在电路板上绘制一些提示信息，如各部分电路的功能介绍、按键的功能介绍等等，这些都要在丝印层上绘制，绘制完毕后再将覆铜等隐藏的信息显示出来。

电路板
的最终显示效果如图11-40所示。

图11- 40 电路板的最终显示效果
11.7.5 DRC检查
电路板设计完毕后还需进行DRC检查，以验证是否有违反设计规则的情况发生。

执
行菜单命令【Tools】|【Design Rule Check】，在弹出的对话框中点击【Run Design Rule Check】
按钮进行DRC校验。

检验的结果如图11-41所示，发现有6个“Hole Size Constraint”违反规则的情况发
Altium Designer 7 使用指导手册
生。

点击错误连接查看错误的具体信息，如图11-42，发现孔径大小错误是由于电路板上
的四个机械固定孔和串口插座的两个固定孔引起的，并不是实际的错误，所以无需理会。

图11- 41 DRC检查结果
图11- 42 “Hole Size Constraint”详细信息
11.7.6 PCB文件格式的转化
经过DRC校验后的电路板其实已经设计完成，可以去工厂生产了，但是在国内很多
小型的制板厂家进行PCB打样往往只接收Protel 99SE格式的PCB文件，这就需要PCB
文件格式的转化。

在Altium Designer 7中可以直接将PCB文件另存为Protel 99SE格式，
但是这样直接保存的话会导致PCB覆铜信息的丢失，这是因为Protel 99SE并不支持实心
覆铜的格式，实心覆铜需要以特殊的形式来实现，当Altium Designer设计的PCB文件含
中含有实心覆铜，转换为Protel 99SE格式时就会产生错误，所示转换前还需重新设置文
件中覆铜的属性。

双击覆铜，打开覆铜的属性设置对话框，按照图11-43所示的设置重新设置覆铜的属
性。

不同的是在该属性设置中填充模式已经由实心覆铜改为了网状覆铜，只不过网状覆铜
的网格大小设置为0。

点击【OK】后在弹出的对话框中确定重新覆铜，并执行菜单命令【File】|【Save Copy as】，在弹出的文件对话框中选择存储文件的格式，Altium Designer
提供了多种PCB文件的格式，如图11-45所示，选中“PCB 4.0 Binary File”类型并保存，
这是保存的就是Protel 99SE格式的PCB文件。

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第11章设计实例2：MP3播放器硬件电路设计
图11- 43 覆铜属性的更改
图11- 44 重新覆铜
图11- 45 PCB存储文件格式选择
11.7.7 PDF文档输出
可以将电路图打印成PDF格式后用于交流。

执行菜单命令【File】|【Smart PDF】启
动智能PDF生成器。

启动界面如图11-46所示，点击【Next】按钮选择打印的范围及输
出的路径，如图11-47选择打印整个MP3工程；在图11-48所示的界面中选择所需打印的文档，选择原理图和PCB文档均打印；在图11-49进行打印元件清单的设置；图11-50
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Altium Designer 7 使用指导手册
则是进行打印层面的设置，默认打印所有层面；PDF设置的最终页面如图11-51，选择生
成PDF文档后直接打开。

图11- 46 Smart PDF启动界面图11- 47打印范围选择
图11- 48打印文档选择图图11- 49打印清单选择
图11- 50打印属性设置图11- 51 PDF打印设置完毕
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