第5章 层次化原理图设计

自上而下绘制层次原理图的具体步骤： 1.启动Protel 99 SE。单击“开始”→“Protel 99 SE”→“Protel 99 SE” 菜单命令，或者双击桌面上的快捷方式图标，启动Protel 99 SE程序。 2．执行“Files”→“New”菜单命令，在弹出的工程文件创建对话框 中，选择合适的路径和文件名（如MyDesign.ddb）建立自己的Protel 99 SE工程文件。
5.1 层次电路原理图的基本概念
对应电路原理图的模块化设计，Protel 99 SE中提供了层次化原理图 的设计方法，这种方法可以将一个庞大的系统电路作为一个整体项目 来设计，而根据系统功能所划分出的若干个电路模块，则分别作为设 计文件添加到该项目中。这样就把一个复杂的大型电路原理图设计变 成了多个简单的小型电路原理图设计，层次清晰，设计简便。 层次电路原理图的设计理念是将实际的总体电路进行模块划分，划分 的原则是每一个电路模块都应该有明确的功能特征和相对独立的结构， 而且，还要有简单、统一的接口，便于模块彼此之间的连接。 针对每一个具体的电路模块，可以分别绘制相应的电路原理图，该原 理图我们一般称之为“子原理图”。而各个电路模块之间的连接关系 则是采用一个顶层原理图来表示，顶层原理图主要由若干个方块电路 即图纸符号组成，用来展示各个电路模块之间的系统连接关系，描述 了整体电路的功能结构。这样，把整个系统电路分解成了顶层原理图 和若干个子原理图来分别进行设计。 在层次原理图的设计过程中还需要注意一个问题，在另一个层次原理 图的工程项目中只能有一个总母图，一张原理图中的方块电路不能参 考本张图纸上的其他方块电路或其上一级的原理图。
5.3.1 自上而下的层次原理图设计
本小节我们以“基于通用串行数据总线USB的数据采集系统”电路设 计为例，详细介绍自上而下层次电路的具体设计过程。 各种数据的采集和实时处理在科学研究及工业控制中是必不可少的。 在一个实用的数据采集处理系统中，外设与主机的通信接口非常关键。 一方面，接口应该简单灵活且有比较高的数据传输率；另一方面，主 机能够对较大的数据量作出快速响应，并能进行实时分析和处理。采 用USB接口能满足上述的要求，而且与传统的接口如PCI总线和RS232串行总线相比，具有传输速度高，功耗低，支持即插即用，可以 同时连接多个外设等优点。因此，将USB接口应用在数据采集系统中 是非常适用的。 我们采用层次电路的设计方法，将实际的总体电路按照电路模块的划 分原则划分为4个电路模块：CPU模块和三路传感器模块Sensor1、 Sensor2、Sensor3。首先绘制出层次原理图中的顶层原理图，然后 再分别绘制出每一电路模块的具体原理图。
自下而上绘制层次原理图的具体步骤如下： 1．启动Protel 99 SE。 单击“开始”→“所有程序”→“Altium”→“Protel 99 SE”菜单 命令，或者双击桌面上的快捷方式图标，启动Protel 99 SE程序。 2．新建项目文件。 单击执行“Files”→“New”菜单命令，在弹出的工程文件创建对话 框中，选择合适的路径和文件名（如MyDesign.ddb）建立自己的 Protel 99 SE工程文件，另存为“USB采集系统”。 3．新建原理图文件作为子原理图。 在该项目文件中新建一个电路原理图文件，另存为“Cpu.Sch”，并 完成图纸相关参数的设置，同样的方法建立原理图文件 “Sensor1.Sch”、“Sensor2.Sch”和“Sensor3.Sch”。 4．绘制各个子原理图。 根据每一模块的具体功能要求，绘制电路原理图。例如：CPU模块主 要完成主机与采集到的传感器信号之间的USB接口通信，这里使用一 片带有USB接口的单片机“C8051F320”来完成。而三路传感器模块 Sensor1、Sensor2、Sensor3则主要完成对三路传感器信号的放大和 调理，具体绘制过程这里不再赘述。
5.3.2 自下而上的层次原理图设计
对于一个功能明确、结构清晰的电路系统来说，采用层次电路设计方 法时，使用自上而下的设计流程，能够清晰地表达出设计者的设计理 念。但在有些情况下，特别是在电路的模块化设计过程中，我们知道， 不同电路模块的不同组合，会形成功能完全不同的电路系统。用户可 以根据自己的具体设计需要，选择若干个现有的电路模块，组合产生 一个符合设计要求的完整电路系统。此时，该电路系统可以使用自下 而上的层次电路设计流程来完成。 所谓自下而上的层次电路设计方法，就是先根据各个电路模块的功能， 一一绘制出子原理图，然后由子原理图建立起来相对应的方块电路图， 最后完成顶层原理图的绘制。 下面我们还是以“基于通用串行数据总线USB的数据采集系统”电路 设计为例，介绍自下而上层次电路的具体设计过程。
5.3 层次原理图的设计方法
根据上面所讲的层次原理图的模块化结构，我们知道，层次电路原理 图的设计实际上就是对顶层原理图和若干子原理图分别进行设计的过 程。设计过程的关键在于不同层次间的信号如何正确地传递，这一点 主要就是通过在顶层原理图中放置图纸符号、电路端口，而在各个子 原理图中放置相同名称的输入输出端口来实现的。 基于上述的设计理念，层次电路原理图设计的具体实现方法有两种： 一种是自上而下的层次原理图设计，另一种是自下而上的层次原理图 设计。 自上而下的设计思想是在绘制电路原理图之前，要求设计者对这个设 计有一个整体的把握。把整个电路设计分成多个模块，确定每个模块 的设计内容，然后对每一模块进行详细的设计。在C语言中，这种设 计方法被称为自顶向下，逐步细化。该设计方法要求设计者在绘制原 理图之前就对系统有比较深入的了解，对于电路的模块划分比较清楚。 自下而上的设计思想则是设计者先绘制原理图子图，根据原理图子图 生成方块电路图，进而生成上层原理图，最后生成整个设计。这种方 法比较适用于对整个设计不是非常熟悉的用户，这也是初学者一种不 错的选择方法。
18．单击 按钮后，系统自动生成一个新的原理图文件，名称为 “Cpu.Sch”，与相应的方块电路图所代表的子原理图文件名一致， 如图5-12所示。用户可以看到，在该原理图中，已经自动放置好了与 4个电路端口方向一致的输入输出端口。 19．使用普通电路原理图的绘制方法，放置各种所需的元器件并进行电 气连接，完成“Cpu”子原理图的绘制。 20．使用同样的方法，重复步骤16～18，由顶层原理图中的另外3个方 块电路图“U-Sensor1”、“U-Sensor2”、“U-Sensor3”建立与其相对应 的3个子原理图“Sensor1.Sch”、“Sensor2.Sch”、 “Sensor3.Sch”，并且分别绘制出来。 这样就采用自上而下的层次电路图设计方法完成了整个USB数据集 系统的电路原理图绘制。
13．设置电路端口的属性。
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14．属性设置完毕后单击OK按钮关闭设置对话框。 15．按照同样的方法，把所有的电路端口放在合适的位置处，并一一设置好它们的 属性。 16．使用导线或总线把每一个方块电路图上的相应电路端口连接起来，并放置好接 地符号，完成顶层原理图的绘制，如图5-10所示。 根据顶层原理图中的方块电路图，把与之相对应的子原理图分别绘制出来，这一过 程就是使用方块电路图来建立子原理图的过程。 17．执行“Design”→“Creat Sheet From Symbol”菜单命令。
3．Protel 99 SE在工作区打开工程文件，并在工程文件中创建一个空的 “Document”文件夹。双击该文件夹，打开文件夹。
4．执行“Files”→“New”菜单命令，在打开的文件选择对话框中选择创 建“Schematic Document”文件，如图所示。单击确定后，在工作区 “Document”文件夹中创建一个原理图文件，默认文件名称为 “Sheet1.Sch”。双击该文件，即可进入原理图的编辑环境，如图所示。
第5章 层次化原理图设计
内容提要：对应电路原理图的模块化设计，Protel 99 SE中提供了层 次化原理图的设计方法，这种方法可以将一个庞大的系统电路作为一 个整体项目来设计，而根据系统功能所划分出的若干个电路模块，则 分别作为设计文件添加到该项目中。这样就把一个复杂的大型电路原 理图设计变成了多个简单的小型电路原理图设计，层次清晰，设计简 便。 层次电路原理图的设计理念是将实际的总体电路进行模块划分，划分 的原则是每一个电路模块都应该有明确的功能特征和相对独立的结构， 而且，还要有简单、统一的接口，便于模块彼此之间的连接。 学习要点： 层次原理图的概念 层次原理图的设计方法 层次原理图之间的切换 原理图中的查找与替换操作 打印报表输出
5.2 层次原理图的基本结构和组成
Protel 99 SE系统提供的层次原理图设计功能非常强大，能够实现多层的 层次化设计功能。用户可以将整个电路系统划分为若干个子系统，每 一个子系统可以划分为若干个功能模块，而每一个功能模块还可以再 细分为若干个基本的小模块，这样依次细分下去，就把整个系统划分 成为多个层次，电路设计由繁变简。 下图所示是一个二级层次原理图的基本结构图，由顶层原理图和子原理 图共同组成，是一种模块化结构。
5．执行“Place”→“Sheet Symbol”菜单命令，或者单击工具栏中的 按钮 ，鼠标将变为十字形状，并带有一个方块电路图标志。 6．移动鼠标到需要放置方块电路图的地方，单击鼠标左键确定方块电路 图的一个顶点，移动鼠标到合适的位置再一次单击鼠标确定其对角顶 点，即可完成方块电路图的放置。 此时放置的图纸符号并没有具体的意义，需要进一步进行设置，包括 其标识符、所表示的子原理图文件，以及一些相关的参数等。 7 7．此时，鼠标仍处于放置方块电路图的状态，重复5的操作即可放置其 5 他的方块电路图。 单击鼠标右键或者按下“Esc”键便可退出操作。 8．设置方块电路图的属性。 双击需要设置属性的方块电路图（或在绘制状态下按Tab键），系统 将弹出相应的方块电路图属性编辑对话框。
其中，子原理图就是用来描述某一电路模块具体功能的普通电路原理 图，只不过增加了一些输入输出端口，作为与上层进行电气连接的通 道口。普通电路原理图的绘制方法在前面已经学习过，主要由各种具 体的元器件、导线等构成。 顶层电路图即母图的主要构成元素却不再是具体的元器件，而是代表 子原理图的图纸符号，是一个电路设计实例采用层次结构设计时的顶 层原理图。 该顶层原理图主要由4个图纸符号组成，每一个图纸符号都代表一个 相应的子原理图文件，共有4个子原理图。在图纸符号的内部给出了 一个或多个表示连接关系的电路端口，对于这些端口，在子原理图中 都有相同名称的输入输出端口与之相对应，以便建立起不同层次间的 信号通道。 图纸符号之间也是借助于电路端口，可以使用导线或总线完成连接。 而且，同一个项目的所有电路原理图（包括顶层原理图和子原理图） 中，相同名称的输入输出端口和电路端口之间，在电气意义上都是相 互连接的。
9．单击“Sheet Symbol”属性对话框的OK按钮退出。 10．执行“Place”→“Add Sheet Entry”菜单命令，或者单击工具栏 中的按钮 ，鼠标将变为十字形状。 11．移动鼠标到方块电路图内部，选择要放置的位置，单击鼠标左键， 会出现一个电路端口随鼠标移动而移动，但只能在方块电路图内部的 边框上移动，在适当的位置再一次单击鼠标即可完成电路端口的放置。 12．此时，鼠标仍处于放置电路端口的状态，重复11的操作即可放置其 他的电路端口。 单击鼠标右键或者按下“Esc”键便可退出操作。
5．放置各子原理图中的输入输出端口。 子原理图中的输入输出端口是子原理图与顶层原理图之间进行电气连 接的重要通道，应该根据具体设计要求加以放置。 6．在项目“USB采集系统”中新建一个原理图文件“Mother1.Sch”， 以便进行顶层原理图的绘制。 7．打开原理图文件“Mother1.Sch”，执行“Design”→“Create Symbol Symbol From Sheet”菜单命令，系统弹出如图5-17所示的 选择文件放置对话框。 8．单击 按钮后，鼠标变成十字形状，并带有一个方块电路图的虚 影。选择适当的位置，单击鼠标左键即可将该方块电路图放置在顶层 原理图中，如图5-19所示。 该方块电路图的标识符为“U-Cpu”，边缘已经放置了4个电路端口，方 向与相应的子原理图中输入输出端口一致。