3.3 層次結構原理圖的設計方法

基于上述設計理念，層次電路原理圖設計的具體實現方法有兩種，一種是自上而下的設計方式，另一種是自下而上的設計方式。

自上而下的設計方法是在繪制電路原理圖之前，要求設計者對此次設計有一個整體的把握。把整個電路設計分成多個模塊，確定每個模塊的設計內容，然后對每一模塊進行詳細的設計。這種設計方法被稱為自頂向下，逐步細化。該設計方法要求設計者在繪制原理圖之前就對系統有比較深入的了解，且對電路模塊的劃分比較清楚。

自下而上的設計方法是設計者先繪制子原理圖，然后根據子原理圖生成原理圖符號，進而生成上層原理圖，最后完成整個設計。這種方法比較適用于對整個設計還不是非常熟悉的用戶，也是一種適合初學者的設計方法。

3.3.1 自上而下的層次原理圖設計

本節以“基于通用串行數據總線USB的數據采集系統”的電路設計為例，詳細介紹自上而下的層次電路的具體設計過程。

采用層次電路的設計方法，將實際的總體電路按照電路模塊的劃分原則劃分為4個電路模塊，即CPU模塊和三路傳感器模塊Sensor1、Sensor2、Sensor3。首先繪制層次原理圖中的頂層原理圖，然后再分別繪制每一電路模塊的具體原理圖。

自上而下繪制層次原理圖的操作步驟如下。

1）啟動Altium Designer 14，打開“Files（文件）”面板，在“新的”選項欄中選擇“Blank Project（PCB）（空白項目文件）”選項，則在“Projects（工程）”面板中出現了新建的項目文件，另存為“USB采集系統.PrjPCB”。

2）在項目文件“USB采集系統.PrjPCB”上右擊，在彈出的快捷菜單中選擇“給工程添加新的”→“Schematic（原理圖）”命令，在該項目文件中新建一個電路原理圖文件，另存為“Mother.SchDoc”，并完成圖紙相關參數的設置。

3）選擇“放置”→“圖表符”命令，或單擊“布線”工具欄中的“放置圖表符”按鈕，光標將變為十字形狀，并帶有一個原理圖符號標志。

4）移動光標到需要放置原理圖符號的位置，單擊確定原理圖符號的一個頂點，移動光標到合適的位置再次單擊確定其對角頂點，即可完成原理圖符號的放置。

5）此時光標仍處于放置原理圖符號的狀態，重復上一步操作可以放置其他原理圖符號。右擊或按<Esc>鍵即可退出操作。

6）設置原理圖符號的屬性。雙擊需要設置屬性的原理圖符號或在繪制狀態時按<Tab>鍵，系統將彈出相應的“方塊符號”對話框，如圖3-3所示。原理圖符號屬性的主要參數的含義如下。

①位置：表示原理圖符號在原理圖上的X軸坐標和Y軸坐標，可以輸入數值。

②X-Size（寬度）和Y-Size（高度）：表示原理圖符號的寬度和高度，可以輸入數值。

③板的顏色：用于設置原理圖符號邊框的顏色。

④填充色：用于設置原理圖符號的填充顏色。

⑤“Draw Solid（是否填充）”復選框：勾選該復選框，則原理圖符號將以Fill Color（填充顏色）中的顏色填充多邊形。

⑥板的寬度：用于設置原理圖符號的邊框粗細，有Smallest（最小）、Small（?。edium（中等）和Large（大）4種線寬。

⑦“標識”文本框：用于輸入相應原理圖符號的名稱，其作用與普通電路原理圖中的元器件標識符相似，是層次電路圖中用來表示原理圖符號的唯一標志，不同的原理圖符號應該有不同的標識符。這里輸入“U-Sensor1”。

⑧“文件名”文本框：用于輸入原理圖符號所代表的下層子原理圖的文件名。這里輸入“Sensor1.SchDoc”。

⑨“顯示此處隱藏文本文件”復選框：用于確定顯示或隱藏原理圖符號的文本域。

7）在“參數”選項卡中執行添加、刪除和編輯原理圖符號等其他有關參數的操作，如圖3-4所示。單擊“添加”按鈕，系統將彈出如圖3-5所示的“參數屬性”對話框。在該對話框中，可以設置追加的參數名稱和數值等屬性。

8）在“名稱”文本框中輸入“Description”，在“值”文本框中輸入“U-Sensor1”，勾選其下的“可見的”復選框。單擊“確定”按鈕，關閉該對話框。單擊“圖表符”對話框中的“確定”按鈕，關閉該對話框。按照上述方法放置另外3個原理圖符號U-Sensor2、U-Sensor3和U-Cpu，并設置好相應的屬性，如圖3-6所示。

9）選擇“放置”→“添加圖紙入口”命令，或單擊“布線”工具欄中的“放置圖紙入口”按鈕，光標將變為十字形狀。

10）移動光標到原理圖符號內部，選擇放置電路端口的位置并單擊，會出現一個隨光標移動的電路端口，但只其能在原理圖符號內部的邊框上移動，在適當的位置再次單擊即可完成電路端口的放置。此時，光標仍處于放置電路端口的狀態，重復上述步驟可以繼續放置其他電路端口。右擊或按<Esc>鍵即可退出操作。

11）設置電路端口的屬性。根據層次電路圖的設計要求，在頂層原理圖中，每一個原理圖符號上的所有電路端口都應與其所代表的子原理圖上的一個電路輸入/輸出端口相對應，包括端口名稱及接口形式等。因此，需要對電路端口的屬性加以設置。雙擊需要設置屬性的電路端口或在繪制狀態時按<Tab>鍵，系統將彈出相應的“方塊入口”對話框，如圖3-7所示。

電路端口屬性的主要參數的含義如下。

①填充色：設置電路端口內部的填充顏色。

②文本顏色：設置電路端口標注文本的顏色。

③板的顏色：設置電路端口邊框的顏色。

④邊：設置電路端口在原理圖符號中的大致方位，有Top（頂部）、Left（左側）、Bottom（底部）和Right（右側）4個選項。

⑤類型：設置電路端口的形狀，這里設置為“Right”。

⑥“I/O類型”下拉列表框：用于設置電路的端口屬性，有Unspecified（未指明）、Output（輸出）、Input（輸入）和Bidirectional（雙向）4個選項?！癐/O類型”下拉列表框通常與電路端口外形的設置一一對應，這樣有利于直觀理解。端口的屬性由I/O類型決定，這是電路端口最重要的屬性之一。這里將端口屬性設置為“Output”。

⑦“名稱”下拉列表框：設置電路端口的名稱，應該與層次原理圖子圖中的端口名稱對應，只有這樣才能完成層次原理圖的電氣連接。這里設置為“Port1”。

⑧“位置”文本框：設置電路端口的位置。該文本框中的內容將根據端口移動而自動設置，用戶無需更改。

屬性設置完畢后單擊“確定”按鈕關閉該對話框。

12）使用同樣的方法，把所有的電路端口均放在合適的位置處，并一一完成屬性設置。

13）使用導線或總線把每一個原理圖符號上的相應電路端口連接起來，并放置接地符號，完成頂層原理圖的繪制，如圖3-8所示。

下面根據頂層原理圖中的原理圖符號，把與之相對應的子原理圖分別繪制出來，這一過程就是使用原理圖符號來建立子原理圖的過程。

14）選擇“設計”→“產生圖紙”命令，此時光標變為十字形狀。移動光標到原理圖符號“U-Cpu”的內部，單擊，系統自動生成一個新的原理圖文件，名稱為“Cpu.SchDoc”，與相應的原理圖符號所代表的子原理圖文件名一致，如圖3-9所示。此時可以看到，在該原理圖中已經自動放置好了與4個電路端口方向一致的輸入端口和輸出端口。

15）使用普通電路原理圖的繪制方法，放置各種所需的元器件并進行電氣連接，完成“Cpu”子原理圖的繪制，如圖3-10所示。

16）使用同樣的方法，用頂層原理圖中的另外3個原理圖符號“U-Sensor1”“U-Sensor2”和“U-Sensor3”建立與其相對應的3個子原理圖“Sensor1.SchDoc”“Sensor2.SchDoc”和“Sensor3.SchDoc”，并且分別繪制出來。

至此，采用自上而下的層次電路圖設計方法，完成了整個USB數據采集系統的電路原理圖繪制。

3.3.2 自下而上的層次原理圖設計

對于一個功能明確、結構清晰的電路系統來說，采用層次電路設計方法，使用自上而下的設計流程，能夠清晰地表達出設計者的設計理念。但在有些情況下，特別是在電路的模塊化設計過程中，不同電路模塊的不同組合會形成功能完全不同的電路系統。用戶可以根據具體的設計需要，選擇若干個已有的電路模塊，組合產生一個符合設計要求的完整電路系統。此時，該電路系統可以使用自下而上的層次電路設計流程來完成。

下面還是以“基于通用串行數據總線USB的數據采集系統”的電路設計為例，介紹自下而上的層次電路的具體設計過程。

自下而上繪制層次原理圖的操作步驟如下。

1）啟動Altium Designer 14，新建項目文件。打開“Files（文件）”面板，在“新的”選項欄中選擇“Blank Project（PCB）（空白項目文件）”選項，則在“Projects（工程）”面板中出現了新建的項目文件，另存為“USB采集系統.PrjPCB”。

2）新建原理圖文件作為子原理圖。在項目文件“USB采集系統.PrjPCB”上右擊，在彈出的快捷菜單中單擊“給工程添加新的”→“Schematic（原理圖）”命令，在該項目文件中新建原理圖文件，另存為“Cpu.SchDoc”，并完成圖紙相關參數的設置。采用同樣的方法建立原理圖文件“Sensor1.SchDoc”“Sensor2.SchDoc”和“Sensor3.SchDoc”。

3）繪制各個子原理圖。根據每一模塊的具體功能要求，繪制電路原理圖。例如，CPU模塊主要完成主機與采集到的傳感器信號之間的USB接口通信，這里使用帶有USB接口的單片機C8051F320來完成。而三路傳感器模塊Sensor1、Sensor2、Sensor3則主要完成三路傳感器信號的放大和調制，具體繪制過程這里不再贅述。

4）放置各子原理圖中的輸入端口和輸出端口。子原理圖中的輸入端口和輸出端口是子原理圖與頂層原理圖之間進行電氣連接的重要通道，應根據具體的設計要求進行放置。

例如，在原理圖“Cpu.SchDoc”中，三路傳感器信號分別通過單片機P2口的3個引腳（P2.1、P2.2、P2.3）輸入到單片機中，是原理圖“Cpu.SchDoc”與其他3個原理圖之間的信號傳遞通道，所以在這3個引腳處放置了3個輸入端口，名稱分別為“Port1”“Port2”和“Port3”。除此之外，還放置了一個共同的接地端口“GND”。放置了輸入/輸出電路端口的電路原理圖“Cpu.SchDoc”與圖3-10完全相同。

同樣，在子原理圖“Sensor1.SchDoc”的信號輸出端放置一個輸出端口“Port1”，在子原理圖“Sensor2.SchDoc”的信號輸出端放置一個輸出端口“Port2”，在子原理圖“Sensor3.SchDoc”的信號輸出端放置一個輸出端口“Port3”，分別與子原理圖“Cpu.SchDoc”中的3個輸入端口對應，并且都放置了共同的接地端口。移動光標到需要放置原理圖符號的位置，單擊確定原理圖符號的一個頂點，移動光標到合適的位置再一次單擊確定其對角頂點，即可完成原理圖符號的放置。放置了輸入/輸出電路端口的3個子原理圖“Sensor1.SchDoc”“Sensor2.SchDoc”和“Sensor3.SchDoc”分別如圖3-11～圖3-13所示。

5）在項目“USB采集系統.PrjPCB”中新建一個原理圖文件“Mother1.PrjPCB”，以便進行頂層原理圖的繪制。

6）打開原理圖文件“Mother1.PrjPCB”，選擇“設計”→“HDL文件或原理圖生成圖紙符”命令，系統將彈出如圖3-14所示的“Choose Document to Place（選擇文件放置）”對話框。

在該對話框中，系統列出了同一項目中除當前原理圖外的所有原理圖文件，用戶可以選擇其中的任何一個原理圖來建立原理圖符號。這里選中“Cpu.SchDoc”，單擊“OK”按鈕關閉該對話框。

7）此時光標變成十字形狀，并帶有一個原理圖符號的虛影。選擇適當的位置，將該原理圖符號放置在頂層原理圖中，如圖3-15所示，該原理圖符號的標識符為“U-Cpu”，邊緣已經放置了4個電路端口，方向與相應的子原理圖中的輸入/輸出端口一致。

8）使用同樣的操作方法，由3個子原理圖“Sensor1.SchDoc”“Sensor2.SchDoc”和“Sensor3.SchDoc”可以在頂層原理圖中分別建立3個原理圖符號“U-Sensor1”“U-Sensor2”和“U-Sensor3”，如圖3-16所示。

9）設置原理圖符號和電路端口的屬性。由系統自動生成的原理圖符號不一定完全符合設計要求，很多時候還需要再次進行編輯，如原理圖符號的形狀、大小和電路端口的位置及屬性等。

10）用導線或總線將原理圖符號通過電路端口連接起來，并放置接地符號，完成頂層原理圖的繪制，結果與圖3-8完全一致。