3.3 層次結構原理圖的設計方法

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

自上而下的設計方法是在繪制電路原理圖之前，要求設計者對這個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。在C語言中，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，對電路的模塊劃分比較清楚。

自下而上的設計方法是設計者先繪制子原理圖，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不是非常熟悉的用戶，這也是一種適合初學者選擇的設計方法。

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和Sensor3。首先繪制出層次原理圖中的頂層原理圖，再分別繪制出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 18，選擇“File”→“新的”→“項目”→“PCB工程”命令，則在“Projects”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“添加新的到工程”→“Schematic”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”→“頁面符”命令，或者單擊“布線”工具欄中的“放置頁面符”按鈕，光標將變為十字形狀，并帶有一個頁面符標志。

4）移動鼠標指針到需要放置頁面符的地方，單擊確定頁面符的一個頂點，移動鼠標指針到合適的位置再次單擊確定其對角頂點，即可完成頁面符的放置。

5）光標仍處于放置頁面符的狀態，重復上一步操作即可放置其他頁面符。右擊或者按〈Esc〉鍵即可退出操作。

6）設置頁面符的屬性。雙擊需要設置屬性的頁面符或在繪制狀態時按〈Tab〉鍵，系統將彈出相應的“Properties”面板，如圖3-3所示。頁面符屬性的主要參數含義如下。

① “Properties”選項組。

● “Designator”文本框：用于設置頁面符的名稱。這里可輸入Modulator（調制器）。

● “File Name”文本框：用于顯示該頁面符所代表的下層原理圖的文件名。

● “Bus Text Style”下拉列表：用于設置線束連接器中文本顯示類型。單擊該下拉列表框的級聯按鈕，有兩個選項供選擇：Full（全程）和Prefix（前綴）。

● “Line Style”下拉列表：用于設置頁面符邊框的寬度，有4個選項供選擇：Smallest、Small、Medium和Large。

● “Fill Color”復選框：若選中該復選框，則頁面符內部被填充。否則，頁面符是透明的。

② “Source”選項組。

“File Name”文本框：用于設置該頁面符所代表的下層原理圖的文件名，輸入Modulator.schdoc（調制器電路）。

③ “Sheet Entries”選項組。

在該選項組中可以為頁面符添加、刪除和編輯與其余元器件連接的圖紙入口，在該選項組下進行添加圖紙入口，與工具欄中的“添加圖紙入口”按鈕作用相同。

單擊“Add”按鈕，在該面板中自動添加圖紙入口，如圖3-4所示。

● ：用于設置頁面符文字的字體類型、大小和顏色，同時設置字體添加加粗、斜體、下劃線和橫線等效果，如圖3-5所示。

● “Other”按鈕：用于設置頁面符中圖紙入口的電氣類型、邊框的顏色和填充顏色。如圖3-6所示。

④ “Parameters”選項卡。

單擊圖3-3中的“Parameters”標簽，打開“Parameters”選項卡，如圖3-7所示。在該選項卡中可以為頁面符的圖紙符號添加、刪除和編輯標注文字。單擊“Add”按鈕，添加參數顯示如圖3-8所示。

在該面板中可以設置標注文字的“名稱”“值”“位置”“顏色”“字體”“定位”以及類型等。

單擊按鈕，顯示“Value”值，單擊按鈕，顯示“Name”。

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3-9所示。

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

8）移動鼠標指針到頁面符內部，選擇放置圖紙入口的位置，單擊會出現一個隨光標移動的圖紙入口，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圖紙入口的放置。此時，光標仍處于放置圖紙入口的狀態，可繼續放置其他的圖紙入口。右擊或者按〈Esc〉鍵即可退出操作。

9）設置圖紙入口的屬性。根據層次電路圖的設計要求，在頂層原理圖中，每一個頁面符的所有圖紙入口都應該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，需要對圖紙入口的屬性加以設置。雙擊需要設置屬性的圖紙入口或在繪制狀態時按〈Tab〉鍵，系統將彈出相應的“Properties”面板，如圖3-10所示。

圖紙入口屬性的主要參數含義如下。

● “Name”文本框：用于設置圖紙入口名稱。這是圖紙入口最重要的屬性之一，具有相同名稱的圖紙入口在電氣上是連通的。

● “I/O Type”下拉列表：用于設置圖紙入口的電氣特性，對后面的電氣規則檢查提供一定的依據。有Unspecified（未指明或不確定）、Output（輸出）、Input（輸入）和Bidirectional（雙向型）4種類型，如圖3-11所示。

● “Harness Type”下拉列表：設置線束的類型。

● “Font”下拉列表：用于設置端口名稱的字體類型、字體大小和字體顏色，同時設置字體添加加粗、斜體、下劃線和橫線等效果。

● “Border Color”顏色框：用于設置端口邊界的顏色。

● “Fill Color”顏色框：用于設置端口內的填充顏色。

● “Kind”下拉列表：用于設置圖紙入口的箭頭類型。單擊下拉列表框的級聯按鈕，有4個選項供選擇，如圖3-12所示。

10）按照同樣的方法，把所有的圖紙入口放在合適的位置處，并一一完成屬性設置。

11）使用導線或總線把每一個原理圖符號上的相應圖紙入口連接起來，并放置好接地符號，完成頂層原理圖的繪制，如圖3-13所示。

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。

12）選擇“設計”→“從頁面符創建圖紙”命令，此時光標將變為十字形狀。移動鼠標指針到原理圖符號“U-CPU”內部，然后單擊，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3-14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/輸出端口。

13）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3-15所示。

14）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。

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。用戶可以根據自己的具體設計需要，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”電路設計為例，介紹自下而上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 18，新建項目文件。選擇“File”→“新的”→“項目”→“PCB工程”命令，則在“Projects”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選擇“添加新的到工程”→“Schematic”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和Sensor3則主要完成對三路傳感器信號的放大和調制，具體繪制過程不再贅述。

4）放置各子原理圖中的輸入、輸出端口。子原理圖中的輸入、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，應該根據具體設計要求進行放置。

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”。

同樣地，在子原理圖“Sensor1.SchDoc”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個輸入端口相對應，并且都放置了共同的接地端口。移動鼠標指針到需要放置原理圖符號的地方，單擊確定原理圖符號的一個頂點，移動鼠標指針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。放置了輸入、輸出端口的3個子原理圖“Sensor1. SchDoc”“Sensor2.SchDoc”和“Sensor3.SchDoc”分別如圖3-16～圖3-18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”→“Create Sheet Symbol From Sheet”命令，系統將彈出如圖3-19所示的“Choose Document to Place”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。例如，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3-20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輸入、輸出端口一致。

8）按照同樣的操作方法，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3-21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，很多時候還需要進行編輯，如原理圖符號的形狀、大小和電路端口的位置要有利于布線連接，電路端口的屬性需要重新設置等。

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，結果和圖3-13完全一致。