层次电路图设计

1. 层次电路图概念

在设计电路原理图的过程中， 设计人员常常会遇到一个庞大和复杂的电路系统， 如电脑主板等， 其原理图和PCB板都是十分复杂的。 单个设计者往往不能在短期内完成， 也不便于或不可能将其在一张图纸中绘制完成。 为了适用公司和企业的需要， 加快设计和绘制的速度， 缩短产品的研发周期。 将整个电路系统分解为若干个相对独立的功能子模块， 然后将各独立部分分配给多个工程人员， 让他们独立完成， 这样可以大大缩短开发周期， 加快设计速度。

为了适应电路原理图的模块化设计， Protel DXP2004SP2提供了层次电路图 （又称为层次原理图） 设计方法。 在早期阶段， 层次电路图设计概念的提出主要是为了解决复杂的大型复杂电路系统的原理图设计问题。 但是现在， 即使所设计的电路系统并不十分复杂， 设计人员也习惯于把整个电路系统按照不同的功能模块分别绘制相应的模块电路原理图。 这样做的好处是不但可以增强原理图的可读性和利用设计人员之间的分工合作， 而且还可以使得电路系统的层次结构更加清晰， 从而便于原理图的检查和修改。

所谓层次化设计， 是指将一个复杂的设计任务分派成一系列有层次结构的、 相对简单的电路设计任务。 图2－101是一个典型二级层次原理图的结构。

图2－101 典型二级层次原理图结构

它由一个顶层原理图 （母图）、 一个子系统和两个子原理图组成， 它们构成了第一级，子系统又由一个子系统顶层原理图和两个下一层的原理图组成， 构成了第二级。

顶层原理图主要由若干个方块电路 （又称为图纸符号） 组成， 用来表示各个电路模块之间的连接关系， 描述整体电路的功能结构， 一个方块电路代表一张子原理图。 如图2－102所示。

图2－102 顶层原理图

子原理图针对每一个具体的电路模块， 可分别绘制相应的电路原理图， 如图2－103所示。 层次电路图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， 便于各个电路模块之间的电气连接。

图2－103 子原理图

2. 层次电路图设计方法

层次电路图的设计， 实际上就是对顶层原理图和若干个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原理图之间信号的正确传递， 这一点是通过在不同层的原理图中放置名称相同的输入／输出端口来实现的。

层次电路图的设计方法主要有两种： 一种是先设计顶层原理图， 再设计子原理图， 也就是自上而下的设计方法； 另一种是先设计子原理图， 再设计顶层原理图， 也就是自下而上的设计方法。

（1） 自上而下的层次电路图设计方法。

随着电路系统规模的不断扩大， 自上而下的层次电路图设计方法由于其独特的优越性，从而在各种设计方法中脱颖而出， 成为目前层次电路图设计中经常使用的设计方法。

所谓自上而下的层次电路图设计方法是指设计人员将电路系统划分为不同层次的子电路模块， 并且根据系统的层次划分关系绘制出设计系统的顶层原理图， 然后再将顶层原理图中的各个方块电路符号所对应的子原理图绘出。 这样通过逐步细化完成整个电路系统的原理图设计。 自上而下的设计方法适用于较复杂的电路设计。

（2） 自下而上的层次电路图设计方法。

所谓自下而上的层次电路图设计方法是指设计人员首先定义电路系统的子功能电路模块， 并且根据这些电路模块绘制出相应的子原理图； 然后由这些绘制好的子原理图来产生方块电路符号； 接下来再通过若干导线将这些方块电路符号连接起来构成顶层原理图。 这样通过由简单到复杂的过程逐步完成整个电路系统的原理图设计。

层次电路图设计的关键在于正确地传递各层次之间的信号。 在层次原理图的设计中， 信号的传递主要通过方块电路图、 方块图输入／输出端口、 电路输入／输出端口来实现， 他们之间有着密切的联系。

3. 顶层原理图设计

（1） 放置方块电路 （图纸符号）。

1） 执行菜单命令 【放置】 → 【图纸符号】或单击配线工具栏上的按钮。此时鼠标处出现方块电路图的轮廓图。 在原理图中的适当位置单击鼠标左键， 确定方块电路图的左上角位置， 然后移动鼠标到电路方块图适当大小为止， 单击鼠标左键完成在原理图中放置电路方块图的操作， 操作结果如图2－104所示。

2） 在放置方块电路图操作过程中， 单击〈Tab〉 键， 或者双击已经在原理图中放置好的方块电路图， 此时系统将弹出 【图纸符号】属性设置对话框， 如图2－105所示。 其主要参数如下：

图2－104 方块电路图

图2－105 【图纸符号】 对话框

【标识符】： 方块电路标号， 它是标识方块电路在整个设计项目中的唯一标号， 和元器件标号作用相同， 不能重名。

【文件名】： 即方块电路代表的子原理图文件名称， 最好不要采用中文命名。

【唯一ID】： 由系统给出的唯一编号， 一般采用默认值。

【画实心】 复选框： 选中该复选框， 使用 【填充色】 中的颜色填充方块电路内部， 否则为透明。

【填充色】： 方块电路内部填充颜色设置， 单击颜色编辑框后可弹出 【选择颜色】 设置对话框， 选取填充色， 单击 【确认】 按钮即可。

【X－尺寸】： 方块电路的宽度设置， 可在其右边的编辑框中输入宽度值。

【Y－尺寸】： 方块电路的高度设置， 可在其右边的编辑框中输入高度值。

【位置】： 方块电路在原理图中的位置， 一般采用默认值。

【边缘宽】： 设置方块电路图的边框宽度， 单击下拉列表可进行选择设置。 共有4种设置。

3） 在 【图纸符号】 对话框中， 将方块电路的参数设置好。

（2） 放置方块电路 （图纸符号） 端口。

方块电路端口是方块电路之间进行连接的通道， 它放置在方块电路边缘的内侧。

1）执行菜单命令【放置】→【加图纸入口】 或单击配线工具栏上的按钮。进入放置方块电路端口的命令状态后， 光标变成了十字形， 移动十字光标到方块电路的内部点击，此时出现了一个方块电路端口的虚影， 移动十字光标到合适位置点击鼠标， 即可放下一个方块电路端口。 单击鼠标右键或按 〈Esc〉 键即可退出放置方块电路端口的命令状态。

2） 在放置方块电路端口操作过程中， 单击 〈Tab〉 键， 或者双击已经在原理图中放置好的方块电路端口， 此时系统将弹出 【图纸入口】 属性设置对话框， 如图2－106所示。 其主要参数如下：

图2－106 【图纸入口】 属性设置对话框

【名称】： 方块电路端口的名称， 一般由字母和数字组成。

【位置】： 设置端口在方块电路中的数值位置， 数值的确定是遵循每条边框从上到下，从左到右的规则来确定的。

【I／O类型】： 端口信号输入／输出类型， 即指定端口中信号的流向。 共有4种类型：【Unspecified】（未指明或不指定）、【Input】（输入端口）、【Output】（输出端口）、【Bidirectional】（双向型）， 可根据实际情况选择端口类型。

【填充色】： 方块电路端口内部填充颜色设置， 单击颜色编辑框后可弹出 【选择颜色】设置对话框， 选取填充色， 单击 【确认】 按钮即可。

【文本色】： 方块电路端口文本颜色设置， 单击颜色编辑框后可弹出 【选择颜色】 设置对话框， 选取填充色， 单击 【确认】 按钮即可。

【边缘色】： 方块电路端口的边框颜色设置， 单击颜色编辑框后可弹出 【选择颜色】 设置对话框， 选取填充色， 单击 【确认】 按钮即可。

【边】： 设置端口放置在方块电路的哪条边框， 包括 【Left】 （左侧）、 【Right】 （右侧）、【Top】 （顶部） 和 【Bottom】 （底部） 4种。

【风格】： 方块电路端口的箭头方向， 一般用于指明端口中信号的流向， 是端口信号输入／输出类型的外在表现形式， 有如下几种类型：【None （Horizontal）】 （水平方向没有箭头）、 【Left】（箭头向左）、 【Right】 （箭头向右）、 【Left－Right】（左右双向）、 【None （Vertical）】 （垂直方向没有箭头）、 【Top】 （箭头向上）、 【Bottom】 （箭头向下）、【Top－Bottom】 （上下双向） 等8种。

3） 在 【图纸入口】 属性设置对话框中设置好方块电路端口属性， 如图2－107所示。

（3） 连接方块电路端口， 添加网络标号。

放置了方块电路端口， 只是为方块电路之间的连接提供了通道， 但还必须根据电路原理图， 用导线或总线将各端口连接起来。 绘制导线和总线的方法与原理图中的绘制方法相同。 同时还要为各连接导线添加网络标号。 一般网络标号的名称和方块电路端口名称取得一致。 至此顶层原理图绘制完成。

图2－107 完成设置的方块电路

注意： 如果端口接的是总线， 则端口名称后接中括号和数字表示端口组， 如端口组P1 ［0..6］ 表示端口P10～P16。 对于单片机的总线和引脚连接， 端口名称中不允许出现 “.”等， 如引脚P2.1只能命名为P21。

4. 由方块电路生成电路子原理图

在完成顶层原理图的绘制以后， 即可以根据各个模块绘制相应的子原理图， 实现电路的详细设计。 在模块电路原理图的设计时， 子原理图文件与顶层原理图各模块有严格的对应关系， 其端口也一一对应。

1） 在顶层原理图编辑窗口中，执行菜单命令 【设计】 → 【根据符号创建图纸】， 系统进入由顶层原理图创建子原理图状态。 此时， 光标变成十字状。

2） 将光标移动到要创建子原理图的方块电路 （图纸符号） 上， 如图2－108所示。 单击鼠标左键， 系统将弹出 【I／O端口特性转换】 对话框， 如图2－109所示。

图2－108 光标移动到方块电路上

图2－109 【I／O端口特性转换】 对话框

在此对话框中， 若选择 【Yes】， 则生成的子原理图中的I／O端口的输入输出特性将与方块电路I／O端口的输入输出特性相反； 若选择 【No】， 则生成的子原理图中的I／O端口的输入输出特性将与方块电路I／O端口的输入输出特性相同， 一般选择 【No】。

3） 单击 【No】 按钮， 系统将自动产生一个名为 【8051.Sch Doc】 的原理图文件， 该原理图的文件名与刚才选择的方块电路的文件名一致。 在新建的原理图上自动生成好I／O端口， 与相应方块电路的I／O端口一致， 如图2－110所示。

图2－110 新建原理图上自动生成好的I／O端口

在此原理图中， 用户可以添加元器件、 导线等， 完成子原理图的绘制工作。

注意： 为了保证子原理图之间端口的I／O特性不产生混乱， 在由方块电路建立子原理图时， 应全部选择反转端口I／O特性， 或者全部选择不反转I／O特性， 不要一部分反转而另一部分不反转。

5. 层次电路图之间的切换

在进行较大规模的原理图设计时， 原理图的数量较多。 用户需要在不同的原理图之间进行切换， Protel DXP2004SP2提供了层次电路图之间切换的功能。

切换的类型主要有下面2种：

（1） 从顶层原理图切换到方块电路对应的子原理图。

1） 利用 【Projects】 面板， 鼠标左键单击所需文档， 便可在右边工作窗口中显示该电路原理图。

2）执行菜单命令【工具】→【改变设计层次】或单击主工具栏上的按钮。光标变成十字形。

3） 将光标移至需要切换的方块电路上， 单击鼠标左键或按回车键， 即可切换到它所对应的子原理图上。

（2） 从方块电路对应的子原理图切换到顶层原理图。

1） 利用 【Projects】 面板， 鼠标左键单击所需文档， 便可在右边工作窗口中显示该电路原理图。

2）执行菜单命令【工具】→【改变设计层次】或单击主工具栏上的按钮。光标变成十字形。

3） 将光标移至子原理图的I／O端口上， 单击鼠标左键， 即可切换到顶层原理图上， 而且光标会停在刚刚切换的子原理图对应的方块电路上。

注意： 一定要用鼠标左键单击子原理图中的I／O端口， 否则切换不到顶层原理图。