Mentor的DxDesigner及ExpediTIon P

　　根據(jù)課題需要，我們要搭建一個(gè)雷達(dá)信號(hào)處理的硬件平臺(tái)。在此平臺(tái)上，有4個(gè)DSP(C’6203)及多個(gè)高速同步RAM，總線頻率100Mhz。我們選用我所新近購(gòu)買的Mentor公司的PCB工具作為設(shè)計(jì)手段，目的是熟悉使用該軟件，進(jìn)行必要的仿真，使設(shè)計(jì)能夠盡可能一次成功。經(jīng)過(guò)3個(gè)多月的工作，我們最終完成了兩塊10層板的設(shè)計(jì)工作。這段時(shí)間中，對(duì)Mentor的DxDesigner及ExpediTIon PCB進(jìn)行了熟悉使用，現(xiàn)將這段工作的設(shè)計(jì)體會(huì)進(jìn)行簡(jiǎn)單的總結(jié)。

　　關(guān)于Expedition的設(shè)計(jì)思想

　　對(duì)于大部分硬件工程師來(lái)講，PCB設(shè)計(jì)使用最多的恐怕就是protel，因此在使用Expedition做PCB設(shè)計(jì)時(shí)不自覺(jué)的就會(huì)把兩者設(shè)計(jì)思想進(jìn)行比較，從本質(zhì)上來(lái)講，兩者并無(wú)什么不同，都是符號(hào)，封裝，互連關(guān)系，但是在具體形式上，Expedition比起Protel要更為細(xì)致。Protel在設(shè)計(jì)時(shí)只需要兩個(gè)庫(kù)：符號(hào)庫(kù)及封裝庫(kù)，原理圖設(shè)計(jì)時(shí)在元件的屬性中進(jìn)行兩者的對(duì)應(yīng)，然后生成網(wǎng)表文件，就可以帶入到PCB中進(jìn)行布局布線,如圖1所示。

　　與此不同，Expedition中引入了中心庫(kù)(Central library)的概念，符號(hào)(Symbol)與封裝(Cell)的對(duì)應(yīng)是在中心庫(kù)中完成，形成器件(Part)?？梢哉f(shuō)，中心庫(kù)是整個(gè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，從焊盤定義，封裝制作、符號(hào)與封裝的對(duì)應(yīng)，都在中心庫(kù)中完成。在進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)時(shí)，可以從中心庫(kù)中調(diào)符號(hào)，當(dāng)然也可以自己建立本地符號(hào)庫(kù)，但是在進(jìn)行編譯之前，要用中心庫(kù)中的符號(hào)代替自己建立的符號(hào)，并在符號(hào)的屬性中指定與中心庫(kù)中Part的對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)指定中心庫(kù)路徑，這樣才可以完成編譯，進(jìn)入下一步 PCB的流程(圖2)。

　　前端輸入工具(DxDesigner)

　　我所購(gòu)置的Mentor軟件的前端管理工具是DxDesigner。由于我們手中沒(méi)有現(xiàn)成的中心庫(kù)可用，時(shí)間又比較緊張，在設(shè)計(jì)之初，我們采用的是兩個(gè)人分頭進(jìn)行的設(shè)計(jì)方法：一個(gè)人負(fù)責(zé)建立符號(hào)庫(kù)及原理圖設(shè)計(jì)，另一個(gè)人則負(fù)責(zé)作封裝庫(kù)，到基本完成后再整合在一起。

　　原理圖設(shè)計(jì)工具是viewdraw，在viewdraw的環(huán)境中也可以編輯制作符號(hào)，符號(hào)(symbol)創(chuàng)建有導(dǎo)航，在編輯時(shí)比較方便，也可以用 VHDL或Verilog語(yǔ)言作為輸入源，由于現(xiàn)在器件公司網(wǎng)站上一般都會(huì)提供語(yǔ)言的描述，所以有時(shí)候會(huì)比較快，但是用這種方式做出來(lái)的符號(hào)往往管腳排列不規(guī)則，需要改動(dòng)，有時(shí)并不比手動(dòng)輸入時(shí)方便多少;元器件的屬性種類比較豐富，但常用的基本屬性就幾個(gè)，只要填寫正確一般也不會(huì)出大問(wèn)題;他的路徑設(shè)定比較麻煩，若想把在別的機(jī)器上的設(shè)計(jì)拷過(guò)來(lái)，必須先進(jìn)行歸檔(Archive)操作，把庫(kù)、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，這樣的工程才能在新的機(jī)器上打開(kāi);原理圖編輯功能也都大同小異，總的感覺(jué)，它的原理圖輸入工具沒(méi)什么優(yōu)勢(shì)可言，輸入的方便性及直觀性都比較一般。

　　庫(kù)管理工具(Library Manager)主要用于中心庫(kù)的創(chuàng)建及管理工作，它主要包括四個(gè)部分：焊盤堆(Padstack),符號(hào)(Symbol)，封裝(Cell)，元件 (Part)，分別由各自編輯器來(lái)完成編輯工作。此外，中心庫(kù)管理器還提供了導(dǎo)入導(dǎo)出功能，可以與別的中心庫(kù)進(jìn)行較為方便的數(shù)據(jù)交換。

　　焊盤是封裝的基礎(chǔ)，因此一般先建焊盤，焊盤堆編輯器中提供的焊盤種類很豐富，能滿足各種需求，除非特殊需要，一般情況下都選用通孔和表貼焊盤，只是孔徑有所區(qū)別。封裝建立時(shí)有導(dǎo)航器，可以根據(jù)需要選擇不同的封裝種類，然后選擇管腳間距，確定焊盤，較快的生成封裝。符號(hào)部分可以由符號(hào)編輯器完成,我們由于大部分符號(hào)在畫原理圖時(shí)已經(jīng)建好，因此可以直接導(dǎo)入。最后一步就是生成元件(Part),這個(gè)過(guò)程雖然比較簡(jiǎn)單，只需在編輯器中導(dǎo)入相應(yīng)的符號(hào)及封裝進(jìn)行對(duì)應(yīng)，但是對(duì)于管腳比較多的器件來(lái)講，非常容易出錯(cuò)，如果在原理圖里管腳定義有問(wèn)題，在建元件(Part)時(shí)并不容易檢查出來(lái)，但在進(jìn)行原理圖編譯時(shí)就會(huì)報(bào)錯(cuò)，提示為原理圖的符號(hào)與中心庫(kù)里的元件不匹配(Dismatch), 因?yàn)榻o的提示信息太少，這樣的錯(cuò)誤非常難找。我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)就碰到了這樣的困難，花了很多的時(shí)間和精力來(lái)解決原理圖中的符號(hào)與中心庫(kù)的元件不匹配的問(wèn)題。

　　PCB設(shè)計(jì)工具(Expedition PCB)

　　當(dāng)原理圖編譯成功，數(shù)據(jù)進(jìn)入公共數(shù)據(jù)庫(kù)，選擇合適的PCB模板，就可以進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)。相比與原理圖設(shè)計(jì)工具，Mentor的PCB工具(Expedition PCB)優(yōu)勢(shì)還是相當(dāng)明顯，從布局、布線到調(diào)線功能都非常強(qiáng)大。

　　在進(jìn)入PCB設(shè)計(jì)環(huán)境后，先指定中心庫(kù)，進(jìn)行前標(biāo)(Forward Annotate)，將公共數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到PCB的設(shè)計(jì)環(huán)境中，這時(shí)候元器件的封裝及互連關(guān)系就已經(jīng)確定，就可以開(kāi)始著手進(jìn)行布局的工作了。如果是從頭開(kāi)始的話，可以將所有器件一下全部放到PCB板上，也可以一個(gè)一個(gè)放，我們使用的方法則是與原理圖連接的交互布局方法，就是把原理圖和PCB進(jìn)行連接 (Connection),根據(jù)原理圖來(lái)選擇放什么器件，這樣的好處是比較關(guān)鍵器件位置一開(kāi)始就做到心里有數(shù)，等大的、比較關(guān)鍵的器件放完之后，再可以把剩下的器件都放在板子上進(jìn)行調(diào)整。

　　在布局之前最好進(jìn)行仿真確定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這需要仿真軟件的支持，我們選用的是Hyperlynx，在后面將對(duì)仿真做專門的討論。在確定了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，完成器件的布局，定義了PCB的分層情況后，就可以開(kāi)始布線的操作，Expedition PCB為布線提供的功能非常豐富，從手動(dòng)到自動(dòng)，選擇很多，設(shè)置也就很多。作為初學(xué)者，并根據(jù)需要，我們沒(méi)有做太多的選項(xiàng)設(shè)置，除了線寬、線間距、焊盤、過(guò)孔等基本設(shè)置外，主要在網(wǎng)絡(luò)分類、線長(zhǎng)控制上作了必要的設(shè)置，為將來(lái)的后仿真做準(zhǔn)備。

　　在進(jìn)行布線之前，一般對(duì)管腳比較多、比較密的封裝(如 BGA)先進(jìn)行管腳扇出操作，這樣的好處除了使過(guò)孔對(duì)的比較整齊外，也省去了從焊盤進(jìn)行拉線的步驟，當(dāng)然，選擇每個(gè)管腳都向同一方向扇出并打孔可能會(huì)占用一些布線資源，這可以在布線之前進(jìn)行一些整合，把一些相鄰較近的電源、地管腳進(jìn)行合并。

　　開(kāi)始進(jìn)行布線后，先進(jìn)行了一次試探性的自動(dòng)布線，確定各元件附近線的密度情況，從自動(dòng)布線情況看，布通率還是很高。根據(jù)我們的具體情況，我們選擇以手動(dòng)方式為主對(duì)關(guān)鍵器件(如DSP)進(jìn)行布線。 Expedition PCB提供了一個(gè)總線布線的方法(multi-plow)，對(duì)于總線眾多的數(shù)字電路來(lái)講，要方便快捷很多，同時(shí)也很大程度上避免了走線不等長(zhǎng)的問(wèn)題。在比較關(guān)鍵的部分用手動(dòng)完成后，剩下的要求不高的部分可以由自動(dòng)布線來(lái)完成，除非走線太密，一般情況下布通率還是很高，剩下的不多的幾根線再用手動(dòng)完成，難度也不會(huì)太大。在完成布線后，難免要進(jìn)行一定的調(diào)線，Expedition PCB調(diào)線非常方便，線之間的推擠，線與過(guò)孔之間的位置互換都很靈活，另外，如果有些線之間不等長(zhǎng)，他的tune功能可以比較方便的幫助實(shí)現(xiàn)?？傊?，在布線的靈活性及方便性來(lái)講，確實(shí)感覺(jué)原來(lái)用的protel要高出不少。

　　在完成布線工作后，還有一個(gè)比較重要的工作就是電源層的生成，電源層網(wǎng)絡(luò)的指定及劃分都比較方便。電源層需要處理(planes processor)，在那里定義電源的正、負(fù)片、熱焊盤的形式，處理過(guò)的電源層才會(huì)有對(duì)應(yīng)的電源層數(shù)據(jù)，要注意的一點(diǎn)是一旦設(shè)計(jì)有改動(dòng)，必須要重新進(jìn)行電源層處理，比方說(shuō)有焊盤的位置移動(dòng)過(guò)，那么在電源層對(duì)應(yīng)位置的阻焊不會(huì)跟著移動(dòng)，必須要重新進(jìn)行電源層處理后才能和移動(dòng)過(guò)的新焊盤位置對(duì)應(yīng)上。

　　再往下的工作就是進(jìn)行規(guī)則檢查(DRC)，Expedition PCB提供的規(guī)則檢查種類很多，要根據(jù)具體情況選擇，關(guān)鍵的是未連通、電源孤島、懸線、環(huán)形線等，根據(jù)檢查結(jié)果改動(dòng)設(shè)計(jì)，當(dāng)DRC沒(méi)有報(bào)錯(cuò)時(shí)，這個(gè)PCB 的設(shè)計(jì)也就基本完成了。當(dāng)設(shè)計(jì)檢查基本完成后，可以根據(jù)需要對(duì)PCB板上的元件標(biāo)號(hào)重新定義，按照從左至右或從上到下的順序?qū)υ雌骷M(jìn)行重新編號(hào)，還可以根據(jù)要求給器件標(biāo)號(hào)加前綴，方便將來(lái)歸檔和元件的焊裝查找。當(dāng)然，這一步完成后，要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行反標(biāo)(Back Annotate)，然后，用數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)對(duì)原理圖再進(jìn)行反標(biāo)，才能使原理圖與PCB對(duì)應(yīng)上。反標(biāo)結(jié)束后，可以根據(jù)情況修改絲印層字體的大小及位置，并用工具(silkscreen generator)處理一下，才能生成絲印層的數(shù)據(jù)。

　　最后一步，就是制板數(shù)據(jù)的生成，Expedition PCB中輸出gerber文件，而且有g(shù)erber tool來(lái)對(duì)觀察生成的gerber文件，在gerber tool中看到的數(shù)據(jù)與生產(chǎn)廠家看到的數(shù)據(jù)是一樣的，在這里可以對(duì)你的設(shè)計(jì)進(jìn)行最后一步的控制。制板需要的最少文件需要兩個(gè)：gerber文件和打孔 (NC Drill)文件。

　　仿真工具(ICX及Hyperlynx)

　　仿真一般包括兩個(gè)部分：前仿及后仿。前仿用來(lái)確定器件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及走線距離，后訪可以對(duì)整板進(jìn)行仿真，對(duì)器件的信號(hào)完整性、時(shí)序配合進(jìn)行觀察，防止一些錯(cuò)誤情況的出現(xiàn)，使得信號(hào)時(shí)序盡可能完成要求。當(dāng)然，仿真只能是參考性的，具體的結(jié)果還要根據(jù)調(diào)試情況而定。

　　選擇什么樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與PCB的最后完成情況密切相關(guān)，因此，在進(jìn)行拓?fù)洳季智埃斜匾M(jìn)行前期仿真工作，初步確定元件的拓?fù)湫螤罴熬嚯x遠(yuǎn)近。 Mentor提供的仿真工具Hyperlynx可以完成這項(xiàng)工作，它是以器件的IBIS模型為基礎(chǔ)，確定線長(zhǎng)及阻抗，對(duì)不同拓?fù)淝闆r下對(duì)某些關(guān)鍵信號(hào)進(jìn)行仿真，觀察不同拓?fù)湎碌男盘?hào)完整性情況，從中選取一個(gè)最好的方案。當(dāng)然，它的作用并不僅限于此，在PCB完成后，也可以根據(jù)實(shí)際走線情況進(jìn)行具體信號(hào)的仿真，這對(duì)分析解決調(diào)試中的一些問(wèn)題也會(huì)有一定的參考作用。在經(jīng)過(guò)不同拓?fù)涞姆抡姹容^，我們最終確定了DSP與高速同步存儲(chǔ)器之間采用菊花鏈的連接方式。

　　后仿真用于在完成布線后對(duì)信號(hào)完整性及總線時(shí)序配合進(jìn)行仿真，我們用ICX對(duì)某些關(guān)鍵信號(hào)做了必要的仿真，ICX仿真的基礎(chǔ)也是器件的IBIS模型，不同的是，它已經(jīng)考慮到了PCB的具體布線情況、走線長(zhǎng)度、相鄰線的串?dāng)_、終端匹配情況、PCB板的材料等，對(duì)我們來(lái)說(shuō)，比較感興趣的就是一組總線到達(dá)高速同步存儲(chǔ)器時(shí)的時(shí)序配合情況，ICX可以看出一個(gè)網(wǎng)絡(luò)類中不同信號(hào)到達(dá)終端時(shí)的時(shí)間，通過(guò)這種方式可以判斷布線能否滿足時(shí)序要求。

　　本文小結(jié)

　　從使用的情況看，總的感覺(jué)Mentor的這套PCB設(shè)計(jì)工具前端設(shè)計(jì)輸入比較麻煩，后端布線則比較方便。尤其是中心庫(kù)，如果要從無(wú)到有的建立，是個(gè)非常艱苦的過(guò)程，可以說(shuō)，沒(méi)有一個(gè)強(qiáng)有力的中心庫(kù)支持，這套軟件的推廣使用就會(huì)步履維艱。從外面公司對(duì)這套軟件的使用情況看，Mentor一般適于團(tuán)隊(duì)化設(shè)計(jì)方式：建庫(kù)人員負(fù)責(zé)專門建庫(kù)，并負(fù)責(zé)庫(kù)的及時(shí)更新，這樣中心庫(kù)的器件制作會(huì)比較規(guī)范，使用起來(lái)也會(huì)得心應(yīng)手;工程設(shè)計(jì)人員只負(fù)責(zé)進(jìn)行原理設(shè)計(jì)，可以把主要的精力放在方案的建立和提出時(shí)序要求;PCB人員根據(jù)設(shè)計(jì)人員的要求，專門負(fù)責(zé)布線，ExpediTIon PCB功能強(qiáng)大，設(shè)置很多，沒(méi)有長(zhǎng)時(shí)間的使用經(jīng)驗(yàn)，很難完全掌握，因此有專門的人員從事這樣工作才能充分發(fā)揮該工具的優(yōu)勢(shì);仿真部分可以由專門的仿真人員，也可以由設(shè)計(jì)人員來(lái)完成，仿真也是一個(gè)工作量很大的工作，從器件模型的查找到建立，非常耗時(shí)，而且仿真對(duì)設(shè)計(jì)人員的要求也比較高，如何根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行判斷，合適的修改設(shè)計(jì)，也需要一個(gè)經(jīng)驗(yàn)積累的過(guò)程。

　　我所目前的組合設(shè)計(jì)，是以型號(hào)為主線，設(shè)計(jì)人員從設(shè)計(jì)到調(diào)試全部完成，好處是設(shè)計(jì)人員對(duì)自己的東西比較了解，但對(duì)于Mentor這樣的大型軟件來(lái)講，后果可能是設(shè)計(jì)人員對(duì)這套工具中的每個(gè)軟件了解的都不是很透徹，發(fā)揮工具的優(yōu)勢(shì)就會(huì)打不少折扣。另外以目前的方式，要推廣使用該套軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，從實(shí)現(xiàn)角度來(lái)講，首先要有一個(gè)比較完備的中心庫(kù)，省去設(shè)計(jì)人員艱苦的建庫(kù)、修改工作，能投入更多的精力到設(shè)計(jì)中去，這樣才可能會(huì)比較快的上手使用。總的來(lái)說(shuō)，自我感覺(jué)Mentor的這套PCB工具是比較完備和先進(jìn)的產(chǎn)品，比起目前我們的設(shè)計(jì)工具要上了一個(gè)層次。從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度看，數(shù)字產(chǎn)品的速度越來(lái)越高，信號(hào)完整性的問(wèn)題越來(lái)越突出，因此該套工具在我所使用前景很廣泛。雖然以我所目前的設(shè)計(jì)方式，完全熟悉整套軟件，對(duì)設(shè)計(jì)人員的要求比較高，把這套軟件的優(yōu)勢(shì)完全發(fā)揮出來(lái)尚需時(shí)日，但是相信隨著今后任務(wù)要求的不斷提高，大家會(huì)不斷努力嘗試用更先進(jìn)的軟件來(lái)做設(shè)計(jì)，在使用的人越來(lái)越多后，使用水平一定也會(huì)水漲船高。