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# 小柴冲刺软考中级嵌入式系统设计师系列三、嵌入式硬件设计（3）CadencePCB 系统设计

Cadence 公司的 PCB 系统设计提供了从原理图设计输入、分析、PCB 设计、PCB 制造文件输出等一整套工具，为嵌入式系统硬件设计的准确性和高效提供了基础，其设计流程如图 3-16 所示。

# 一、原理图设计输入工具

Cadence 公司的 PCB 系统设计提供了两种原理图输入工具，Concept HDL 和 CaptureCIS，Concept HDL, 提供了一个高度集成的规则驱动的设计流程，与约束管理器整合提供了整个设计流程中管理电器约束的统一环境，支持团队设计、并发设计、设计重用等。Concept HDL 提供了传统的平面设计方法和先进的分层次的设计方法，设计者可以根据自己的需要选择合适的设计流程和方法。

# 1) 分层次的设计

Concept HDL 支持自顶向下和自底向上两种设计方法。自顶向下的设计方法就是先创建系统的方框图，分成若干子模块，然后再设计子模块，子块又可以再往下细分成子模块或者绘制平面原理图。反过来就是自底向上的方法，先创建最底层的原理图，然后将原理图生成各个模块，各个模块又可以组合形成更高层的模块，最后形成一个系统设计。模块和原理图是可以混用的，并且可以分很多层。每个模块可以单独打包 (Package, 这里所说的打包，即将逻辑从原理图传递到 Allegro) 到 Alegro 中，这样多个 PC 设计工程师就可以同时进行布局布线。图形化的分层和配置管理工具加上功能块编辑功能使得分层次设计的实现很容易。同时这些模块又是可以复制的，并且可以标注不同的属性，这样就保证了原理图之下只有一份拷贝，并且当变更模块的原理图时，会将所有的调用全部更新。

# 2) 模块化设计 -- 设计重用

市场压力和设计趋势推进电子产品向着模块化、多功能等级和核心功能派生的方向发展。但是同时维护同一基础设计的多个版本既耗时又费力，也容易出错。Concept HDI 可以让设计者将与 Allegro 版图有关的原理图完整地作为一个元件 (cell) 保存到库中，可以像调用一个元件那样使用，省去了重新创建和重复拷贝的麻烦。例如电源电路和时钟电路在一个系统或者多个系统中通常会采用相同的解决方案，就可以采用这些方法来实现，这样就可以提高整体的设计效率。

# 3) 并行设计方法

PCB 设计专家提供了真正的并行设计过程。例如在布局时，设计者需要改变连线或者添加元件，在 Alegro 或者 Concept HDL 中都可以实现设计同步，可以帮助用户分析原理图和 PCB 的不同，并且产生一个分层的 ECO 报告自动更新选择的文档。

# 4) 导入物理布局和原理图

Allegro Expert 和 Concept HDL 可以通过 IFF 接口自动导入安捷伦 ADS 物理布局和原理图。导入后，安捷伦 ADS 的设计就如同一个模块，其组件映射到 Allegro 库中。可以选择锁定避免编辑，也可以解锁进行编辑，即使处于锁定状态，模块仍然允许将其连接到设计的其他部分。

# 5) 功能强大的原理图输入方法

• 参数化。如果原理图中需要放置 20 个旁路电容，可以只放置一个电容，然后给这个电容设置参数 size-20，这样就可以减少原理图的篇幅，提高设计的效率，并且原理图看起来更加清晰、整洁。
• 对上下文敏感的菜单。这个功能与 Windows 的功能差不多，当选中一个对象时，右击，就会弹出一个菜单，菜单包含了与当前和上下文有关的命令。
• 群组操作。如果需要对某类元件进行替换或者某些元件需要修改某个属性，可以将这些对象生成一个群组，然后一次替换或者修改这个属性时，节省很多时间。
• 分割元件图形。某些元件管脚非常多，有几百个管脚的元件是非常普遍的，有些都有 1000 多个管脚了，在一页原理图中显示这么多管脚是不切实际的。ConcepHDL, 的建库工具 (Part Developer) 可以将这样的元件分为几个图形符号来制作，并且这些符号可以放在不同的原理图页面上。在打包到 Alegro 中时，仍然可以将这些符号打包成一个元件。
• SKILL 和 CAE Views。设计者根据需要写 SKIL 程序来定制 Concept HDL，并且可以共享，全局导航、查找和替换。无论是平面设计还是层次设计，都可以轻松地按几下鼠标键即可找到任何元件或网络。
• 元件列表文件 (PPT)。元件列表文件可以让设计者将不同的物理元件映射到同样的原理图符号上。例如常用的电阻和电容等元件，元件原理图的图形是完全一样的，只是封装、标称值等不一样。在建库时，可将一类元件全部输入列表文件中在原理图中通过选择不同的元件属性来调用它们。
• 脚本 (script) 和非图形化的 Concept HDL。设计者可以为经常执行的命令设置批处理，在设计过程中调用。Concept HDL, 也可以运行在非图形化的样式，这种模式一般用于自动运行模式。

# 6) 其他功能和特点

• 高性能的图形界面，可以动态移动定制的用户界面，可以命令行输入，热键输入和执行 STROKE (手绘) 命令。
• 自动生成 BOM (料单)。Concept HDL 的这个功能方便设计者自动生成料单。料单的格式按照需要也可以定制，并且可以将非电气元件另外生成一个料单与电气元件的料单连接起来。
• 可以进行电气规则检查和生成网表报告。
• 归档。一般原理图中并没有将原理图库信息全部调入，如果将原理图转移到其他计算机上进行编辑，就会出现找不到库的麻烦，归档功能提供可以将原理图所用的组件归档到本地的功能，不用的库就不会拷贝过来。
• 与 Allegro 整合。Concept HDL 不仅仅是一个原理图编辑器，它的作用类似于完整设计环境中的 HUB，无缝地与 Allegro PCB 设计系统和其他仿真工具整合。例如在布局时，设计者可以通过在 Concept HDL, 中选中组件而在 Allegro 中放置，也可以一次就放置所有的组件。
• 项目管理器。在项目管理器中，设计者可以启动所有的工具、改变启动工具的设置。
• 与约束管理器整合。Concept HDL 也是设计流程中管理电气约束的统一环境的 - 部分，所以在 Concept HDL, 中也可以利用约束驱动过程传递正确的设计给 Allegro, 或者反过来传递给 Concept HDL。

# 二、PCB 设计系统

PCB 设计系统可以实现复杂、多层电路板图的创建和编辑，可以方便地输出生产数据，其特点包括:

(1) 灵活的驱动布局功能。Allegro Expert 提供约束驱动自动和交互结合的布局模式，可以让工具自动布局，也可以手工调整，在放置元件时高速约束和物理设计规则可以动态地检查元件的放置有没有违反规则，并报告出来。QuickPlace 可以让设计者对组件进行过滤和预分纽，在 PCB 外形图框周围放置他们。Ailegro Expert 使用统一的约束管理器在布局阶段提供互连线延时的实时图形反馈，使工程师最优化地仿真元件，保证了设计的正确性。

(2) 交互式布线编辑器。Alegro 提供基于形状、任意角度和推挤 (push/shove) 的布线方式，对于有高速规则约束的网络在走线时还可以实时显示还有多少时序裕量。

(3) 多种生产加工数据的输出。可以输出多种生产加工数据，包括标准的 Gerber 文件、多种光绘机文件、D 码表、装配图、裸板测试数据等，还能输出 ODB++ 数据格式。

(4) 丰富的平面操作功能。Allegro Expert 提供了功能最强的电源平面创建和编辑功能，包括用户定义分割面、中间层面正片显示以及用户定义部分覆铜区域的功能选项。该电源平面设计工具可以使设计者像观察正片一样显示所见即所得的电源层负片。

(5) 高级 SKILL 语言。使用高级 SKILL 语言，设计者可以正确地集成和定义自己需要或喜爱的工具箱。

# 三、自动和交互布线工具

Cadence 公司的 PCB 系统设计中的自动布线工具是一流的，针对高密度 PCB 和复杂 I℃ 封装的自动和交互式互连线布线工具，具体包含 SPECCTRA 布局编辑器、SPECCTRA 交互布线编辑器、SPECCTRA 自动布线器 3 个工具。

# 1) SPECCTRA 布局编辑器

SPECCTRA 布局编辑器可以方便快捷地帮助设计者完成布局，可以对单个和一组元件进行诸如翻转、旋转、推挤、对齐和移动等操作。SPECCTRA 布局编辑器提供指导布局模式，帮助设计者自动计算出最佳布局位置，设计者也可以调整。SPECCTRA 布局编辑器还提供密度分析功能，以图形方式显示布线阻塞情况，帮助设计者调整布局，提高布通率。

# 2) SPECCTRA 交互布线编辑器

SPECCTRA 交互布线编辑器提供的推挤功能可以自动按照间距要求移动附近的连线和过孔。当移动连线或过孔时，编辑器会自动推挤它周围的连线并动态地显示出来。设计者也可以通过多级操作放弃所做的动作。

SPECCTRA 交互布线编辑器还提供自动帮助放置过孔、拷贝连线等功能。

# 3) SPECCTRA 自动布线器

SPECCTRA 自动布线器使用高效的基于形状的布线算法，可以充分利用布线空间。SPECCTRA 自动布线器还提供了电气参数规则控制和电流承载能力的要求。

SPECCTRA 自动布线器还可以提供盲埋孔、焊盘下过孔等的处理，是当今高密度 PCB 设计必需的功能。

# 四、库管理

Cadence 公司的 PCB 系统设计的库管理提供 3 个工具，分别是 PCB 库专家、PCB 库、库浏览。

# 1) PCB Librarian ExpertPCB 库专家

PCB 库专家提供了原理图和 PCB 库的创建、封装和验证功能。它包含了几个工具，原理图库的创建是由 Librarian Expert 和 Part Developer 这两个工具来实现的。PartDeveloper 用来创建原理图符号、物理引脚与封装的对应和其他关键属性。Padstack Editor 是图形编辑器，用来创建、修改焊盘。Alegro Librarian 用来创建 PCB 封装符号，可以用手工和向导两种方法来实现。

# 2) PCB LibrarianPCB 库

PCB Librarian 包含手工创建库的工具，包括 Library Export 和 Part Developer 原理图创建工具，还有创建 PCB 库的 Allegro Librarian 工具，可以完成库的创建和校验。虽然 PCB Librarian 和 PCB Librarian Expert 包含的工具是一样的，但是在 PCB Librarian 中只能使用工具的部分功能，一些高级功能不能实现。

# 3) Part Browser-- 库浏览

Part Browser 是基于 Web 的检索和放置元件的工具。库的验证通过 Part Browser 来实现。这个工具可以提供多个方法来检索元件列表 (PTF) 的内容，并且可以被集成到 MRP/ERP 系统中提供其他商业信息。

# 五、约束管理器

约束管理是 PCB 系统设计的核心，提供基于电子数据表格式的约束信息，具有实时显示高速规则和状态的功能，并且可以在设计流程的任意阶段调用。仿真设计人员在做仿真之后，形成了高速约束规则，这些规则一旦加入约束管理器，就可以用来驱动布局布线了。约束管理器包括两个视图，一个视图让设计者观察数据库中不同的电子约束集合相关的约束值；另一个视图提供系统中不同网络以及它们要遵守的约束集名称，并且实时显示约束值的分析结果，通过改变分析结果的颜色来标明成功和失败，一目了然。