利用Altium Designer進行PCB設計—以火災預警系統為例

井田，王宜結，苗永輝

（淮南師范學院 電子工程學院，安徽淮南，232001）

PCB（Printed Circuit Board），中文名稱為印制電路板，簡稱印制板，是電子工業的重要部件之一。它是電子元器件的支撐體和電子元器件電氣連接的提供者。幾乎每種電子設備，小到電子手表、計算器，大到計算機、通信電子設備、軍用武器系統，只要有集成電路等電子元器件，都要使用PCB[1]。掌握PCB制造工藝已經成為電子信息類學生必須掌握的一門技術，也是現代工科學生就業的一個基本條件。火災預警系統的PCB設計，電路原理難易適中，涉及單片機、傳感器原理、電路原理等多門課程的融匯教學，該系統設計有利于激發學生的學習興趣和培養學生的動手能力[2]。

1 火災預警系統電路原理圖設計

Altium Designer是Altium 公司推出的一種電子設計自動化設計軟件，結合電路圖設計、PCB繪制編輯、電路仿真、FPGA應用程序的設計等技術，為用戶提供了全線的設計解決方案，大大提高了各種復雜電子電路設計工作的效率[3]。Altium Designer采用項目式文檔管理，首先要新建PCB項目文件（＊.PrjPcb），然后依次添加原理圖文檔（＊.SchDoc）、PCB文檔（＊.PcbDoc）、原理圖庫文(＊.SchLib)和PCB庫文檔(＊.PcbLib)。具體的設計過程是通過編輯項目中對應的文檔來完成的。通過使用這個軟件，學生可以利用自己的個人電腦進行PCB設計。

利用Altium Designer提供的原理圖文檔可以實現原理圖的編輯和繪制。通過原理圖文檔的編輯，不僅可以實現電路原理圖設計，還可以實現網絡表生成、原理圖輸出、元器件清單列表生成等功能，為PCB設計打下基礎。對于規模較大的設計項目，還支持層次原理圖設計，即將項目細分為子項目，并利用子圖符號（Sheet Symbol）和子圖入口（Sheet Entry）實現子項目的原理圖繪制和電氣連接。

本文設計的火災預警系統是基于單片機和傳感器的[4]，主要包括了單片機最小系統和溫度、煙霧數據采集模塊以及聲光報警模塊和上位機串口通信模塊，系統設計采用模塊化思想，可以通過添加外部設備的方式，方便地實現系統功能的擴展。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

利用Altium Designer進行原理圖設計主要步驟和方法如下：

(1)為項目添加原理圖文檔：鼠標右鍵單擊項目文件→添加新的原理圖文檔。

(2)設置圖紙規格：鼠標右鍵單擊原理圖文檔編輯窗口→選項→文檔選項，進行相應屬性設置。

(3)加載元件庫：鼠標左鍵單擊“設計”菜單→添加/移除庫，進行的庫的添加和移除等操作。

(4)放置元器件：鼠標左鍵單擊“放置”菜單→選擇相應繪圖對象進行放置。

(5)原理圖的編輯與調整：按照電路連接對原件進行擺放和位置調整，通過導線、網絡標號、端口等進行電氣相連。

(6)原理圖的檢查：鼠標左鍵單擊“項目”菜單→編譯某個原理圖文檔或者是對當前項目中所有原理圖文檔進行編譯，直至沒有電氣規則錯誤。

(7)相關報表的生成：鼠標左鍵單擊“報告”菜單→選擇菜單項進行對應格式的文檔輸出。

根據以上步驟，繪制電路原理圖如圖2～圖5所示。

圖2 單片機最小系統

圖3 煙霧探測模塊

圖4 溫度檢測模塊

圖5 聲光報警模塊

雖然Altium Designer提供了從原理圖更新到PCB的功能，不再需要通過網絡表加載的形式設計PCB文檔，還是建議設計者根據電路原理圖生成網絡表。因為當從原理圖更新到PCB不成功或者更新不完全的時候，我們往往需要通過網絡表去查找問題。比如更新之后，我們發現原本應該相連的焊盤之間沒有產生飛線，這時候去查看網絡表，會發現一定沒有產生相應的網絡，再去檢查電路原理圖中對應部分，則可能是將畫線工具誤認為是導線工具使用，導致引腳之間沒有電氣相連，而這種問題具有很強的隱蔽性，對原理圖進行編譯通常也不會報錯。再比如更新之后，某個原件沒有封裝與之對應，查看網絡表會發現這個原件的封裝一定是漏設置了。總之，網絡表既是對電路原理圖如實的反映，更是連接電路原理圖和PCB圖的橋梁，通過網絡表可以查看各元件編號、參數是否正確，封裝是否合適，元件之間的網絡連接關系是否正確等。

2 火災預警系統PCB設計

利用Altium Designer進行PCB設計主要步驟和方法如下：

(1)為項目添加PCB文檔：鼠標右鍵單擊項目文件→添加新的PCB文檔。

(2)設置板層和顏色：鼠標右鍵單擊PCB文檔編輯窗口→選項→板層和顏色，根據需要進行板層的選擇，不建議對板層顏色進行修改，保留默認設置即可。

(3)電氣邊框和機械邊框的規劃：分別選擇禁止布線層和機械層，利用畫線工具進行電氣邊框和機械邊框的繪制，也可用電氣邊框代替機械邊框。

(4)原理圖更新到PCB文檔：鼠標左鍵單擊“設計”菜單→更新原理圖到PCB，如果PCB文檔沒有保存，則沒有更新菜單項。

(5)手動布局元件，自動布線，手動調整布線。

根據以上步驟和鋪銅操作后，得到PCB頂層走線圖和底層走線圖分別如圖6、圖7所示。

圖6 頂層信號層

圖7 底層信號層

電氣邊框的規劃，首先要根據板材尺寸正確設置鎖定網格規格，比如板材尺寸要精確到10mil，那鎖定網格必須設置成10mil，否則無法精確規劃電路板尺寸。鎖定網格較小，會使得繪制較大尺寸的電氣邊框變得麻煩，可以通過靈活切換視圖解決這個問題。當需要走線的時候，將視圖縮小，可以實現快速移動畫線工具的效果，快到邊框邊緣拐角處時，將視圖放大，可以精確定位畫線工具，從而實現快速繪制大尺寸高精度的電氣邊框。為了方便定位操作，在規劃之前應先設置參考點，這樣在任何時刻可以通過ctrl+end組合鍵回到參考點[5]。

3 曝光法制作PCB

手工制作PCB板的常用方法是熱轉印法和曝光法。熱轉印法利用熱轉印機將打印在熱轉印紙上的電路圖轉印到覆銅板上，受熱不均勻或者受熱不充分，會導致電路圖缺失，需要后期用碳素筆手工繪制加以補充。曝光法利用光的直射原理，將電路圖精準轉印到覆銅板上，可以制作出高精確度的PCB，本文中采用曝光法制作PCB。

圖8 底層膠片

圖9 底層顯影

曝光法制作PCB的詳細步驟如下：

(1)將畫好的PCB圖打印在菲林膠片上。頂層信號層在曝光過程中經過一次鏡像轉印，因此應該生成鏡像圖用來打印膠片。底層信號層為了和頂層信號層的原件和走線相匹配，本身需要的就是鏡像效果，所以底層信號層除文字之外的所有內容應該用原像來打印膠片[6]。

(2)清洗、打磨雙面覆銅板，裁切、粘貼感光膜。清洗、打磨掉覆銅板表面

的油污和銹漬，可以讓感光膜更服帖，曝光和轉印效果更好，是制作PCB的必要步驟。可以借助熱轉印機貼感光膜，以防止有氣泡，產生光線折射，影響曝光效果。

(3)用紫外燈或曝光機，對貼好感光膜的覆銅板進行曝光反應。此步驟的關鍵是菲林膠片的打印面應該和覆銅板足夠貼合，防止有光線透進膠片和覆銅板之間，造成不該有的曝光。利用曝光機的抽真空功能可以很好地解決這個問題，如果使用的是簡易紫外燈，則可以利用重物壓在膠片四周，一定程度上解決這個問題。

(4)對曝光好的覆銅板進行顯影處理。應嚴格按照顯影劑使用說明書進行顯影液的配制，使用橡膠手套、毛刷、鑷子等輔助工具，將覆銅板上被顯影劑溶解的部分清理干凈，并做干燥。

(5)接下來是腐蝕、脫膜、干燥，完成。

按照以上步驟，以底層信號層為例，打印膠片如圖8所示，顯影之后的效果如圖9所示。

曝光法制作PCB的流程包括菲林膠片的打印、覆銅板的處理、貼膜、曝光、顯影、腐蝕及脫膜，流程較熱轉印法多，且需要曝光設備的支持，但是在調試好曝光時間以及顯影溶液配比的前提下，所制作的PCB具有精度高，一次制作成功率高等顯著優點。

4 結語

PCB設計作為一項專業技能，廣泛應用于電子信息類專業學生的課程設計、畢業設計和電子設計大賽等實踐環節和比賽環節。文中以火災預警系統為例，給出了利用Altium Designer進行了PCB設計的方法和步驟。設計過程不依賴于軟件版本，不要求特殊的實驗器材，具有較強的可操作性，可以為PCB設計愛好者和學習者提供一定參考。