利用Altium Designer进行PCB设计—以火灾预警系统为例

井田，王宜结，苗永辉

（淮南师范学院 电子工程学院，安徽淮南，232001）

PCB（Printed Circuit Board），中文名称为印制电路板，简称印制板，是电子工业的重要部件之一。它是电子元器件的支撑体和电子元器件电气连接的提供者。几乎每种电子设备，小到电子手表、计算器，大到计算机、通信电子设备、军用武器系统，只要有集成电路等电子元器件，都要使用PCB[1]。掌握PCB制造工艺已经成为电子信息类学生必须掌握的一门技术，也是现代工科学生就业的一个基本条件。火灾预警系统的PCB设计，电路原理难易适中，涉及单片机、传感器原理、电路原理等多门课程的融汇教学，该系统设计有利于激发学生的学习兴趣和培养学生的动手能力[2]。

1 火灾预警系统电路原理图设计

Altium Designer是Altium 公司推出的一种电子设计自动化设计软件，结合电路图设计、PCB绘制编辑、电路仿真、FPGA应用程序的设计等技术，为用户提供了全线的设计解决方案，大大提高了各种复杂电子电路设计工作的效率[3]。Altium Designer采用项目式文档管理，首先要新建PCB项目文件（＊.PrjPcb），然后依次添加原理图文档（＊.SchDoc）、PCB文档（＊.PcbDoc）、原理图库文(＊.SchLib)和PCB库文档(＊.PcbLib)。具体的设计过程是通过编辑项目中对应的文档来完成的。通过使用这个软件，学生可以利用自己的个人电脑进行PCB设计。

利用Altium Designer提供的原理图文档可以实现原理图的编辑和绘制。通过原理图文档的编辑，不仅可以实现电路原理图设计，还可以实现网络表生成、原理图输出、元器件清单列表生成等功能，为PCB设计打下基础。对于规模较大的设计项目，还支持层次原理图设计，即将项目细分为子项目，并利用子图符号（Sheet Symbol）和子图入口（Sheet Entry）实现子项目的原理图绘制和电气连接。

本文设计的火灾预警系统是基于单片机和传感器的[4]，主要包括了单片机最小系统和温度、烟雾数据采集模块以及声光报警模块和上位机串口通信模块，系统设计采用模块化思想，可以通过添加外部设备的方式，方便地实现系统功能的扩展。系统框图如图1所示。

图1 系统框图

利用Altium Designer进行原理图设计主要步骤和方法如下：

(1)为项目添加原理图文档：鼠标右键单击项目文件→添加新的原理图文档。

(2)设置图纸规格：鼠标右键单击原理图文档编辑窗口→选项→文档选项，进行相应属性设置。

(3)加载元件库：鼠标左键单击“设计”菜单→添加/移除库，进行的库的添加和移除等操作。

(4)放置元器件：鼠标左键单击“放置”菜单→选择相应绘图对象进行放置。

(5)原理图的编辑与调整：按照电路连接对原件进行摆放和位置调整，通过导线、网络标号、端口等进行电气相连。

(6)原理图的检查：鼠标左键单击“项目”菜单→编译某个原理图文档或者是对当前项目中所有原理图文档进行编译，直至没有电气规则错误。

(7)相关报表的生成：鼠标左键单击“报告”菜单→选择菜单项进行对应格式的文档输出。

根据以上步骤，绘制电路原理图如图2～图5所示。

图2 单片机最小系统

图3 烟雾探测模块

图4 温度检测模块

图5 声光报警模块

虽然Altium Designer提供了从原理图更新到PCB的功能，不再需要通过网络表加载的形式设计PCB文档，还是建议设计者根据电路原理图生成网络表。因为当从原理图更新到PCB不成功或者更新不完全的时候，我们往往需要通过网络表去查找问题。比如更新之后，我们发现原本应该相连的焊盘之间没有产生飞线，这时候去查看网络表，会发现一定没有产生相应的网络，再去检查电路原理图中对应部分，则可能是将画线工具误认为是导线工具使用，导致引脚之间没有电气相连，而这种问题具有很强的隐蔽性，对原理图进行编译通常也不会报错。再比如更新之后，某个原件没有封装与之对应，查看网络表会发现这个原件的封装一定是漏设置了。总之，网络表既是对电路原理图如实的反映，更是连接电路原理图和PCB图的桥梁，通过网络表可以查看各元件编号、参数是否正确，封装是否合适，元件之间的网络连接关系是否正确等。

2 火灾预警系统PCB设计

利用Altium Designer进行PCB设计主要步骤和方法如下：

(1)为项目添加PCB文档：鼠标右键单击项目文件→添加新的PCB文档。

(2)设置板层和颜色：鼠标右键单击PCB文档编辑窗口→选项→板层和颜色，根据需要进行板层的选择，不建议对板层颜色进行修改，保留默认设置即可。

(3)电气边框和机械边框的规划：分别选择禁止布线层和机械层，利用画线工具进行电气边框和机械边框的绘制，也可用电气边框代替机械边框。

(4)原理图更新到PCB文档：鼠标左键单击“设计”菜单→更新原理图到PCB，如果PCB文档没有保存，则没有更新菜单项。

(5)手动布局元件，自动布线，手动调整布线。

根据以上步骤和铺铜操作后，得到PCB顶层走线图和底层走线图分别如图6、图7所示。

图6 顶层信号层

图7 底层信号层

电气边框的规划，首先要根据板材尺寸正确设置锁定网格规格，比如板材尺寸要精确到10mil，那锁定网格必须设置成10mil，否则无法精确规划电路板尺寸。锁定网格较小，会使得绘制较大尺寸的电气边框变得麻烦，可以通过灵活切换视图解决这个问题。当需要走线的时候，将视图缩小，可以实现快速移动画线工具的效果，快到边框边缘拐角处时，将视图放大，可以精确定位画线工具，从而实现快速绘制大尺寸高精度的电气边框。为了方便定位操作，在规划之前应先设置参考点，这样在任何时刻可以通过ctrl+end组合键回到参考点[5]。

3 曝光法制作PCB

手工制作PCB板的常用方法是热转印法和曝光法。热转印法利用热转印机将打印在热转印纸上的电路图转印到覆铜板上，受热不均匀或者受热不充分，会导致电路图缺失，需要后期用碳素笔手工绘制加以补充。曝光法利用光的直射原理，将电路图精准转印到覆铜板上，可以制作出高精确度的PCB，本文中采用曝光法制作PCB。

图8 底层胶片

图9 底层显影

曝光法制作PCB的详细步骤如下：

(1)将画好的PCB图打印在菲林胶片上。顶层信号层在曝光过程中经过一次镜像转印，因此应该生成镜像图用来打印胶片。底层信号层为了和顶层信号层的原件和走线相匹配，本身需要的就是镜像效果，所以底层信号层除文字之外的所有内容应该用原像来打印胶片[6]。

(2)清洗、打磨双面覆铜板，裁切、粘贴感光膜。清洗、打磨掉覆铜板表面

的油污和锈渍，可以让感光膜更服帖，曝光和转印效果更好，是制作PCB的必要步骤。可以借助热转印机贴感光膜，以防止有气泡，产生光线折射，影响曝光效果。

(3)用紫外灯或曝光机，对贴好感光膜的覆铜板进行曝光反应。此步骤的关键是菲林胶片的打印面应该和覆铜板足够贴合，防止有光线透进胶片和覆铜板之间，造成不该有的曝光。利用曝光机的抽真空功能可以很好地解决这个问题，如果使用的是简易紫外灯，则可以利用重物压在胶片四周，一定程度上解决这个问题。

(4)对曝光好的覆铜板进行显影处理。应严格按照显影剂使用说明书进行显影液的配制，使用橡胶手套、毛刷、镊子等辅助工具，将覆铜板上被显影剂溶解的部分清理干净，并做干燥。

(5)接下来是腐蚀、脱膜、干燥，完成。

按照以上步骤，以底层信号层为例，打印胶片如图8所示，显影之后的效果如图9所示。

曝光法制作PCB的流程包括菲林胶片的打印、覆铜板的处理、贴膜、曝光、显影、腐蚀及脱膜，流程较热转印法多，且需要曝光设备的支持，但是在调试好曝光时间以及显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显著优点。

4 结语

PCB设计作为一项专业技能，广泛应用于电子信息类专业学生的课程设计、毕业设计和电子设计大赛等实践环节和比赛环节。文中以火灾预警系统为例，给出了利用Altium Designer进行了PCB设计的方法和步骤。设计过程不依赖于软件版本，不要求特殊的实验器材，具有较强的可操作性，可以为PCB设计爱好者和学习者提供一定参考。