智能車硬件系統(tǒng)的設計與PCB板制作

1、學號編號研究類型應用研究分類號TP242.6 HUBEI NORMAL UNIVERSITY學士學位論文Bachelors Thesis論文題目智能車硬件系統(tǒng)的設計與PCB板制作 研究與應用作者姓名 指導教師 所在院系機電與控制工程學院專業(yè)名稱電氣工程及其自動化完成時間2012年5月1日湖北師范學院學士學位論文（設計）誠信承諾書中文題目： 智能車硬件系統(tǒng)的設計與PCB板制作 外文題目： Intelligent car the design of the system hardware and PCB production學生姓名學 號院系專業(yè)機電與控制工程學院電氣工程及其自動化班 級學 生 承

2、 諾我承諾在畢業(yè)論文（設計）活動中遵守學校有關規(guī)定，恪守學術規(guī)范，本人畢業(yè)論文（設計）內(nèi)容除特別注明和引用外，均為本人觀點，不存在剽竊、抄襲他人學術成果，偽造、篡改實驗數(shù)據(jù)的情況。如有違規(guī)行為，我愿承擔一切責任，接受學校的處理。 學生（簽名）：年 月 日指導教師承諾我承諾在指導學生畢業(yè)論文（設計）活動中遵守學校有關規(guī)定，恪守學術規(guī)范，經(jīng)過本人核查，該生畢業(yè)論文（設計）內(nèi)容除特別注明和引用外，均為該生本人觀點，不存在剽竊、抄襲他人學術成果，偽造、篡改實驗數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。 指導教師（簽名）： 年 月 日 智能車硬件系統(tǒng)的設計與PCB板制作（湖北師范學院機電與控制工程學院，湖北 黃石 435002）摘要

3、: 本文以第六屆飛思卡爾全國大學生智能車競賽為基礎，介紹了智能車的硬件設計和PCB制板。根據(jù)我院各參賽小組小車車模的制作要求，和各小組對硬件的要求完成相應的硬件電路設計，由于本設計需要同時兼顧電磁、光電、攝像頭三個小組的硬件資源所以本設計采用吸取各組硬件資源的公共部分，而對于各組的特有部分則是留出相應的硬件接口供各組擴展；完成硬件設計后將硬件電路用PROTEL 99 SE完成PCB制板。關鍵詞：PCB板制作；智能車；飛思卡爾。中圖分類號: TP242.6 Intelligent car the design of the system hardware and PCB production （

4、College of Electrical and Control Engineering，Hubei Normal University，Huangshi 453002，China）Abstract: In this paper the sixth freescale national college students intelligent car competition as the foundation, this paper introduces the hardware design of the intelligent car and PCB board system. Acco

5、rding to the present our group of car models make requirements, and the team of hardware required to perform the corresponding hardware circuit design, because this design need both the electromagnetic, photoelectricity, camera three groups of hardware resources so this design USES the learn from ea

6、ch group the public portion of the hardware resources, and to each of the special part is set aside the corresponding hardware interface for each extension; The hardware design will finish after the hardware circuit with PROTEL 99 SE finished PCB board system Key word: PCB production; Intelligent ca

7、r; freescale1.前 言22 . 選題背景32.1 課題來源及背景32.2 課題研究的目的和意義42.3 國內(nèi)外現(xiàn)狀及趨勢42.4 主要內(nèi)容和主要工作43. 系統(tǒng)介紹53.1 相關芯片的介紹53.2 單片機最小系統(tǒng)模塊84 智能車硬件的設計與實現(xiàn)94.1硬件電路的設計104.1.1電源系統(tǒng)的設計104.1.2 H橋電機驅動模塊114.1.3 無線傳輸模塊介紹124.1.4 串口模塊145 賽道介紹146 開發(fā)平臺及工具介紹156.1. 硬件仿真平臺157. PCB板制作平臺167.1 Protel99SE軟件的使用177.1.1PCB板的分類177.1.2 PCB板電源線、地線的設計

8、187.1.3 模擬電路印制電路板信號線的合理布局187.1.4 印制電路板設計應充分考慮到焊盤的孔徑大小217.2PCB板器件排布和布線規(guī)則227.2.1 元件布局基本規(guī)則 227.3 PCB 板的布局：237.4. 放置小器件。237.5 印制線路板的走線：248 總結與展望278.1 總結278.2 展望279. 參考文獻28 智能車通用PCB板的制作（指導老師 ）（湖北師范學院 機電與控制工程學院 湖北 黃石 435002）1.前 言智能車是一種集環(huán)境感知、決策規(guī)劃、自動行駛等功能于一體的綜合智能系統(tǒng)，智能車集中地運用了自動控制、模式識別、傳感器技術、汽車電子、電氣、計算機、機械等多個

9、學科的知識。隨著控制技術、計算機技術和信息技術的發(fā)展，智能車在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中已經(jīng)扮演了非常重要的角色。國外上世紀80年代開始研究，最初是軍方做特殊用途。近幾年隨著城市化得進展和汽車的普及，交通運輸問題日益嚴重。這種背景下，裝備著智能交通系統(tǒng)的智能車成為許多國家研究的重要對象。車輛、載體的安全輔助駕駛、工廠、碼頭、倉庫的巡邏、監(jiān)視物料的自動運輸、危險、有毒有害場所的監(jiān)控、值守、排障、維修等場合，智能車都可以發(fā)揮作用。目前，智能車領域的研究已經(jīng)能夠在具有一定標記的道路上為司機提供輔助駕駛系統(tǒng)甚至實現(xiàn)無人駕駛，這些智能車的設計通常依靠特定道路標記完成識別，通過推理判斷模仿人工駕駛進行操作。本文

10、所述智能車就是一種自動導引小車,通過對指定賽道進行信號（載流導線空間磁場分布、賽道中心黑線分布情況）采集，由主控CPU對采集到的信號進行參數(shù)分析處理進行路徑識別方案等方面的研究，探索利用單片機自動處理進行路徑自動識別的方案，使之能夠在給定的區(qū)域內(nèi)沿著軌跡自動進行行進。 2 . 選題背景2.1 課題來源及背景 全國大學生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽是在規(guī)定的模型汽車平臺上，使用飛思卡爾半導體公司的8位、16位微控制器作為核心控制模塊，通過增加道路傳感器、電機驅動電路以及編寫相應軟件，制作一個能夠自主識別道路的模型汽車，按照規(guī)定路線行進，以完成時間最短者為優(yōu)勝,大賽根據(jù)導航原理的不同分為電磁組、光電

11、阻和攝像頭組。電磁組賽道中心線下鋪設直徑0. 12-0. 3 mm 漆包線,其中通有f = 20 kHz , I = 100 mA 的交變電流,頻率范圍(20 2) kHz ,電流范圍(100-150) mA ,要求電磁組不允許通過獲取道路的光學信息進行路徑檢測,攝像頭組和光電組在賽道中心設有連續(xù)或斷續(xù)的黑線，小車通過光學原理尋黑線行駛；本課題就是以本賽事為平臺展開研究的。2.2 課題研究的目的和意義本課題設計需要學會使用PROTEL 99 SE繪制一般的電路原理圖和相應的PCB板。充分了解電磁組、攝像頭組、光電組的信號采集方案，和信號處理方法，理解各組小車的硬件結構，綜合出他們的共同部分，和

12、不同部分，將共同部分的完整電路直接繪制在PCB板上，不同部分則應在單片機上引出相應的輸入、輸出接口，這樣可以增強所繪制的PCB板的通用性。對所繪制的PCB板進行分析，反復改變PCB板上的器件分布，和走線總結出一般的器件分布和走線經(jīng)驗，為以后進一步學習和使用PROTEL 99 SE做基礎。2.3 國內(nèi)外現(xiàn)狀及趨勢 目前，高性能，高復雜性，高質(zhì)量是現(xiàn)代電器產(chǎn)品的發(fā)展趨勢，而隨著電路的復雜性提高，電路的質(zhì)量要求的提高，PCB制板技術的到了廣泛的應用?？v觀市場上的電器設備，不論電器大小幾乎全部都應用到了PCB制板技術，應用PCB制板可以提高電器產(chǎn)品的可靠性、可以提高生產(chǎn)商的生產(chǎn)效率，便于大批量生產(chǎn)。所

13、以目前幾乎所有的電器生產(chǎn)公司都會應用到PCB制作技術。2.4 主要內(nèi)容和主要工作 智能車競賽所使用的車模是一款帶有差速器的后輪驅動模型賽車，由大賽組委會統(tǒng)一提供。通過設計基于Freescale 公司開發(fā)的MC9S12XS128MAA單片機的自動控制器控制模型車在封閉的跑道上自主循線運行。自動控制器是以單片機MC9S12XS128MAA為核心，配合有傳感器，舵機，電機，電池及相應的驅動電路，它能夠自主識別路徑，控制模型車高速穩(wěn)定運行在跑道上。智能車競賽要求參賽隊伍設計一輛以組委會提供的車模為主體的可以在賽道上自主尋線的模型車，比賽成績?yōu)閱稳ψ詈贸煽儭ＴO計自動控制器是制作智能車的核心環(huán)節(jié)?？煽啃允?/p>

14、取得成績的有力保障。在提高車速的同時保證智能車的穩(wěn)定性。同時盡量簡化電路設計，提高靈活性。 由于主控芯片是別人做好了的單片機最小系統(tǒng)所以我的主要工作是在PCB板上作出相應的電源供應系統(tǒng)、 舵機接口電路、電機控制和供電電路、傳感器信號接口電路以及信號指示電路。同時為了提高所繪制的PCB板的通用性，我在PCB班上還引出了單片機的所有引腳，為了方便調(diào)試還在PCB板上加上了USB接口來給系統(tǒng)供電，加上了無線通訊系統(tǒng)是小車能和單片機隨時隨地進行通訊。 3. 系統(tǒng)介紹 參賽選手須使用競賽秘書處統(tǒng)一指定的競賽車模套件，采用飛思卡爾半導體公司的8位、16位微控制器作為核心控制單元，自主構思控制方案進行系統(tǒng)設計

15、，包括傳感器信號采集處理、電機驅動、轉向舵機控制以及控制算法軟件開發(fā)等，完成智能車工程制作及調(diào)試。 “飛思卡爾”智能車主要硬件包括：車輪、車模、舵機、驅動電機、電池、主控板、驅動電路、狀態(tài)顯示燈、賽道識別傳感器以及調(diào)試用的無線傳輸模塊等。3.1 相關芯片的介紹 1） MC9S12XS128的介紹 MC9S12XS128是一個以16位中央處理器為核心的16位微控制器，128K的字節(jié)的Flash EEPROM存儲器，8K字節(jié)的RAM，2K字節(jié)的EEPROM，兩個異步串行通信接口（SCI），兩個串行外圍接口（SPI），兩個8通道模擬數(shù)字轉換器（ADC），1個8通道脈寬調(diào)制模塊，兩個兼容CAN2.0A

16、/B協(xié)議的控制器，1個Byteflight模塊和內(nèi)部集成電路總線。 HCS12的核心：16位HCS12CPU：20位ALU，指令隊列，增強型索 引尋址；多種外部總線接口（MEBI）；模塊映射控制機制（MMC）；中斷控制（INT）；斷點（BKP）；背景調(diào)試模塊（BDM）。 時鐘和復位發(fā)生器（CRG）：鎖相環(huán)；看門狗；實時中斷（RTI）；時鐘監(jiān)視器（CM）。 帶中斷功能的8位和4位端口：可編程的上升沿或下降沿觸發(fā)。 存儲器：128K Flash EEPROM；2K byte EEPROM；8K byte RAM。 2個8通道A/D轉換器：10位精度；外部觸發(fā)轉變功能。 3個1 Mb/s的CAN總線

17、模塊，兼容CAN2.0 A/B：5個接收緩沖器，3個發(fā)送緩沖器；4個獨立的中斷通道（發(fā)送中斷、接收中斷、錯誤中斷和喚醒中斷）；低通濾波器喚醒功能。 增強型捕捉定時器（ECT）：16位計數(shù)器，7位預分頻功能；8個可編程輸入捕捉或輸出比較通道；4個8位或2個16位脈沖累加器。 8個PWM通道：每個通道的周期和占空比由程序決定；8個8通道或16個4通道；各通道獨立控制；脈沖在周期內(nèi)中心對稱或左對齊輸出；可編程時鐘選擇邏輯；緊急事件關斷輸入；可作為中斷輸入。 串行口、總線：2個同步串行設備接口（SPI）；2個異步串行通信接口（SCI）。兼容總線標準；多組總線模塊。 LQFP-112和QFP-80封裝選

18、擇：5 V輸入和帶驅動能力I/O； 5 V A/D轉換器輸入；50 MHz系統(tǒng)頻率相當于25MHZ總線頻率；單線背景調(diào)試模塊；片上硬件斷點?？刂朴玫降囊_說明:EXTAL，XTAL：振蕩器引腳，晶振電路或外部時鐘引腳。EXTAL 、XTAL分別是振蕩器的輸入和輸出引腳。RESET：外部復位引腳，低電平有效，為雙向控制信號。當輸入低電平有效時，將MCU初始化成默認狀態(tài)；MCU內(nèi)部功能引起復位時，可作為輸出信號。TEST：測試引腳，僅有輸入功能，專為測試預留。測試引腳在所有應用中必須和VSS連一起用。XFC：鎖相環(huán)濾波器引腳。BKGD/ /MODC ：背景調(diào)試引腳，指令高字節(jié)執(zhí)行標記，在擴展模式下

19、有效，模式選擇端子。該引腳在背景調(diào)試中作為通信引腳。在復位中作為MCU操作模式的選擇引腳，在 信號的上升沿這個引腳狀態(tài)鎖入MODC位。此引腳有一個固定的上拉電阻，并且一直使能。PAD14:8/AN14:8 和 PAD6:0/AN6:0：通用輸入引腳；模數(shù)轉換器的模擬輸入引腳。PB7:0/ADDR7:0/DATA7:0：通用輸入引腳；在MCU擴展操作模式中，這些引腳可作為數(shù)據(jù)總線。PE6/MODB/IPIPE1：通用輸入或輸出引腳；在復位時，作為MCU操作模式的選擇引腳，此引腳的狀態(tài)在 信號的上升沿被鎖入MODB位；此引腳同時也是指令隊列狀態(tài)輸出信號IPIPE1。僅當 為低電平有效時，此引腳是帶

20、下拉電阻的輸入。PE5/MODA/IPIPE0：通用輸入或輸出引腳；在復位時，作為MCU操作模式的選擇引腳，此引腳的狀態(tài)在 信號的上升沿被鎖入MODA位；此引腳同時也是指令隊列狀態(tài)輸出信號IPIPE0。僅當 為低電平有效時，此引腳是帶下拉電阻的輸入。PE4/ECLK: 通用輸入或輸出引腳；并能配置驅動內(nèi)部總線時鐘ECLK。PE1/ ：通用輸入或輸出引腳；可屏蔽異步中斷請求輸入信號 ，可以將MCU從停止或等待模式中喚醒。PE0/ ：通用輸入或輸出引腳；不可屏蔽異步中斷請求輸入信號 ，提供一種應用于異步中斷請求的方法，可以將MCU從停止或等待模式中喚醒。PS3/TXD1：通用輸入或輸出引腳；可作為

21、串行通信接口1的發(fā)送引腳。PS2/RXD1：通用輸入或輸出引腳；可作為串行通信接口1的接收引腳。PS1/TXD0：通用輸入或輸出引腳；可作為串行通信接口0的發(fā)送引腳。PS0/RXD0：通用輸入或輸出引腳；可作為串行通信接口0的接收引腳。PT7:0/IOC7:0：通用輸入或輸出引腳；可作為增強型捕捉定時器(ECT)的輸入捕捉或輸出捕捉比較引腳IOC7IOC0。 VDDX,VSSX：I/O驅動的外部電源和接地引腳。為滿足信號快速上升的要求，電源應能提供瞬時大電流，因此應使用高頻旁路電容，并盡可能放在MCU旁邊，旁路要求取決于MCU引腳的負載大小。 VDDR, VSSR：I/O驅動的外部電源和接地引

22、腳及內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器的輸入。為滿足信號快速上升的要求，電源應能提供瞬時大電流，因此應使用高頻旁路電容，并盡可能放在MCU旁邊，旁路要求取決于MCU引腳的負載大小。 VDD1, VDD2, VSS1, VSS2：電源通過VDD和VSS給MCU供電，為滿足信號快速上升的要求，電源應能提供瞬時大電流，因此應使用高頻旁路電容，并盡可能放在MCU旁邊。這個2.5V電壓來自于內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器。這些引腳不能懸空。如果VREGEN接地，則內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器將被關閉。 VDDPLL, VSSPLL：為振蕩器和鎖相環(huán)提供操作電壓和接地。這個2.5V電壓來自于內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器。 VREGEN：使能內(nèi)部52.5V的電壓調(diào)節(jié)器。

23、如果此引腳連到低電平，則VDD1、VDD2和VDDPLL必須由外部供電。 操作模式: MC9S12DT128有八種操作模式。在復位信號 的上升沿，MODC, MODB, 和 MODA引腳上的數(shù)據(jù)鎖進MODE寄存器的相應位，用來決定操作模式，如表1所列。MODE寄存器的MODC, MODB, 和 MODA位在運行期間指示當前操作模式。在復位信號的上升沿，ROMCTL 引腳數(shù)據(jù)鎖存，送入MISC 寄存器中的ROMON位，ROMON位決定內(nèi)部Flash在內(nèi)存映像中是否可見。ROMON = 1說明Flash在內(nèi)存映像中可見。3.2 單片機最小系統(tǒng)模塊 圖3.2 最小系統(tǒng)圖將系統(tǒng)控制要用到的單片機資源用

24、排針引出備用，系統(tǒng)用的是16Mhz的無源晶振。還有就是程序下載端口BDM的引出，將最小系統(tǒng)單獨制作一塊小的PCB板，便于安裝和更換。 圖3.3 單片機最小系統(tǒng)圖4 智能車硬件的設計與實現(xiàn)智能車的設計包括機械結構設計、智能車電路設計和相應軟件的設計等。智能車的電路設計在整個設計過程中占有相當重要的分量，穩(wěn)定合理的電路是智能車高速運行的必要條件。在遵循電路簡單可靠，功能強大，方便調(diào)試的原則下，本智能車電路系統(tǒng)包含以下幾個部分：1. 電源模塊 2. 單片機最小系統(tǒng)及外圍模塊3. 感器模塊 4. 測速編碼器模塊5. H橋電機驅動模塊 6. 干簧管起跑線檢測模塊7. 無線傳輸模塊 電路系統(tǒng)框圖如下： 圖

25、 3.1 智能車電路系統(tǒng)框圖以上模塊中單片機最小系統(tǒng)為官方提供的，所以不需要設計而各組小車的傳感器各不相同所以本設計中指引出了傳感器的供電接口，和單片機相應的信號輸入接口；測速編碼器模塊需要在PCB板上留出相應的接口；為了方便各小組軟件設計和系統(tǒng)調(diào)試我還在PCB板上添加了USB供電和串口通訊模塊以及無線收發(fā)模塊。4.1硬件電路的設計 4.1.1電源系統(tǒng)的設計 （1）、單片機最小系統(tǒng)電源 圖4.1 單片機最小系統(tǒng)電源圖 單片機是系統(tǒng)的核心控制器，給它供電的電源一定要穩(wěn)定，而且供電質(zhì)量有嚴格的要求，電源的紋波要非常小，不然容易導致程序跑飛，或者系統(tǒng)自動復位。通過測試比較，選擇了三端穩(wěn)壓芯片LM29

26、40-5。它是一款高電流低壓差的芯片，功耗較LM7805要大一些。（2）、舵機電源 圖4.2 舵機電源圖舵機是小車方向的執(zhí)行器，舵機供電的質(zhì)量也非常關鍵。正常舵機供電是6V，單片機通過級聯(lián)P0、P1組成16位的PWM輸出口來控制舵機。為了備用，也將P2、P3引出備用。由于舵機對電源的紋波要求不高，所以選擇功耗低一些的LM7806供電。（3）、傳感器電源 圖4.3 攝像頭電源圖傳感器供電是要求電源模塊紋波小，電壓的穩(wěn)定性要好。所以單獨設計一個LM2940-5的5V供電模塊，用一跟其他電源模塊隔開，從而免受其他模塊的影響。4.1.2 H橋電機驅動模塊電機驅動部分的電路原理圖如圖3.8所示。圖3.8

27、 電機驅動原理圖4.1.3 無線傳輸模塊介紹由于小車是動態(tài)運行的，為了做到在線測量一些數(shù)據(jù)，我們設計了一種以NRF2401（圖2.14）為核心的無線通信模塊，來實現(xiàn)單片機和PC 之間的無線通信，將要查看的參數(shù)信息實時傳送回來，從而我們可以掌握單片機的運行狀態(tài)，還可以實時傳輸智能車行駛的信息，例如傳感器探測到的信號、車行駛的速度、某些寄存器的數(shù)值等。通過掌握這些信息使調(diào)試過程更加簡便， 縮短了調(diào)試周期。圖3.9 NRF24L01無線通信模塊我們采用兩塊無線通訊模塊之間點對點通訊，示意圖如下圖2.15所示， 圖3.10 無線通訊模塊連接示意圖PCB設計中的原理圖電路如下 PCB原理圖設計中的無線收

28、發(fā)模塊4.1.4 串口模塊圖 4.9 串口通信電路串口模塊的電路很常見，在這里就不多說了。這個模塊在我的這個系統(tǒng)中主要是用來對舵機進行調(diào)試，測試舵機的轉角，再就是將傳感器的值實時的傳輸出來，并在PC機上顯示出來。這對我們的調(diào)試起到了很大的作用。5 賽道介紹 比賽賽道有舉辦方提供，賽道路面用專用白色基板制作，寬度=50cm,跑道表面位白色，中心有黑色作為引導線（光電組和攝像頭組用），黑線寬255mm。黑色引導線下鋪設有直徑0.1-0.8mm的漆包線，其中通有20KHz，100mA的交變電流，頻率范圍為201K，電流范圍為10020mA。跑道可以有交叉，交叉角為90，彎道最小曲率半徑不小于50cm

29、。賽道有一個長為1m的出發(fā)區(qū)，如下圖所示，計時起點兩邊分別有一個長度為10cm的黑色計時起始線（電組和攝像頭組用），賽車前端通過起始線作為比賽計時開始或者結束時刻。在黑色計時起始線中間安裝有永久磁鐵（用于電磁組起跑線檢測），每一邊各三只。磁鐵參數(shù)：直徑7.5-15mm，高度1-3mm，表面磁場強度3000-5000Gs。 圖 3.4 賽道起跑線示意圖 圖 3.5 賽道的整體圖 6 開發(fā)平臺及工具介紹6.1. 硬件仿真平臺 在傳感器設計上面，我們使用了Protues 軟件作為主要仿真平臺。Protues 是英國Labcenter 公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件。它運行于WINDOWS 操作系統(tǒng)

30、上，可以仿真、分析(SPICE)各種模擬器件和集成電路。該軟件簡單、高效、易用。主要特點如下： 1. 實現(xiàn)了單片機仿真和SPICE 電路仿真相結合。 2. 實現(xiàn)了單片機仿真和SPICE 電路仿真相結合。 3. 支持主流單片機系統(tǒng)的仿真。提供軟件調(diào)試功能。 4. 具有強大的原理圖繪制功能。Protues 軟件運行界面如下圖所示。 圖3.6 Protues軟件運行界面 利用虛擬示波器可以很方便、很直觀的查看信號波形，并且示波器面板模擬實際示波器面板，簡單易用。如圖下圖所示。 圖3.7 Protues 軟件示波器使用 7. PCB板制作平臺隨著計算機技術的飛速發(fā)展，集成電路被廣泛應用，電路越來越復雜

31、，集成度越來越高，加之新型元件層出不窮，使得越來越多的工作已經(jīng)無法用手工來完成，因此計算機輔助電路板設計已經(jīng)成為電路板設計制作的必然趨勢。Protel 99SE具有豐富的設計功能，能進行原理圖的設計、印制電路板的設計、PCB板的設計等功能，現(xiàn)對其進行介紹：Protel 99SE采用數(shù)據(jù)庫的管理方式。Protel 99SE軟件沿襲了Protel以前版本方便易學的特點，內(nèi)部界面與Protel 99大體相同，新增加了一些功能模塊，功能更加強大。新增的層堆棧管理功能，可以設計32個信號層，16個地電層，16個機械層。新增的3D功能讓您在加工印制版之前可以看到板的三維效果。增強的打印功能，使您可以輕松修

32、改打印設置控制打印結果。Protel 99SE容易使用的特性還體現(xiàn)在“這是什么”幫助，按下右上角的小問號，然后輸入你所要的信息，可以很快地看到特性的功能，然后用到設計中，按下狀態(tài)欄末端的按鈕，使用自然語言幫助顧問。Protel 99SE附件安裝方法非常簡單，只需雙擊光盤目錄下的Install.exe即可。 其使用界面如圖2.10所示。 圖3.8 PROTEL 99 SE原理圖繪制界面7.1 Protel99SE軟件的使用7.1.1PCB板的分類印制電路板（PCB）的常見結構可以分為單層板（single Layer PCB）、雙層板（Double Layer PCB）和多層板（Multi Lay

33、er PCB）三種。1、單層板single Layer PCB 單層板（single Layer PCB）是只有一個面敷銅，另一面沒有敷銅的電路板。元器件一般情況是放置在沒有敷銅的一面，敷銅的一面用于布線和元件焊接。 2、雙層板Double Layer PCB 雙層板（Double Layer PCB）是一種雙面敷銅的電路板，兩個敷銅層通常被稱為頂層（Top Layer）和底層（Bottom Layer），兩個敷銅面都可以布線，頂層一般為放置元件面，底層一般為元件焊接面。 3、多層板Multi Layer PCB 多層板（Multi Layer PCB）就是包括多個工作層面的電路板，除了有頂層

34、（Top Layer）和底層（Bottom Layer）之外還有中間層，頂層和底層與雙層面板一樣，中間層可以是導線層、信號層、電源層或接地層，層與層之間是相互絕緣的，層與層之間的連接往往是通過孔來實現(xiàn)的。7.1.2 PCB板電源線、地線的設計 電源線應該足夠寬，以保證低電阻和小電感，但是，電容藕合將隨著寬度的增加而增加。在同一塊印制電路板上，模擬電路和數(shù)字電路的地線網(wǎng)絡應該嚴格分開。同樣的，參考電壓通常對于地電平的波動很敏感，應該從電源線中分離出來，直接接到印制電路板的輸入端，并且它的地線應該獨立地連接到設備中一個穩(wěn)定的參考地端。實際生活中，地線既有電阻又有電感，還有未知的電流流過，并且當電流

35、流過電阻時會產(chǎn)生電壓降。印制電路板CAD 程序在地線設計方面有很大的不足，因為它們將所有導線設計得盡可能細，以便保存銅箔的面積，這樣就會有很高的地電阻。有一種顯而易見的方法可取代細的地線一一將印制電路板覆銅面的所有地線連接在一起，形成一個連續(xù)的接地面。由于0.001 in (0. 025mm)銅的電阻大約是O. 67m/in2 ，通常情況下，這樣就足夠了，但也不都如此。7.1.3 模擬電路印制電路板信號線的合理布局 在模擬電路印制電路板中，信號線能完成各種功能，如信號輸入、反饋、輸出以及提供基準信號等。因此，對于不同的應用，信號線都必須以各種方式進行優(yōu)化。但是，有一個公認的準則就是在所有模擬電

36、路印制電路板中，信號線應盡可能的短，這是因為信號線越長，電路中的感應和電容捐合就越多，這是不希望看到的?，F(xiàn)實情況是，不可能將所有的信號線都做成最短，因而，布線時首先要考慮的就是最容易產(chǎn)生干擾的信號線。特別是在下列電路中信號線的布線需格外引起注意:1)高頻放大器/振蕩器;2) 多級放大器，特別是輸出功率較高的放大器;3) 高增益直流放大器;4) 小信號放大器;5) 差動放大器。1.高增益直流放大器 高增益直流放大器通常用于小信號放大。當晶體管或直流放大器等器件被焊接在印制電路板上時，就會在銅筒和器件引腳的連接處形成熱電偶，從而產(chǎn)生不同的交變電壓，對放大器形成一個干擾信號。為了使直流放大器輸入級周

37、圍的溫度變化率達到最小，并且保持恒定，建議將輸入級用一個隔離裝置包圍起來，以避免其周圍空氣流動所造成的影響。2. 差動放大器差動放大器只對兩個信號的差值進行放大，而對其公共的電壓信號將不予放大。如果差動放大器和印制電路板設計不合理，當信號電平較低時，公共電壓就會產(chǎn)生一個小的差動干擾信號。差動放大器的輸入阻抗高，輸入端任何參數(shù)的不平衡都會給電路造成很大的干擾。所以，在印制電路板設計時必須確保放大器在物理結構上完全對稱。 在差動放大器的輸入端存在一個確定的漏電阻，它可以造成不平衡的電壓偏移。這個問題可以通過在輸入電路增加防護裝置加以解決，如圖4-1 所示。防護裝置將信號線包圍，如果它能和兩個輸入信

38、號線的低電平端保持相同的電壓，就會引起有效電阻的增加。這種裝置能夠確保信號源終端和防護體與信號源的低電平端電平相同。圖4-2 為如何在印制電路板上安裝信號線防護裝置。防護線要形成一個圈，將信號線從輸入端到放大器的輸入連接點都包圍起來，并且和設備的防護裝置相連，這對于處理低電平差動信號是一種行之有效的方法。另外，小信號差動放大器的印制電路板基材更適合使用環(huán)氧玻璃材料，這有助于減小漏電流。3. 微小信號放大器 該信號放大器處理的是微小信號，包括以下兩種類型。(1)高阻抗(低電流)放大器這種放大器中，兩個相鄰的信號線間存在電容藕合，這會嚴重影響電路的性能，甚至導致低電平信號被覆蓋。 高阻抗電路中，兩

39、導線間的電容藕合如圖4-3 所示。為了減小藕合，建議在高阻抗的信號線之間，以及其他干擾信號之間保持足夠的距離。一般情況下，該距離至少為信號線寬度的40 倍。 無論如何，低電平信號線的對地電容應該很高，以便減小耦合電壓。這就是說，低電平信號導線應當靠近地線。如果不能保證低電平信號線之間有足夠的寬度，可在它們之間布一條地線，以降低藕合。 當放大器使用光電池或化學電池作為電源時，電源阻抗可達到數(shù)百萬甚至是數(shù)億歐姆。如果蝕刻后印制電路板沒有進行充分地清理，殘留在電路板表面的電解液就會在鄰近的導線間產(chǎn)生較大的電阻，甚至即使電路板完全清理干凈了，仍有不大于10 12 0 的漏電阻存在。而且，這些電阻不可能

40、是等方性分布的，以致于兩條鄰近導線間的電阻可能比距離較遠的兩條導線間的電阻更高。因此，低電平I1 V (電流/電壓)轉換器的輸入應當在印制電路板兩面都用防護環(huán)路保護起來(見圖4-5) ，防護環(huán)路應連接到與總的連接點等電位的點上。如果做到這些，漏電阻的精確值就不那么重要了，因為加在它上面的差值電壓己很小了。高阻抗放大器印制電路板不能使用鍍通孔。印制電路板材料的體積電阻率比表面電阻率更低，在基板上很難安裝防護環(huán)。最好的方法就是把高阻抗放大器的終端連接到聚四氟乙烯絕緣體上，而不是印制電路板導線上。(2) 低阻抗(低電壓)放大器 在低阻抗電路中，有可能產(chǎn)生感應電壓，這是因為電路中有感應藕合或磁場存在。

41、這種干擾可通過以下方法減小到一定程度:1)將高電平交流信號線與低電平信號線保持足夠的距離;2) 在信號線附近布設地線;3) 避免形成接地環(huán)路，以防外部磁場干擾低電平信號。4. 高頻放大器/振蕩器 如果高頻放大器印制電路板布線不合理，就會導致放大器帶寬的降低，如圖4-7 所示。這是因為兩條靠近的地線和信號線之間會形成一個大電容，這個電容與輸出電阻一起構成一個低通濾波器。這個低通濾波器使放大器帶寬降低。同時，如果輸入信號線和輸出信號線彼此接近，反饋信號就會引起振蕩。為了避免這些問題的產(chǎn)生，上述導線之間應該留有足夠的空間間隔 。 電子電路設計者通常都有這樣一個共同的經(jīng)歷，那就是如果設計一個高頻放大器

42、，實際上它卻會產(chǎn)生振蕩。在振蕩器的布局中也會遇到類似的問題，它不按照所設計的頻率振蕩。這種問題的產(chǎn)生是由于信號線之間存在電容藕合，因此，在印制電路板布局時很重要的一點就是減小信號線之間的藕合電容。5. 具有高功率輸出的多級放大器 如果電源線和地線太長，多級放大器很容易產(chǎn)生低頻振蕩。由于導線自身具有電阻率，由高功率輸出引起的大電流將會流過這些導線。在電源和地之間加一個足夠大的電容，形成電源去藕電路，就可以解決這個問題(見圖4-8 )?；蛘?，對于不同的放大級分別提供獨立的電源和地線，這樣就不會有公共的電源和地線通路了。7.1.4 印制電路板設計應充分考慮到焊盤的孔徑大小 按照焊盤要求進行設計是為了

43、達到最小的直徑，該直徑至少比焊接終端小孔凸緣的最大直徑大0.5mm。 必須按照ANSI/IPC 2221 要求為所有的節(jié)點提供測試焊盤。節(jié)點是指兩個或多個元器件之間的電氣連接點。一個測試焊盤需要一個信號名(節(jié)點信號名)、與印制電路板的基準點相關的x-y 坐標軸以及測試焊盤的坐標位置(說明測試焊盤位于印制電路板的哪一面)。需要為SMT 提供固定裝置的資料，還需要印制電路板裝配布局的溫合技術，以在在電路測試固定裝置或通常被稱為釘床固定裝置的幫助下促進在電路中的可測試性。為了達到這個目的，需要:1)專門用于探測的測試焊盤的直徑應該不小于0.9mm 。2) 測試焊盤周圍的空間應大于0.6mm 而小于5

44、mm 。如果元器件的高度大于6. 7mm，那么測試焊盤應置于該元器件5mm 以外。3) 在距離印制電路板邊緣3mm 以內(nèi)不要放置任何元器件或測試焊盤。4) 測試焊盤應放在一個網(wǎng)格中2.5mm孔的中心。如果有可能，允許使用標準探針和一個更可靠的固定裝置。5) 不要依靠連接器指針的邊緣來進行焊盤測試。測試探針很容易損壞鍍金指針。6) 避免鍍通孔-印制電路板兩邊的探查。把測試尖端通過孔放到印制電路板的非元器件/焊接面上。這種方式可以允許使用可靠的、較便宜的裝置。不同的孔尺寸的數(shù)量要維持在最低。鍍通孔的縱橫比對于制造商在鍍通孔內(nèi)進行有效電鍍的能力方面有著重要的影響，同樣在保證PTH/PTV 結構的可靠

45、性方面也很重要。當孔的尺寸小于基本電路板厚度的1/4 時，公差應增加0.05mm。當鉆孔直徑為0.35mm 或更小時，縱橫比為4:1 或更大時，制造者都應該使用合適的方式遮住或堵住鍍通孔以防止焊料的進入。一般而言，印制電路板厚度與鍍通孔間距的比率應該小于5 : 1 。7.2PCB板器件排布和布線規(guī)則7.2.1 元件布局基本規(guī)則1. 按電路模塊進行布局，實現(xiàn)同一功能的相關電路稱為一個模塊，電路模塊中的元件應采用就近集中原則，同時數(shù)字電路和模擬電路分開2.定位孔、標準孔等非安裝孔周圍1.27mm 內(nèi)不得貼裝元、器件，螺釘?shù)劝惭b孔周圍3.5mm（對于M2.5）、4mm（對于M3）內(nèi)不得貼裝元器件。3

46、. 臥裝電阻、電感（插件）、電解電容等元件的下方避免布過孔，以免波峰焊后過孔與元件殼體短路。4. 元器件的外側距板邊的距離為5mm。5. 貼裝元件焊盤的外側與相鄰插裝元件的外側距離大于2mm。6. 金屬殼體元器件和金屬件（屏蔽盒等）不能與其它元器件相碰，不能緊貼印制線、焊盤，其間距應大于2mm。定位孔、緊固件安裝孔、橢圓孔及板中其它方孔外側距板邊的尺寸大于3mm。7. 發(fā)熱元件不能緊鄰導線和熱敏元件；高熱器件要均衡分布8. 電源插座要盡量布置在印制板的四周，電源插座與其相連的匯流條接線端應布置在同側。特別應注意不要把電源插座及其它焊接連接器布置在連接器之間，以利于這些插座、連接器的焊接及電源線

47、纜設計和扎線。電源插座及焊接連接器的布置間距應考慮方便電源插頭的插拔。9. 其它元器件的布置所有IC 元件單邊對齊，有極性元件極性標示明確，同一印制板上極性標示不得多于兩個方向出現(xiàn)兩個方向時，兩個方向互相垂直。10、板面布線應疏密得當，當疏密差別太大時應以網(wǎng)狀銅箔填充，網(wǎng)格大于8mil(或0.2mm)。11、貼片焊盤上不能有通孔，以免焊膏流失造成元件虛焊。重要信號線不準從插座腳間穿過。12、貼片單邊對齊，字符方向一致，封裝方向一致。13、有極性的器件在以同一板上的極性標示方向盡量保持一致。7.2.2 元件布線規(guī)則1、畫定布線區(qū)域距PCB板邊1mm的區(qū)域內(nèi)，以及安裝孔周圍1mm內(nèi)，禁止布線2、電

48、源線盡可能的寬，不應低于18mil；信號線寬不應低于12mil；cpu入出線不應低于10mil（或8mil）；線間距不低于10mil3、正常過孔不低于30mil4、雙列直插：焊盤60mil，孔徑40mil 1/4W電阻： 51*55mil（0805表貼）；直插時焊盤62mil，孔徑42mil 無極電容： 51*55mil（0805表貼）；直插時焊盤50mil，孔徑28mil5、 注意電源線與地線應盡可能呈放射狀，以及信號線不能出現(xiàn)回環(huán)走線 7.3 PCB 板的布局： 一. 印制線路板上的元器件放置的通常順序： 1.放置與結構有緊密配合的固定位置的元器件，如電源插座、指示燈、開關、連接件之類，這

49、些器件放置好后用軟件的LOCK 功能將其鎖定，使之以后不會被誤移動； 2. 放置線路上的特殊元件和大的元器件，如發(fā)熱元件、變壓器、IC 等； 7.4. 放置小器件。 1. 元器件離板邊緣的距離：可能的話所有的元器件均放置在離板的邊緣3mm以內(nèi)或至少大于板厚，這是由于在大批量生產(chǎn)的流水線插件和進行波峰焊時，要提供給導軌槽使用，同時也為了防止由于外形加工引起邊緣部分的缺損，如果印制線路板上元器件過多，不得已要超出3mm范圍時，可以在板的邊緣加上3mm的輔邊，輔邊開V 形槽，在生產(chǎn)時用手掰斷即可。 2. 高低壓之間的隔離：在許多印制線路板上同時有高壓電路和低壓電路，高壓電路部分的元器件與低壓部分要分

50、隔開放置，隔離距離與要承受的耐壓有關，通常情況下在2000kV時板上要距離2mm，在此之上以比例算還要加大，例如若要承受3000V的耐壓測試，則高低壓線路之間的距離應在3.5mm以上，許多情況下為避免爬電，還在印制線路板上的高低壓之間開槽。 7.5 印制線路板的走線： 1. 印制導線的布設應盡可能的短，在高頻回路中更應如此；印制導線的拐彎應成圓角，而直角或尖角在高頻電路和布線密度高的情況下會影響電氣性能；當兩面板布線時，兩面的導線宜相互垂直、斜交、或彎曲走線，避免相互平行，以減小寄生耦合；作為電路的輸入及輸出用的印制導線應盡量避免相鄰平行，以免發(fā)生回授，在這些導線之間最好加接地線。 2. 印制

51、導線的寬度：導線寬度應以能滿足電氣性能要求而又便于生產(chǎn)為宜，它的最小值以承受的電流大小而定，但最小不宜小于0.2mm，在高密度、高精度的印制線路中，導線寬度和間距一般可取0.3mm；導線寬度在大電流情況下還要考慮其溫升，單面板實驗表明，當銅箔厚度為50m、導線寬度11.5mm、通過電流2A時，溫升很小，因此，一般選用11.5mm寬度導線就可能滿足設計要求而不致引起溫升；印制導線的公共地線應盡可能地粗，可能的話，使用大于23mm的線條，這點在帶有微處理器的電路中尤為重要，因為當?shù)鼐€過細時，由于流過的電流的變化，地電位變動，微處理器定時信號的電平不穩(wěn)，會使噪聲容限劣化；在DIP封裝的IC腳間走線，

52、可應用1010與1212原則，即當兩腳間通過2根線時，焊盤直徑可設為50mil、線寬與線距都為10mil，當兩腳間只通過1根線時，焊盤直徑可設為64mil、線寬與線距都為12mil。 3. 印制導線的間距：相鄰導線間距必須能滿足電氣安全要求，而且為了便于操作和生產(chǎn)，間距也應盡量寬些。最小間距至少要能適合承受的電壓。這個電壓一般包括工作電壓、附加波動電壓以及其它原因引起的峰值電壓。如果有關技術條件允許導線之間存在某種程度的金屬殘粒，則其間距就會減小。因此設計者在考慮電壓時應把這種因素考慮進去。在布線密度較低時，信號線的間距可適當?shù)丶哟?，對高、低電平懸殊的信號線應盡可能地短且加大間距。 4. 印制

53、導線的屏蔽與接地：印制導線的公共地線，應盡量布置在印制線路板的邊緣部分。在印制線路板上應盡可能多地保留銅箔做地線，這樣得到的屏蔽效果，比一長條地線要好，傳輸線特性和屏蔽作用將得到改善，另外起到了減小分布電容的作用。印制導線的公共地線最好形成環(huán)路或網(wǎng)狀，這是因為當在同一塊板上有許多集成電路，特別是有耗電多的元件時，由于圖形上的限制產(chǎn)生了接地電位差，從而引起噪聲容限的降低，當做成回路時，接地電位差減小。另外，接地和電源的圖形盡可能要與數(shù)據(jù)的流動方向平行，這是抑制噪聲能力增強的秘訣；多層印制線路板可采取其中若干層作屏蔽層，電源層、地線層均可視為屏蔽層，一般地線層和電源層設計在多層印制線路板的內(nèi)層，信號線設計在內(nèi)層和外層。根據(jù)上面的基本概念本次設計的PCB板為雙層板其板面結構如下 圖3.11 電路原理圖 圖3.12 PCB平面結構8 總結與展望8.1 總結 可靠地硬件系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集的準確與高效的必要條件，也是制作過程中的一個難點；通過對智能車技術的深入了解，在了解原理的基礎上，對智能車硬件的實現(xiàn)做了進一步研究。通過對往屆智能車技術報告進行分析，提出了系統(tǒng)整體架構。在硬件方面，設計了微控制器MC9S12XS128與各部分電路的連接，完成了整板電源系統(tǒng)的設計。利用PROTEL 99 SE軟件完成了智能車系統(tǒng)硬件電路的原理圖和PC