从Protel99Se到Altium Designer

Altium Designer快速入门（第二版）

第1章从Protel 99 SE到Altium Designer

由电子设计发展历程谈起

电子设计现状

在电子技术发展进入二十一世纪后，由

于单位面积内集成的晶体管数正急剧增加、

芯片尺寸日益变小；同时，低电压、高频

率、易测试、微封装等新设计技术及新工艺

要求的不断出现，另外，IP核复用的频度需

求也越来越多。这就要求设计师不断研究新

的设计工艺、运用新的一体化设计工具。

正如微处理器最初只是被开发用于增强

个人计算器产品的运算能力，随后伴随着性

图1-1 电子系统设计流程

能的增强和价格的下降，微处理的应用扩展

到更广阔的领域，这也就直接引发了后来的

基于微处理器的嵌入式系统取代基于分立式器件通过物理连线组成系统的设计技术变革。而这一变革的关键并不在于微处理器件本身，而是微处理器将系统设计的重心从关注器件间连线转变到“soft”设计领域。基于这一观点，伴随着FPGA技术的发展，电子设计中更多的要素将通过“soft”设计实现。

现代电子产品设计流程被简单地分成两个阶段。

其一、器件物理连线平台的设计，即PCB板级电路设计；

其二、“软”设计，即在器件物理连线平台上编程实现的“智能”。

由板级电路设计谈到Protel 99SE

上世纪九十年代末，基于个人电脑（PC）性能的迅速提升及微软视窗操作系统（Windows）的广泛使用，Altium公司（原Protel公司）在业界率先提出了贯穿原理图设计-电路仿真-PCB版图设计-信号完整性分析-CAM数据输出板级电路设计完整流程的电子自动化设计（EDA）工具——Protel 99Se版本。Protel 99Se以可靠、易用的电路设计风格迅速获得了全球主流电子设计工程师的喜爱，从工业控制到航空航天，从消费电子到医疗电子等全球不同的电子设计领域和行业都能发现电子设计工程师熟练的应用Protel 99Se开发出性能卓越的板级电子设备。

Protel 99Se的主要特点：

9模块化的原理图设计

9强大的原理图编辑功能

9完善的库元件编辑和管理功能

9 32位高精度版图设计系统

9丰富、灵活的版图编辑功能

9强大、高效的版图布线功能

9完备的设计规则检查（DRC）功能

9完整的电路设计仿真功能

9快速、可靠的CAM制板数据输出

由现代电子产品设计谈到Altium Designer

纵观电子系统设计的发展，EDA及软件开发工具成为推动技术发展的关键因素。与此同时，基于微处理器的软件设计和面向大规模可编程器件——CPLDs和FPGAs的广泛应用，正在不断加速电子设计技术从硬件电路向“软”设计过渡。Altium最新版本的一体化电子产品设计解决方案——Altium Designer Release10将帮助全球主流电子设计工程师全面认识电子自动化设计技术发展的最新趋势和电子产品的更可靠、更高效、更安全的设计流程。

“软”设计SoPC系统开发流程

物理板级电路设计、FPGA片上组合逻辑系统设计和面向软处理器内核的嵌入式软件设计是“软”设计SoPC系统开发的三个基本流程阶段。

图1-2 SoPC系统开发流程：

以“软”设计为核心的SoPC系统具有结构简单、修改方便、通用性强的突出优点。Altium Designer与当前电子设计工具的关键差异就在相对于重新设计或设计实现后软件或固件设计更容易被移植。

- 在硬件平台实现之前，可以开展“soft”设计；

- 在硬件设计之后，得以持续“soft”设计；

- 在硬件制造之后，得以持续“soft”设计；

- 在硬件交付给客户之后，得以持续完善“soft”设计；

- 系统调用的设计IP，更易于保护；

- 只需要提供相应的功能，而非设计源代码；

- “soft”设计将为通过器件建立设计师与厂商间协作提供标准处理模式；

通过提供用于PCB版图设计的高级功能和用于FPGA片上设计的IP内核，Altium 公司力图帮助每位电子产品设计者摆脱繁琐地元器件连线和外围接口部件设计的纠缠；Altium Designer将为设计创新提供源源不断地支持，使“soft”设计处于系统设计流程的核心地位。

Protel 99 SE与 Altium Designer

上世纪八十年代中叶，诞生了一家专业从事电子设计自动化技术研究和工具开发的公司——Protel。公司推出的首个产品Protel帮助当时的电子设计师能利用电子计算机在图形运算和处理特性更高效地实现电路功能设计；同时，帮助广大的设计者将电子设计过程有机会从价格高昂的工程机向个人电脑（PC）平台转换，加速了全球范围内电子设计技术的普及。作为全球电子设计自动化技术的领导者，公司从满足主流电子设计工程师研发需求的角度，跟踪最新的电子设计技术发展趋势，不断推陈出新。回顾Altium产品更新历程，首个运行于微软Windows视窗环境的EDA工具——Protel3.x，首个板级电路设计系统——Protel 99Se，首个一体化电子产品设计系统——Altium Designer，都验证了Altium一贯为全球

主流电子设计工程师提供最佳的电子自动化设计解决方案的产品研发理念。

产品技术的延续性

作为Protel 99Se产品后续的EDA工具升级版本——Altium Designer继承了Protel 99Se软件全部优异的特性和功能。Altium Designer从设计窗口的环境布局到功能切换的快捷组合按键定义均保持了与Protel 99Se很多完全一致的元素。Altium Designer中仍然延续了传统的原理图设计模块、电路功能仿真模块、PCB版图设计模块、信号完整性分析模块和CAM制板数据输出模块；仍然提供与多款第三方工具软件间良好设计数据的兼容性。

产品技术的创新性

作为Altium公司电子自动化设计技术战略转变的主打产品——全球首个一体化电子产品开发平台，Altium Designer从系统设计的角度，将软硬设计流程统一到单一开发平台内，保障了当前或未来一段时间内电子设计工程师可以轻松地实现设计数据在某一项目设计的各个阶段（板级电路设计-FPGA组合逻辑设计-嵌入式软件设计）无障碍地传递，不仅提高了研发效率，缩短产品面市周期；而且增强了产品设计的可靠性和数据的安全性。

所谓一体化设计，Altium Designer提供了三项主要特性：

电子产品开发全程调用相同的设计程序；

电子产品开发全程采用一个连贯的模型的设计；

电子产品开发全程共用同一元件的相应模型；

统一的设计可以极大地简化电子设计工作，利用新技术（如低成本、大规模可编程逻辑器件），

整合于企业级产品不同的开发过程，从而使板级设计工程师和嵌入式软件设计工程师在一个统一的设计环境内共同完成同一个项目的研发。

元器件模型设计

在新一代的Altium Designer平台中，软件不仅具备了原有99 SE中的原理图器件模型设计、PCB其间

模型设计，同时采用了全新的3D图像引擎构建元器件的实际外形，使得开发人员可以在软件平台下得到电路的各方面的详细信息；在模型的设计上，新一代的Altium Designer具备更加智能化的设计功能，提

高了模型设计的效率和速度，简化了开发人员的设计工作。其中在Altium Designer中原理图元器件模

型、PCB元器件模型以及元器件外形3D模型，如图1-3所示。

图1-3 元器件的各类模型设计

电子设计工程管理

Altium Designer具备了强大的工程项目管理功能，不仅包括文件管理和编辑，同时也将PCB工程、嵌入式工程、EDA设计工程等集合到了一个平台上，使得项目在开展过程中，各个子工程间的联系和管理得到了很好的保证。图1-4为Altium Designer工程项目结构的示意图，其中本书的第四章节将会对项目的管理做深入的介绍。

图1-4 Altium Designer工程项目结构的示意图

原理图设计模块

总线线束（Harness）设计

Altium Designer 引进一种叫做 Signal Harnesses 的新方法来建立元件之间的连接和降低电路图的复杂性。该方法通过汇集所有信号的逻辑组对电线和总线连接性进行了扩展，大大简化了电气配线路径和电路图设计的构架，并提高了可读性。

开发人员可通过 Signal Harnesses 来创建和操作子电路之间更高抽象级别，用更简单的图展现更复杂的设计。图6中的线束载有多个信号，并可含有总线和电线。这些线束经过分组，统称为单一实体。这种多信号连接即称为 SignalHarness。

图1-5 总线约束设计风格

定义原理图装配变量（Variant Definition）

Altium Designer支持在单个项目中创建多种使你可以处理在同一个设计板上采用不同的器件装配的来制造不同的产品的设计装配变量。通常在PCB 项目中包含多个电路中部分差异元件或是不同的模型的装配变量。Altium Designer对定义变量的数量没有任何限制。

Altium Designer 变量管理器可以在一个项目中定义多个装配变量，对每个变量按要求设定其输出。当完成设计项目和装配变量的定义，由变量就可以产生装配文件和材料清单。

图1-6 装配变量定义

印制版图设计模块

规则驱动的版图设计

Altium Designer提供了一个基于规则驱动的PCB版图设计环境，允许开发人员自动以多类型的设计规则来完善PCB设计的完整性。其中图1-7是Altium Designer规则驱动的设置界面。

图1-7 PCB驱动规则的设置

同步PCB与FPGA设计数据

在面向PCB与FPGA的工程开发时，Altium Designer不仅提供了工程开发过程中的设计同步和平台环境的统一，即在统一的软件平台下可以同步的开展PCB和FPGA的设计，同时也提供了PCB设计与FPGA 分配的管脚数据的同步。

图1-8 PCB与FPGA设计的集成

CAM格式数据编辑

Altium Designer的CAM编辑器提供了多种功能，它们主要基于CAM数据的查看和编辑。当光绘文件、钻孔文件输入到编辑器后，CAM编辑器按照指示决定板层的类型和叠层，并且编辑器可以根据CAM数据提取出PCB板子的网络表与PCB设计软件导出的IPC符合标准的网络表进行比较，查找隐藏的错误。同时CAM编辑器还可以根据设定的规则，对CAM数据进行DRC（Design Rules Checking），查找并自动修复隐藏的错误，另外提供了拼板和NC布线（如添加邮票孔、V刀）等功能。

图1-9 CAM编辑界面

CAM格式数据校验

Altium Deisigner编辑器允许开发人员输入Gerber格式光绘文件和钻孔文件，然后运行一系列的设计规则来验证输入文件中的相关数据。一旦被验证，将会在多个规则中产生一个自适应选项。

图 1-10 CAM数据校验

FPGA数字电路设计模块

独立于器件的FPGA设计

Altium Designer开发环境中提供了FPGA开发功能，该功能不仅可以作为复杂工程中一个子工程进行开展，同时也可以作为独立的FPGA开发工程进行开发。其中图1-11为Altium Designer中FPGA工程界面。

图1-11 FPGA工程开发界面

支持嵌入虚拟仪器的设计调试

Altium Deisigner在FPGA工程开发中提供了多种功能的虚拟仪器以帮助开发人员顺利完成系统的测试和开发，其中虚拟器仪器可通过Altium Deisigner与物理板卡的连接线捕获板卡上个各类数据或者将开发人员的设置的数据指令发送到板卡内部。在图1-12中，红色框内的虚拟仪器实现开发人员利用Altium Deisigner中的虚拟仪器界面完成对硬件板卡运行过程中所需数据指令的发送和捕获。

图1-12 虚拟仪器与FPGA开发的结合

设计流程的图形化控制

Altium Deisigner提供了FPGA设计流程的图形化控制功能，如图1-13所示，对FPGA开发过程中的编译、综合、下载文件建立和文件的下载功能提供了四个步骤的控制。

图1-13 FPGA 设计流程的图形化控制 嵌入式软件设计模块

支持8位及32位处理器设计

Altium Designer 开发平台中集成了8位和32位的嵌入式处理器软核，开发人员可依据工程的具体需要选择相应的处理器，同时平台下的嵌入式工程支持基于所集成的处理器软核C/C++语言的嵌入式软件开发。表1-1列出了目前Altium Designer 所集成的处理器。

表1-1 Altium Designer 支持的软核处理器

处理器名称 图标 说明

TSK51/52

基于8051的8位处理器软核

TSK3000

基于MIPS 结构的32位处理器

软核

PPC450

基于PowerPC 结构的32位

Xilinx 处理器接口

MICROBLAZE

基于RISC 结构的32位Xilinx

软核处理器接口

COREMP7

基于ARM7结构的32位Actel

软核处理器接口

NIOSII

基于RISC 结构的32位Altera

软核处理器接口

导入Protel 99SE 设计数据（Import Wizard ）

导入DDB 设计数据包

当用户导入99 SE 的DDB 文件时，在文件菜单中选择 File ? Importer Wizard 。选择99SE DDB File Type 导入，如图22-2所示。在导入过程中，用户需要关闭在Altium Designer 中已打开的文件、工程和工作区。如果条件不满足，软件会提示用户完成这些工作。

用户可以使用向导将一个DDB 或所有的DDB 文件安装在一个文件夹里。下面介绍如何导入一个 DDB 文件。

导入过程进行如下步骤的处理：

图3-23 选择99SE DDB File Type导入DDB文件

1. 提取DDB中的文件到硬盘指定的文件夹中，文件结构将在硬盘中重建。无论数据库中的文件是否与工程关联都会被提取出来。

2. 把原理图文件转换成当前文件格式（如果该选项被使能）。

3. 给所有原理图以及PCB文件添加文件后缀名。Altium Designer 根据文件的后缀名识别文件。对于原理图，其后缀名应当是Sch、 SchDoc，或是早期的DOS原理图 S01、 S02等文件后缀名。如果在DDB文件中有些原理图没有后缀名，系统将会自动加上*.SchDoc。值得注意的是这种做法并不会改变文件结构，Altium Designer 的编译器会自动检测这种情况并且维持设计的架构以及互相之间的联系。此外需注意软件不会自动给不带标准后缀名的非Altium 文件命名。

4. 为每个已命名的工程创建一个工程文件，以PrjPcb (PCB project) 或LibPkg (library package)为类型，并且添加相应的工程文件。

5. 创建设计工作区(*.DsnWrk)，然后将所有已创建工程添加进去。

6. 打开设计工作区。当打开创建的工作区时，它将会显示所有建立的Altium Designer 工程。图22-3显示了Z80微控制器设计的导入结果，Z80微控制器设计文件在Protel 99 SE\Examples文件夹中。

图3-24 导入例程DDB。注意顶部的工作区名字。它和原有的DDB相同

创建Altium Designer工程

当使用向导页面进行工作时，需要注意的是，在Set Import Options 页面将询问用户需要进行以下的何种操作：

? Create one Altium Designer project for each DDB —为每个板卡设计分别建立一个DDB文件。

? Create one Altium Designer project for each DDB folder —一个DDB文件包含多个板卡设计。

用户可以根据自己使用 DDB 的需要选择合适的选项。用户以后还可以在向导中调整Review Project Creation。

正如图3-25所示，在 Review Project Creation 页面，用户将会看到向导如何基于DDB的内容建立工程的方案。需要花费一些时间设置这些选项，以保证DDB的导入能够取得理想的效果。

图3-25 使用Review Project Creation选项精确控制每个文件到Altium Designer工程中的映射

原理图设计文件格式转换

在本软件中，原理图和原理图库、PCB和PCB库的文件格式和99 SE的对应文件的格式是不同的。

用户可以在Altium Designer 中直接使用99 SE 的原理图和原理图库的文件格式，但是在存档的时候，系统将会询问客户是否需要转换它们的格式。

在编辑99 SE PCB 文件前，必须将其转换成Altium Designer 的文件格式。当用户打开一个99 SE 格式的PCB文件时，PCB Import Wizard 就会开始运行，并且提示用户完成下面的操作。

下面的内容是关于在元器件以及设计方法上的重大改变。

印制版图（PCB）设计文件导入向导

导入板形定义

当你第一次用Altium Designer打开早期的电路板时，软件将会自动弹出导入向导（Import Wizard），帮助用户完成板形、内电层分割以及特殊规则的转换。

板形

所有Altium Designer 中的PCB设计都要求设定板形。因为较早版本的Protel 中并没有相关的要求，所以用户从早期版本中导入时，需要添加板形。

Import Wizard给用户提供两个板形选项：包含用户所有设计元件的长方形板形，或是设计探测的精确板形。如果用户选择了后者，系统将会根据板形分析禁止布线和机械层。无论用户选择哪种板形，都可以在预览面板中观察板形。如果这些都不正确，那么选择长方形的选项并且点击 Design ? Board Shape 菜单选项，这样可以在Altium Designer 中配置板形。

板形定义了板卡的物理边界，并且给出了内电层分隔线的轮廓。因为内电层是负片影像，分隔线在板卡边缘和各平面间腐蚀铜区,以防止在板卡生产时边缘短路。这些分隔线不能直接在直接在内电层上编辑，但是随时可以用Altium Designer 重新设置板形。板层堆栈管理器允许用户改变自己在Import Wizard 中设置的初始分隔线距离。

导入内电层分割定义

Altium Designer 改变了分割内电层的方法，以前，每个内电层就像一个封闭的区域（实质上是一个多边形）一样位于内电层区。与之对应的是，在Alitium Designer 中将内电层分割为多个区域的过程其实是一个腐蚀（导电区域）的过程，而这个过程是通过设置线路，圆弧以及填充区实现的。每次用户中止布线过程，软件将分析电层并且探测所有单独的区域。双击一个区域以指定网络连接。这些割断的部分并不单独属于某个单独的区域；分割内电层时Altium Designer 不再要求重叠或者均衡的分割线，并且支持分割区域的嵌套。

有一种例外的情况—Import Wizard 允许用户使用原有的分割内电层模式进行操作。需要提醒用户的是，只有用户在内电层导入遇到困难，或者PCB 包含需要在更早的版本中编辑的内电层时，才能选择这种模式。然后，用户可以把自己的设计转化为 Altium Designer 内电层模型；同时，内电层分割线必须为闭合区域。

当用户将自己的设计转化为新的方法，可以简化自己的分割内电层定义。用户并不一定要这么做，正如原来分割的内电层在Altium Designer 中仍然能够运行，然而这些里面可能会有多余的线路，这会使用户的电路板更加复杂并且增加运算量，而这本身是可以避免的。更新99 SE 分割内电层定义最简单的方法是，添加新的电层，然后沿着已有的区域设计新的内电层。一旦完成了这些工作，选择所有在旧电层上的对象，并且删除它们。在断开电层的网络连接后，能够从板层堆栈管理器中删除层。最后，检查每片区域的网络设置是否正确，通过双击每片区域或者使用 PCB 面板的Split Plane 编辑器完成该工作。

导入PCB设计规则定义

Altium Designer另一个改变是设计规则辖域采用条件检索来定义。除了辖域以外，所有设计规则都可以正确地导入。设计规则辖域是通过一系列对话框标签以及下拉列表选项进行精确定义的，它们以条件检索的形式显示出来，如InNet（GND）。如果需要让规则辖域覆盖整个电路板，则默认的辖域（All）必须保留。

在Altium Designer中打开早期版本的Protel格式PCB文件时，规则辖域转换（包括优先级别的转换，这在多个辖域规则重叠时是必要的）自动完成。这个新的辖域规则系统，能够对多个辖域进行优先级别分配，提供了对PCB设计需求更加强大的控制功能。

特殊规则转换

有些旧版本的protel不允许焊盘设置跨越阻焊规则，这意味着对于旧版本的设计需要添加焊膏或阻焊扩展规则用于绑定单个焊盘。Import Wizard 会检测到用户设计中所有的相关规则，并且将其转化为焊盘设置，以此简化用户设计的设置。在另一方面，Import Wizard 将创建新的规则用于断开过孔与内电层的连接，因为某些早期的Protel版本并不支持过孔与内电层的连接。

转换设计数据到99SE版本格式

原理图与PCB编辑器都支持以V4（99 SE）格式保存原理图、原理图库，PCB及PCB库。不能转换为99 SE 格式的数据包括下列几项：

?新的原理图设计对象，包括节点、编译掩蔽、参数集对像以及跨图纸接口。

?新的PCB设计对象，包括区域，实心敷铜（旧版本的敷铜风格可被转换）板形轮廓、尺寸以及复杂的焊盘堆栈。

?不能映射回99 SE的设计规则。

?内电层分割定义（Altium Designer 根据在内电层上放置的分割线进行分割，它不支持使用多边形铜块定义分割区域）。