多图纸和多通道设计

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Altium Essentials: Navigating Schematics

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概览

本文将介绍为什么将原理图组织为多个图纸,能够让设计更易于构建、阅读、共享和打印,即使电路并不十分复杂也是如此。文章首先介绍多图纸设计中的两个关键决策:图纸之间的结构关系,以及如何处理电气连接;随后重点探讨结构方面,对比 Altium Designer 中的平坦式与层次式设计方法。您还将了解这两种方法各自适用的场景、需要权衡的因素,以及图纸符号在多图纸组织中的作用。本指南将帮助您在开始设计前选择合适的结构。继续阅读,为您的下一份原理图打下更清晰的基础。

- 了解平坦式与层次式多图纸设计之间的区别,以及各自更适合哪些场景。
- 了解多图纸组织方式为何能够提高可读性、促进团队协作、增强模块化,并方便打印。
- 了解如何在 Altium Designer 中使用图纸符号表示子图纸,并构建原理图结构。
使用 AI 深入了解:

最初在纸上绘制原理图时,通常会使用一张足以铺满大型绘图桌的大幅面图纸,再通过专用的大幅面复印机进行复制。如今时代已变,原理图在台式 PC 上绘制,存储在服务器上,并使用小幅面激光打印机打印。

这一变化意味着,即使是简单的设计,采用多张原理图图纸也能更便于展示和理解。即便设计并不特别复杂,将其组织在多张图纸上仍有诸多优势。

例如,设计中可能包含各种模块化单元。将这些模块作为独立文档维护,可以让多位设计人员同时开展项目工作。将设计划分为逻辑模块也能显著提高设计的可读性,这对于在产品生命周期后期需要阅读和理解原理图的人员而言尤为重要。另一个优势是,将设计分布在多张图纸上、减少每张图纸上的元件数量后,就可以使用激光打印机等小幅面打印设备进行打印。

如果您计划将设计分布在多张图纸上,需要做出两项决定:

  • 图纸之间的结构关系,以及

  • 这些图纸上各电路之间所采用的电气连接方式。

您的选择将取决于各个项目的规模和类型,以及个人偏好。

本文重点介绍图纸之间的结构关系、其工作原理,以及用于创建多图纸设计的工具和技巧。要进一步了解如何建立连接,请参阅创建连接一文。

扁平化设计与层次化设计

如前所述,作为设计人员,您需要决定如何组织原理图图纸,以及如何建立这些图纸之间的连接。不过,这并不是两个相互独立的决定:在选择结构的同时,您还需要选择这些图纸之间的连接建立方式。

组织多图纸设计的结构有两种方式:flat或hierarchical。

这两种方式都可行; 各有其优缺点。扁平化设计创建起来更快, 但其他人更难以追踪信号和理解其功能,尤其是在阅读打印件时。层次化设计 由于建立连接所需的步骤更多,绘制起来会更耗时, 但其优势在于,其他人更容易理解设计的功能, 也更容易跨图纸追踪信号。层次化设计对于设计复用也很重要, 同时还是多通道设计的重要组成部分。

无论是扁平化设计还是层次化设计,将子图纸连接到父图纸所采用的技术都是相同的——决定设计属于扁平化还是层次化的,是连接的建立方式。

扁平化设计

您可以将扁平化设计理解为把一张大型原理图切分成若干张较小的图纸——在扁平化设计中,所有图纸都处于同一层级。扁平化设计中的连接直接建立在任意两张图纸之间,这种连接称为水平连接。

在扁平化设计中,顶层图纸是可选的。如果包含顶层图纸,其中应为设计中的每张图纸放置一个图纸符号,但不能包含任何连线。扁平化设计可以包含任意数量的图纸。

第一张图:不含顶层图纸的扁平化设计;第二张图:包含顶层图纸的同一设计。请注意,顶层图纸没有连线,仅用于展示设计中的图纸。 
第一张图:不含顶层图纸的扁平化设计;第二张图:包含顶层图纸的同一设计。请注意,顶层图纸没有连线,仅用于展示设计中的图纸。

上面的两张图都展示了扁平化设计,左侧的版本没有顶层图纸,右侧的版本则有。对于仅包含两三张原理图图纸的小型设计,您可能认为顶层图纸没有额外价值。当图纸数量增多时,顶层图纸可以通过逻辑模块(图纸符号)在图纸上的排列方式,帮助读者理解电路设计的功能。由于不存在层次结构,设计中的所有图纸在Projects 面板中都显示在同一层级。

层次设计

请务必记住,对于层次设计,一个工程只能包含一张顶层图纸。所有其他源文档都必须由图纸符号引用。执行设计验证时,可以使用 多个顶层文档违规检查来标记不符合此要求的情况。此外,任何图纸符号都不能引用其所在的图纸或层次结构中更高层级的任何图纸,否则会在结构中形成无法解析的循环。

层次设计是指体现设计中树状结构(即图纸之间关系)的设计。 这是通过图纸符号实现的,图纸符号代表设计层次结构中的下层图纸。符号代表其下层图纸,符号中的图纸入口则代表(或连接到)下层图纸上的端口。 连接通过这些图纸符号中的图纸入口建立,而不是直接从一张图纸上的端口连接到另一张图纸上的端口。

与平面设计一样,子图纸通过图纸符号中定义的文件名来标识。在层次设计中,该子图纸还可以包含引用更低层级图纸的图纸符号,从而在层次结构中创建另一个层级。下图展示了一个具有 3 个层级的层次设计。

在层次设计中,树状结构中显示的结构由图纸符号建立的父子关系决定。
在层次设计中,树状结构中显示的结构由图纸符号建立的父子关系决定。

在层次化设计中,子图纸上的信号通过端口引出,并向上连接到父图纸上匹配的图纸入口。父图纸上的连线将该子图纸信号连接到另一个图纸符号中的图纸入口,然后信号向下传递到第二张子图纸上匹配的端口,如下图所示。

The connectivity is from a Port on the child sheet up to a matching Sheet Entry in the Sheet Symbol on the parent sheet

这种父子图纸结构可以定义任意深度,层次化设计中也可以包含任意数量的图纸。

图纸之间的连接关系由 Net Identifier Scope 决定。此项在 Options for Project 对话框的 Options 选项卡中设置。要了解有关创建连接的更多信息,请阅读 创建连接页面。请注意,网络标识符作用范围包含“自动”选项,除非您有特殊的连接要求,否则此选项是一个不错的选择。

层次化设计的优点在于,它向读者清晰展示了设计结构 ,并且连接关系完全可预测且易于追踪 ,因为连接始终从子图纸向上连接到父图纸上的图纸符号。

层次化设计的另一个优点是,它为实现完善的设计复用系统提供了平台。根据数据的存储方式,该系统分为两种:基于文件的系统和基于服务器的系统。

  • 基于文件的系统称为器件图纸,您可以将器件图纸库中已有的原理图直接放置到正在创建的设计中。要了解有关器件图纸的更多信息,请参阅 使用器件图纸页面。

  • 基于工作区的系统称为受管原理图图纸,您可以将已连接的工作区中已有的原理图直接放置到正在创建的设计中。要了解有关受管图纸的更多信息,请参阅 使用受管原理图图纸页面。

添加交叉引用

为项目添加交叉引用后,您可以轻松追踪项目中各原理图图纸之间的网络连接关系。原理图编辑器支持自动创建和更新交叉引用。

在 “项目选项”对话框的“选项”选项卡中,启用 General 区域中的 Automatic Cross References 选项,并配置 Cross References 区域中的选项。您可以为当前项目设置特定的交叉引用样式,也可以启用 Follow Cross References settings in Preferences 选项,以继承 Preferences 对话框的 原理图 – 常规页面中 Port Cross References 区域的选项。您还可以在此选择要显示交叉引用的对象(端口、图纸外连接器、图纸入口)。

从主菜单中选择 Reports » Automatic Cross References Settings 命令,或在设计空间中右键单击并从上下文菜单中选择 Sheet Actions » Automatic Cross References Settings 命令,即可快速访问 Project Options 对话框的 Options 选项卡。

在 Project Options 对话框的 Options 选项卡中,为当前项目配置自动交叉引用。
在 Project Options 对话框的 Options 选项卡中,为当前项目配置自动交叉引用。

交叉引用将以配置的样式显示在原理图中所选对象的旁边。交叉引用值也会显示在 Properties 面板中,您可以在该面板中切换所选对象的交叉引用的可见性。

您可以在原理图中查看交叉引用,也可以在 Properties 面板中查看所选对象的交叉引用。此处展示了端口交叉引用的示例。
您可以在原理图中查看交叉引用,也可以在 Properties 面板中查看所选对象的交叉引用。此处展示了端口交叉引用的示例。

原理图 PDF 输出也支持交叉引用。如果某个对象关联了多个相连对象(例如,某个端口连接到父级原理图图纸上的图纸入口,以及其他图纸上的端口),则在 PDF 输出中单击该对象时,会显示相连对象所在图纸的列表。选择列表项即可打开相应页面。如果某个对象仅关联一个相连对象,单击该对象将直接打开相应页面。

在原理图 PDF 输出中,可以通过弹出菜单轻松导航到多个相连对象。
在原理图 PDF 输出中,可以通过弹出菜单轻松导航到多个相连对象。

创建多图纸设计

只要向项目添加第二张原理图图纸,就创建了一个多图纸设计。如果您计划创建不含顶层图纸的扁平化设计,只需继续向项目添加原理图图纸(在 Projects 面板中右键单击项目条目,然后从上下文菜单中选择 Add New to Project » Schematic 命令),然后 确认网络标识符作用域设置正确。

如果您希望使用图纸符号引用下层图纸,可以放置图纸符号并手动编辑,使其正确引用下层图纸,也可以使用各种内置命令来辅助完成,如下所述。

引用子图纸

图纸符号的 Filename 属性用于引用下级图纸。请注意,此字段应仅包含原理图文件名,而不包含该文件所在位置的路径(此位置数据实际上存储在工程文件中)。

Filename 属性将此图纸符号链接到子原理图图纸。
Filename 属性将此图纸符号链接到子原理图图纸。

请注意,子原理图不必与父原理图存储在同一文件夹中。如果文件存储在父原理图所在文件夹的子文件夹中,则使用相对路径引用。如果文件存储在其他位置,则使用绝对路径引用。移动此类工程中的文件时请务必小心,或者使用工程打包器将文件压缩为 ZIP 文件,因为它会在压缩工程时处理文件路径。

浏览多图纸设计

原理图编辑器提供了多种工具,可让您在多图纸设计的文档及其相关对象之间快速导航。

Tools » Up/Down Hierarchy 命令用于从当前文档跳转到设计层次结构中的上一级或下一级。启动该命令后,光标将变为十字形,并提示您选择导航点。单击图纸入口将跳转到子图纸上匹配的端口;单击图纸符号则会显示整个子图纸。要向上浏览层次结构,请单击端口,即可跳转到父图纸上匹配的图纸入口。

如果图纸入口或端口连接到总线,首次单击时会弹出菜单,您可以从中选择整条总线或总线中的单个信号。图纸入口或端口对应的连线将高亮显示。再次单击原来的图纸入口或端口,将分别跳转到下级原理图图纸上对应的端口,或上级图纸上对应的图纸入口。

要打开光标当前所在图纸符号引用的子图纸,请右键单击已放置的图纸符号,然后从上下文菜单中选择 Sheet Symbol Actions » Open SubSheet <SchematicDocumentName> 命令。启动该命令后,将打开该符号引用的原理图文档(如果尚未打开),并将其设为主设计窗口中的活动文档。

为相关对象启用 自动交叉引用 后,您还可以使用对象右键菜单中的 Port Actions、Sheet Entry Actions 和 Off Sheet Actions(适用于平面设计)子菜单中的 Jump To 命令,在端口、图纸入口和图外连接器之间导航。例如,当启用 Automatic Cross References 选项,并在 Options for Project 对话框的 Options 选项卡上为 Ports 选项选择 Sheet Entry & Ports 设置时,您可以右键单击端口,然后从上下文菜单中选择所需的 Port Actions » Jump to Port <PortName> on <SchematicDocumentName> 或 Port Actions » Jump to Sheet Entry <PortName> on <SchematicDocumentName> 命令。指定端口或图纸入口所在的源文档将成为活动文档,光标将定位到该端口或图纸入口上。目标文档中所有同名端口(以及所有相连的连线)都将高亮显示。

使用 Jump to 命令可跳转到设计中任意位置的匹配对象。
使用 Jump to 命令可跳转到设计中任意位置的匹配对象。

  • 在对象之间导航时,相应对象将在设计空间中高亮显示。其显示效果遵循 Preferences 对话框的 系统 - 导航页面中定义的 Highlight Methods(调暗、缩放、选择)设置。
  • 您也可以按住 Ctrl 并双击端口、图纸入口或图纸符号,直接在层次结构中导航。
  • 您还可以使用 导航器面板的 Interactive Navigation 功能在层次结构中导航。

创建层次结构

软件提供了多种命令,可让您快速高效地构建多文档层次结构。使用哪些命令取决于您个人的设计方法,大致可分为自顶向下和自底向上两种。这些命令会处理构建过程中所需的所有元素,例如添加图纸入口、创建新的原理图图纸、放置端口等,因此比手动创建层次结构更高效。

使用以下命令以自顶向下的方式构建层次结构:

  • Create Sheet From Sheet Symbol (位于 Design 主菜单或图纸符号的 Sheet Symbol Actions 右键子菜单中)– 使用此命令可在指定图纸符号的下一级创建新的原理图图纸。与该符号上的图纸入口匹配的端口将位于新文档的左下角。如果尚未在图纸符号中添加所有图纸入口,也不必担心;后续添加更多图纸入口后,可以重新同步图纸入口与端口,如下文所述。

    • 创建的原理图文档将采用图纸符号的文件名作为其文件名。您可以在图纸符号的 File Name  字段中输入文档的预期名称,并包含扩展名(即 <DocumentName>.SchDoc),也可以将名称留空,稍后保存文档时再输入名称。
    • 从图纸符号创建图纸时,如果已存在同名图纸,请务必留意。系统仍会创建一个同名的新图纸。保存时,您可以为新图纸指定其他名称,或根据需要覆盖现有图纸,以解决重名问题。
    • 新建子图纸上所创建端口的电气 I/O 类型,将与源父图纸符号上相应图纸入口的类型一致。

使用以下命令以自底向上的方式构建层次结构:

  • Create Sheet Symbol From Sheet(位于 Design 主菜单或设计空间的 Sheet Actions 右键子菜单中)– 使用此命令可根据指定的原理图图纸创建图纸符号。要使用此命令,请先切换到将放置新图纸符号的图纸,然后启动命令。此时将打开 选择要放置的文档对话框,您可在其中选择新建图纸符号要引用的目标原理图文档。图纸符号将为找到的每个端口包含一个匹配的图纸入口。如果后续添加或删除了端口或图纸入口,可以重新同步它们,如下文所述。

    • 由于图纸符号是在当前图纸上创建并放置的,因此该图纸不会列在 Choose Document to Place 对话框中。这是因为图纸符号不能引用其自身所在的图纸。
    • 新建父图纸符号中所创建的图纸入口,其电气 I/O 类型 将与原始子图纸上端口的电气 I/O 类型相同。

使用此命令可重新组织设计中的电路布局:

  • Edit » Refactor » Move Selected Sub-circuit to Different Sheet - 使用此命令可将选定的元件和连线移动到项目中的另一张图纸。随后将打开 Choose Destination Document 对话框,您可以在其中选择项目中任何现有的原理图。下文将更详细地介绍此命令。

您可能会想,为什么需要专门的命令来将元件从一张图纸移动到另一张图纸?这是因为标准的剪切和复制命令会自动重置每个元件的唯一标识符。UID 用于将原理图元件与 PCB 元件关联起来。如果原理图元件的 UID 已被重置,则每次同步设计时(使用 Design » Update 命令时),系统都会提示您尝试通过位号进行匹配。如有需要,可以在 PCB 编辑器中使用 Project » Component Links 命令重新同步 UID。

► 了解有关设计同步的更多信息

重新组织设计

Main article: 设计重构

设计过程往往是非结构化且逐步发展的。设计人员可能会同时构思设计中的多个部分,并随着思路的演进逐步绘制各个部分。这意味着,最初组织有序、布局整齐的一组原理图可能会逐渐变得拥挤且杂乱。虽然可以通过剪切、复制和粘贴来重新组织原理图设计,但这并不总是最佳方法。

为什么不使用剪切和复制?因为每个元件在放置时都会被分配一个唯一标识符,而每当元件被剪切/复制并粘贴时,此标识符都会自动重置。这样管理 UID 是为了确保设计中使用的每个 UID 都只有一个实例,因为它是将原理图元件与 PCB 元件关联起来的关键字段。如果设计尚未传输到 PCB 编辑器,使用剪切/复制/粘贴的方法没有问题;但如果已经传输,则最好使用重构工具。

将子电路移动到另一张图纸

将一部分电路从一张图纸移动到另一张图纸,最简单的方法是先选中该电路,然后运行 Edit » Refactor » Move Selected Sub-circuit to Different Sheet 命令。随后将打开 Choose Destination Document 对话框。选择目标图纸并单击 OK 后,该图纸将显示出来,子电路将附着在光标上,等待放置。

使用 Move Selected Subcircuit to Different Sheet 命令,可以轻松地将选定的电路部分移动到项目中的另一张图纸。
使用 Move Selected Subcircuit to Different Sheet 命令,可以轻松地将选定的电路部分移动到项目中的另一张图纸。

► 了解有关设计重构的更多信息。

同步端口与图纸入口

如果在重新组织设计的过程中移动了元件和连线,您可能还需要重新同步子图纸及其图纸符号,使每个端口都有一个匹配的图纸入口。这可以通过 Synchronize Sheet Entries and Ports 命令完成,该命令可用于:

  • A specific Sheet Symbol - 右键单击图纸符号以显示快捷菜单,然后选择 Sheet Symbol Actions » Synchronize Sheet Entries and Ports 命令,仅分析光标下的图纸符号。
  • All Sheet Symbols in the design - 选择 Design » Synchronize Sheet Entries and Ports 命令,分析整个设计中的所有图纸符号。根据对话框底部的 Only Show unmatched sheet symbols 选项,对话框将为设计中的每个图纸符号提供一个选项卡。

这两个命令都会打开 Synchronize Ports to Sheet Entries 对话框。对话框右侧列出已匹配的端口/图纸入口,左侧则分两列列出未匹配的端口和图纸入口。 如果图纸符号的所有图纸入口与其引用的子图纸上的相应端口在名称和 I/O 类型上均匹配,则称该图纸符号与子图纸已“同步”。

Synchronize Ports to Sheet Entries 对话框用于确保图纸入口与子图纸上的端口相匹配。请注意其中有两个选项卡,这表示此设计中有两个图纸符号存在图纸入口与端口不匹配的情况。
Synchronize Ports to Sheet Entries 对话框用于确保图纸入口与子图纸上的端口相匹配。请注意其中有两个选项卡,这表示此设计中有两个图纸符号存在图纸入口与端口不匹配的情况。

处理对话框左侧显示的不匹配项时,操作方法是先在第一列中选择图纸入口,再在第二列中选择正确的端口,然后单击对话框中间所需的按钮来更新其中一个对象,使两者同步(并移至对话框右侧的列表中)。

各按钮的功能如下:

  • Button, update the Port to Match the Sheet Entry - 使用图纸入口的属性,并将其应用到所选端口。
  • Button, update the Sheet Entry to Match the Port - 使用端口的属性,并将其应用到所选图纸入口。

如果在左侧列中选择了多个图纸入口,软件会将每个图纸入口与第二列中相邻的端口同步。如果没有相邻的端口(或图纸入口),则会新建一个。

  • 如果此命令添加了新的图纸入口或端口,则需要在命令执行完毕后,将它们放置到原理图图纸上的正确位置。
  • 请注意,在对话框中所做的任何更改都会立即生效,且无法通过该对话框撤销。您需要使用文档的 Undo 功能来撤销更改。
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