基于Protel SDK的傳輸線分析與端接處理系統(tǒng)

摘要：印刷電路板走線傳輸線效應(yīng)是影響印刷電路板走線信號(hào)質(zhì)量的主要因素。本文結(jié)合ProtelSDK，提出一種采用Client/Server結(jié)構(gòu)嵌入于Protel的計(jì)算機(jī)自動(dòng)印刷電路板走線傳輸線分析及端接處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能對(duì)印刷電路板走線傳輸線分析，對(duì)存在問題的走線給出處理策略。
關(guān)鍵字：傳輸線；端接；走線；客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)

1、引言

隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電子產(chǎn)品正向高性能、小型化發(fā)展。電子產(chǎn)品的主要載體是印刷電路板（Printed Circuit Board簡(jiǎn)稱PCB），在電子產(chǎn)品的小型化過程中PCB板面積減少，層數(shù)增多，器件密集，走線復(fù)雜；電子產(chǎn)品追求高性能使產(chǎn)品內(nèi)部時(shí)鐘頻率（如MCU的主頻）增高，信號(hào)邊沿變陡，從而使PCB板走線信號(hào)質(zhì)量下降，造成電子產(chǎn)品的性能下降，甚至功能失效。

造成PCB板走線信號(hào)質(zhì)量（即信號(hào)完整性）下降的主要因素有：反射、串?dāng)_和電源/地噪聲。在高速數(shù)字系統(tǒng)中，反射問題尤其突出。各電子產(chǎn)品廠商都非常重視其產(chǎn)品中PCB走線信號(hào)完整性，各ECAD和EDA軟件廠商也都推出信號(hào)完整性分析軟件或軟件模塊，如：Protel Signal Integrity。這些軟件一般都能對(duì)PCB走線進(jìn)行傳輸線分析，并能仿真信號(hào)反射波形，但是它們一般都不提供合理的端接方式和端接參數(shù)。也有一些專門用于傳輸線特征阻抗計(jì)算的軟件，如：Si6000b，這些軟件一般獨(dú)立于PCB板圖，需要用戶自己輸入PCB走線參數(shù)，使用不方便。本文結(jié)合傳輸線理論、端接技術(shù)并采用Protel SDK提出一種嵌入于Protel的傳輸線分析和端接處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能對(duì)Protel PCB走線進(jìn)行傳輸線分析，并給出合理的端接方式和端接參數(shù)。

2、Protel SDK

2.1 Protel的Client/Server結(jié)構(gòu)

Protel是國(guó)內(nèi)使用最廣泛的EDA軟件之一，它最大且鮮為人知的特點(diǎn)是采用了Client/Server結(jié)構(gòu)（Protel自3.X版起采用Client/Server結(jié)構(gòu)）。采用Client/Server結(jié)構(gòu)的Protel有兩大部分組成：設(shè)計(jì)資源管理器和插入式服務(wù)器，參見圖1所示。

設(shè)計(jì)資源管理器是運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序，它一方面為用戶提供統(tǒng)一的集成工作環(huán)境，使用戶在電路設(shè)計(jì)的各個(gè)階段無需更換工作環(huán)境，方便用戶操作；同時(shí)為插入式服務(wù)器提供公共數(shù)據(jù)交換和命令傳遞平臺(tái)，保證各插入式服務(wù)器間順暢的命令和數(shù)據(jù)的傳遞。

插入式服務(wù)器不是獨(dú)立的運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序，它是運(yùn)行于設(shè)計(jì)資源管理器的動(dòng)態(tài)連接庫(kù)（.DLL文件）。Protel向用戶提供的完成電路設(shè)計(jì)的各項(xiàng)功能由各個(gè)插入式服務(wù)器完成。如：Schematic Server：原理圖編輯服務(wù)器；PCB server：印刷電路板設(shè)計(jì)服務(wù)器。用戶運(yùn)行Protel時(shí)，首先啟動(dòng)的是設(shè)計(jì)資源管理器，再由設(shè)計(jì)資源管理器根據(jù)用戶要打開的文件啟動(dòng)相應(yīng)的插入式服務(wù)器，如：用戶要打開原理圖文件（.SCH文件），設(shè)計(jì)資源管理器就啟動(dòng)原理圖編輯服務(wù)器（Schematic Server），屏幕上顯示原理圖編輯服務(wù)器的菜單，用戶通過操作原理圖編輯服務(wù)器完成原理圖編輯工作。

在Protel自身提供的插入式服務(wù)器中，許多插入式服務(wù)器功能非常強(qiáng)大，如：原理圖編輯服務(wù)器，能完成原理圖編輯的各種操作。為方便功能模塊的劃分，Protel將插入式服務(wù)器按照功能分成一個(gè)個(gè)處理（Process），每一個(gè)處理完成特定的功能，如：Sch：ZoomRedraw是指Sch（原理圖編輯）服務(wù)器中的ZoomRedraw（屏幕刷新）處理。

2.2 Protel SDK

設(shè)計(jì)資源管理器為第三方EDA軟件（插入式服務(wù)器）提供公共數(shù)據(jù)、命令平臺(tái)，同時(shí)為方便第三方廠商開發(fā)基于Protel的EDA軟件，即第三方EDA軟件， Protel向用戶提供SDK軟件包。SDK軟件包包括：服務(wù)器生成向?qū)Ш蚉rotel API及相關(guān)文檔資料。

服務(wù)器生成向?qū)且粋€(gè)運(yùn)行于設(shè)計(jì)資源管理器的插入式服務(wù)器，它為用戶生成第三方EDA軟件模板的原代碼和安裝文件（.INS文件），安裝文件用于將用戶開發(fā)的第三方EDA軟件安裝在設(shè)計(jì)資源管理器平臺(tái)上。服務(wù)器生成向?qū)Э梢詾橛脩羯蓛煞N格式的原代碼：Delphi和C++ Builder。

為方便用戶開發(fā)第三方EDA軟件，Protel向用戶提供了大量的API，如：Schematic API、PCB API和Client API等，為方便用戶使用這些API，Protel向用戶提供有關(guān)API文檔及RTL（Run Time Library：運(yùn)行庫(kù)）。

3、PCB走線傳輸線分析、端接處理系統(tǒng)

根據(jù)傳輸線理論以及Protel結(jié)構(gòu)，將PCB走線傳輸線分析、端接處理系統(tǒng)劃分為三個(gè)模塊：走線獲取模塊、傳輸線分析模塊和端接處理模塊。走線獲取模塊的功能是獲取用戶選擇的走線，以對(duì)此走線進(jìn)行傳輸線分析和端接處理。傳輸線分析模塊的功能是判別PCB走線是否需要當(dāng)作傳輸線看待。端接模塊的功能是對(duì)以傳輸線看待的走線給出合理的端接方式和端接參數(shù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

PCB走線傳輸線分析、端接處理系統(tǒng)的流程如圖3所示。

3.1、走線獲取

走線獲取模塊的主要功能是根據(jù)用戶在PCB編輯器（即PCB服務(wù)器）選擇的走線獲取走線網(wǎng)絡(luò)名，以便后續(xù)模塊（傳輸線分析模塊和端接處理模塊）根據(jù)此網(wǎng)絡(luò)名確定該走線網(wǎng)絡(luò)的所有走線。

Protel PCB編輯器為每一個(gè)打開的PCB文件建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)DDPCB文檔數(shù)據(jù)庫(kù)，用于儲(chǔ)存PCB版圖中的PCB對(duì)象，如：元器件、走線、焊盤等，以及每一個(gè)對(duì)象的屬性。PCB API采用Protel累接器（Iterator）訪問PCB文檔數(shù)據(jù)庫(kù)，利用累接器可以查詢、修改、添加和刪除PCB文檔數(shù)據(jù)庫(kù)中的PCB對(duì)象及其相應(yīng)屬性，即查詢、修改、添加和刪除PCB版圖中的PCB對(duì)象及其相應(yīng)屬性。相關(guān)代碼如下：

BoardHandle := PcbApi_GetCurrentBoardHandle; // 獲取PCB板句柄

IteratorHandle := PcbApi_CreateIterator(BoardHandle,eNetObject,eProcessAll,

eIgnoreLayer); // 生成走線網(wǎng)絡(luò)累接器

QueryNetHandle := PcbApi_GetFirstObject(IteratorHandle); //獲取第一個(gè)走線網(wǎng)絡(luò)句柄

PCB API提供TPcbNet類,供用戶訪問PCB板圖中的走線網(wǎng)絡(luò)信息,API函數(shù)PcbApi_QueryNet供用戶獲取/設(shè)置走線網(wǎng)絡(luò)屬性，獲取走線網(wǎng)絡(luò)名的相關(guān)代碼如下：

PcbApi_QueryNet(eGetState,QueryNetHandle,QueryNetIndex, QueryNetName,QueryNetVisible,QueryNetColor);

If QueryNetVisible = True then

SearchNetName := QueryNetName; // SearchNetName即用戶選擇走線網(wǎng)絡(luò)名

3.2 傳輸線分析

傳輸線分析模塊的主要功能是判別用戶選中的走線是否看成傳輸線，即是否滿足式（1），

（1）

L ：走線網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)度

：帶負(fù)載信號(hào)傳播速度

：驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)上升時(shí)間

：驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)下降時(shí)間

根據(jù)傳輸線理論，對(duì)于微帶結(jié)構(gòu)走線（PCB貼附在介質(zhì)材料平面直接暴露在空氣中的走線，如：?jiǎn)蚊姘搴碗p面板的走線以及多層板的頂層和底層的走線）可得（參見參考文獻(xiàn)[3]P119～P150）：

ε_γ：介電常數(shù)

C_d：負(fù)載電容，即考慮接收器輸入電容

H ：走線高度，即走線與地電平面之間的距離，一般可認(rèn)為板基厚度

W ：走線寬度

T ：走線厚度，即走線銅箔厚度

判斷是否滿足式（1）需要獲取大量參數(shù)，如： 、 、 、 等，其中部分參數(shù)可以從PCB板圖中獲取，部分參數(shù)需要用戶輸入，系統(tǒng)設(shè)計(jì)用戶界面如圖4所示，用戶可直接輸入相關(guān)參數(shù)，用戶也可選擇相關(guān)工藝，系統(tǒng)內(nèi)建有數(shù)據(jù)庫(kù)將工藝轉(zhuǎn)換成相關(guān)參數(shù)。

走線長(zhǎng)度和走線寬度可以從PCB板圖中獲取，走線寬度的獲取方式基本與走線網(wǎng)絡(luò)名獲取方式相似。走線長(zhǎng)度L是走線網(wǎng)絡(luò)中各走線長(zhǎng)度的疊加，PCB_API提供TPcbTrack類供用戶訪問PCB板圖中走線信息，由于TPcbTrack類不提供走線長(zhǎng)度屬性，只能由走線的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)通過勾股定理求得。計(jì)算走線長(zhǎng)度的相關(guān)如下：

BoardHandle := PcbApi_GetCurrentBoardHandle;

IteratorHandle := PcbApi_CreateIterator(BoardHandle, eTrackObject,eProcessAll,eIgnoreLayer);

TrackHandle := PcbApi_GetFirstObject(IteratorHandle);

While (TrackHandle > 0) do

Begin

……

If (Net.Name = SearchNetName) Then // SearchNetName：為指定走線網(wǎng)絡(luò)名

RealL := RealL + sqrt(sqr(Track.x2 - Track.x1) + sqr(Track.y2 - track.y1));

Net.Free; // RealL：為走線網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)度

Track.Free;

TrackHandle := PcbApi_GetNextObject(IteratorHandle);

End;

3.3 端接處理

傳輸線上傳輸?shù)男盘?hào)在阻抗不連續(xù)點(diǎn)會(huì)發(fā)生信號(hào)反射，進(jìn)而產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象。PCB走線只要寬度不變，其特征阻抗固定不變，阻抗連續(xù)。而驅(qū)動(dòng)器輸出阻抗較小，往往小于PCB走線特征阻抗；接收器輸入阻抗較大，往往大于PCB走線特征阻抗。信號(hào)會(huì)在驅(qū)動(dòng)器與PCB走線連接處和PCB走線與接收器連接處來回反射，形成振鈴，影響電路正常工作。反射問題的主要解決辦法是在驅(qū)動(dòng)器與PCB走線連接處或PCB走線與接收器連接處端接匹配阻抗，使整個(gè)回路阻抗連續(xù)，避免信號(hào)反射，防止振鈴現(xiàn)象出現(xiàn)。端接方式有很多，如：串聯(lián)端接、并聯(lián)端接、戴維寧端接等，PCB走線端接方式的選擇與PCB走線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、PCB走線特征阻抗、驅(qū)動(dòng)器、接收器以及負(fù)載類型等參數(shù)有關(guān)（各種端接方式的選擇及端接參數(shù)的計(jì)算參見參考文獻(xiàn)[3]P159～P183和參考文獻(xiàn)[4]P178～P190）。端接處理的流程如圖5所示。

4、結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)最終生成.DLL文件，以第三方服務(wù)器形式安裝于Protel，使Protel具有傳輸線分析和端接處理功能，能自動(dòng)對(duì)印刷電路板走線進(jìn)行傳輸線分析，對(duì)存在問題的印刷電路板走線給出合理的端接策略。即使沒有豐富傳輸線分析和處理經(jīng)驗(yàn)的普通電子線路工程師運(yùn)用該功能也能設(shè)計(jì)出走線信號(hào)質(zhì)量良好的印刷電路板，從而提高電子線路以及電子產(chǎn)品的功能和性能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 呂昂. 基于Protel的自動(dòng)降額設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 浙江萬里學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，（5）：82－86.
[2] 呂昂，鄭紅平，王曉勇. 基于Protel SDK的EDA軟件開發(fā)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2004，（5）：238－240.
[3] Mark I. Montrose著. 劉元安，李書芳，高攸綱譯. 電磁兼容性和印刷電路板理論、設(shè)計(jì)和布線[M]. 北京：人民郵電出版社，2002.
[4] Howard Johnson，Martin Graham著. 沈立，朱來文，陳宏偉等譯. 高速數(shù)字設(shè)計(jì)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2004.
[5] 呂昂，王曉勇. 基于Protel的信號(hào)完整性分析[J]. 浙江萬里學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，（4）：111－114.