基于EDA技術(shù)的設(shè)計方法正在成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計的主流

EDA技術(shù)是利用計算機工作平臺，從事電子系統(tǒng)和電路設(shè)計的一項新技術(shù)，旨在協(xié)助電子設(shè)計工程師開發(fā)新的電子系統(tǒng)與電路、IC以及PCB產(chǎn)品，它的發(fā)展與應(yīng)用引發(fā)了一場工業(yè)設(shè)計和制造領(lǐng)域的革命，給企業(yè)帶來了巨大經(jīng)濟效益。早期的EDA有CDA，Protel等，主要是進行一些原理圖、PCB圖、IC版圖等的繪制，包含一些較簡單的仿真，將設(shè)計人員從繁瑣計算、繪圖和檢驗中解脫出來，而目前的EDA則步入了一個嶄新的時期，這個時期微電子技術(shù)以驚人的速度發(fā)展，一個芯片上可以集成百萬甚至千萬個晶體管，電子系統(tǒng)朝著多功能、高速度、智能化、小型化的趨勢發(fā)展，它們對集成電路和專用集成電路的容量、速度、頻率等都提出了更高的要求，這種高難度的集成電路要在短時間內(nèi)正確設(shè)計成功，就必須將EDA提高到一個更高的水平。

該系統(tǒng)就是利用EDA開發(fā)工具Multisim9和Ultiboard軟件，選取了一種簡易的電池驅(qū)動玩具——電動機器貓，進行設(shè)計、仿真和制作，將普通的電動玩具改裝升級成能進行一定智能控制的玩具。

1 EDA介紹

EDA技術(shù)是利用計算機工作平臺，從事電子系統(tǒng)和電路設(shè)計的一項新技術(shù)。它是由電子CAD發(fā)展起來的，是計算機信息技術(shù)，微電子技術(shù)，計算機圖形學(xué)，電路理論，信號分析與信號處理等理論和技術(shù)的結(jié)晶。EDA與傳統(tǒng)設(shè)計相比，其優(yōu)點可歸納為：

（1）設(shè)計效率高，設(shè)計周期短。

（2）提高了設(shè)計質(zhì)量。

（3）降低設(shè)計成本。

（4）充分發(fā)揮設(shè)計人員的創(chuàng)造性。

目前市場上有很多的EDA軟件，包括ORCAD/PSPICE、P-CAD、PADS、EWB等。在實際電路設(shè)計中用得最多的是Electronics Workbench（EWB）系列EDA軟件，包括Multisim電路仿真軟件和Ultiboard印制板設(shè)計軟件。Multisim9是一個完整的設(shè)計工具系統(tǒng)，提供了一個非常大的零件數(shù)據(jù)庫，并提供原埋圖輸入接口、全部的數(shù)模Spice仿真功能、VHDL/Verilog設(shè)計接口與仿真功能、FPGA/CPLD綜合、RF設(shè)計能力和后處理功能。尤其是多種可放置到設(shè)計電路中的虛擬儀表，應(yīng)用該軟件用戶就如同擁有了一個元器件種類齊全、儀器先進的電子實驗室，可以進行仿真實驗與產(chǎn)品設(shè)計。從而使電路仿真分析操作更符合電子工程技術(shù)人員的試驗工作習(xí)慣。

2 智能機器貓電路設(shè)計

簡易電動貓玩具是當裝入電池并接通開關(guān)后，由電池帶動電動機，機器貓行走；點亮置于眼部的燈，雙眼閃爍；觸發(fā)音樂芯片，發(fā)出貓叫聲。我們將該玩具的驅(qū)動部分進行改裝，由簡單的手動開關(guān)控制運動改為可以實現(xiàn)聲控、光控和磁控。為了實現(xiàn)這一點首先要加入合適的傳感器以獲取外界信號，其次設(shè)計適當?shù)碾娐穼Λ@取的信號進行處理，使它具有控制活動部分的能力，最后就是系統(tǒng)實驗和調(diào)試。

利用Multisim9先對電路進行改裝設(shè)計。聲控、光控和磁控三種控制信號，分別采用駐極式麥克風(fēng)、光敏三極管、干簧管來獲取外界環(huán)境中的聲、光、磁信號。駐極式麥克風(fēng)是由一片很輕的振動膜及駐極電荷的背極板所組成，隨著音波的流入使金屬振動板振動時，振動板與電極板會隨音波的振動產(chǎn)生距離上的變化，即靜電容量的變化。這樣，駐極式麥克風(fēng)就將外界的聲音信號轉(zhuǎn)化為了電信號。光敏三極管由兩個PN結(jié)組成，它的發(fā)射極具有光敏特性，集電極則與普通晶體管一樣，可以獲得電流的增益。當遇到光照時，集電極與發(fā)射極兩極導(dǎo)通，實現(xiàn)了光信號轉(zhuǎn)化為電信號。為避免外界自然光線對其的影響，選取了紅外線接收管。干簧管是利用磁場信號來控制的一種線路開關(guān)器件，它由一對磁性材料制造的彈性舌簧組成，密封于玻璃管中，舌簧端面互疊留有一條間隙，觸點鍍有一層貴金屬，玻璃管中還灌有一種叫金屬銠的惰性氣體。當有磁場靠近時，兩個舌簧磁化，若生成的磁場吸引力克服了舌簧的彈性產(chǎn)生的阻力，舌簧被吸引力作用接觸導(dǎo)通，即電路閉合。一旦磁場力消除，舌簧因彈力作用又重新分開，即電路斷開，實現(xiàn)了將磁信號轉(zhuǎn)化為電信號。整個電路的核心器件是555定時器，用555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，在三種不同的控制方法下，均給以低電平觸發(fā)，促使電機轉(zhuǎn)動，從而達到了機器貓停走的目的。

3 電路仿真

利用Multisim9仿真軟件輸入以上電路原理圖，并用仿真軟件中的虛擬儀器一示波器仿真功能判斷電路的正確性。仿真過程中分別用開關(guān)K1、K2、光耦合器模擬仿真聲控、磁控和光控；燈泡代替電動機。每當按下其中一個開關(guān)時，燈泡即發(fā)光，一段時間后自動熄滅，相當于機器貓的“走一?！边^程。可通過調(diào)整C5、R6各自數(shù)值的大小改變電動機工作時間的長短。

由于Multisim9元件庫里沒有9014及8050型號的三極管，故用性能參數(shù)相近的2SC945和2N2222A代替做仿真。

采用虛擬的數(shù)字存儲示波器觀察555芯片的6腳和3腳的波形。驗證了單穩(wěn)態(tài)的工作原理即：電源接通，若觸發(fā)輸入端施加觸發(fā)信號2腳電壓≤1/3Vcc，觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，電路進入暫穩(wěn)態(tài)，3腳輸出為高電平，且圖2中T1截止。此后電源通過電阻R6向電容G5充電，當Vcs上升到2/3Vcc時，觸發(fā)器復(fù)位，3腳輸出為低電平，T1導(dǎo)通，電容C放電，電路恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)。

4 印制板設(shè)計

印制板設(shè)計軟件采用Ultiboard軟件。利用Multisim9完成電路原理圖的設(shè)計、繪制和仿真后利用傳輸功能將數(shù)據(jù)傳到Ultiboard會自動建立—個項目。然后根據(jù)需要設(shè)定設(shè)計規(guī)則，本電路中主要考慮使用Tools菜單的PCB Properties選Board Settings頁，Layer選擇成對板層對數(shù)量為1，Single Layer分別選擇上面和底面單個板層數(shù)量為0，Inner顯示內(nèi)電層數(shù)量為0；Allow均選中允許兩個基本布線層，即可布雙面板。設(shè)置單位制和格點，使用Tools菜單的PCB Properties選Grid＆units頁。在Units區(qū)域的Design設(shè)置圖紙的單位為英制單位mil。在Grids區(qū)域，Visible grid設(shè)置可視格點距離為25mil；Component grid設(shè)置元件擺放格點距離為50mil，Grid設(shè)置光標格點距離，即光標移動一步距離為25mil。

參照原理圖移動元件形成布局圖，使用Autoroute/place菜單的Internal Rip-up and Retry命令進入內(nèi)置拆線一重試自動布線器窗口，直接選命令開始布線，程序會自動打開布線策略選擇窗口，按OK鈕開始自動布線，可以觀察到雙面自動布線效果。

這樣制作出的印制板再進行元器件組裝，改裝以后的智能機器貓具有機、電、聲、光、磁結(jié)合的特點，是聲控、光控、磁控機電一體化電動玩具，即：拍手即走、光照即走、磁鐵靠近即走，但只是持續(xù)一段時間后就會停下，再滿足其中一個條件時將繼續(xù)行走，成為能進行一定智能控制的電動玩具。

5 結(jié)語

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是大規(guī)?？?a target="_blank">編程器件的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法，基于EDA技術(shù)的設(shè)計方法正在成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計的主流。EDA技術(shù)是電子信息技術(shù)發(fā)展的杰出成果，利用計算機進行設(shè)計、分析、仿真、制造等工作，最大限度地降低成本、節(jié)省時間以及提高可靠性。升級后的智能機器貓不僅硬件成本低，而且趣味性強、能動性好，給企業(yè)帶來了巨大經(jīng)濟效益。
? ? ? ?責任編輯：tzh