测温手环软硬件设计方案-PCB篇

画好原理图之后,通过pcb线路板设计软件设计pcb。

我采用了Protel DXP 2004这一款软件进行pcb的设计,这是一款大概在2007年从网络上下载的免安装的绿色软件,十几年来无怨无悔默默支持我的研发事业。

设计pcb的第一步,确认pcb的外形尺寸

此时需要用到另一个工具autocad。

还是在上大学时选修了autocad和pcb课程,毕业之后,虽然主要从事软件开发工作,偶尔有一些好的创意,也会在业余时间自己动手,施展掌握的各种技能将其转换为产品。

我在阿里巴巴网站上找到了卖手环外壳的厂家,并且很幸运得从厂家那里得到了stp格式的结构数据。

可惜的是,stp格式的文件需要通过solidwork, UG等三维绘图的软件打开,我找遍了网络都没找到免费的三维绘图软件。

所幸家里还有一个公司不久前发的小米手环,做研发总得要有投入,咬咬牙我就肢解了小米手环,取出了其中的pcb板。

然后,用游标卡尺仔细地量了PCB外形,定位孔尺寸以及位置。

根据所量得的尺寸,用autocad 2007绘制了手环的简易图纸,如下图:


测温手环软硬件设计方案-PCB篇

外形尺寸图纸

之后,将该cad文档保存为autocad 2000的文件格式。

用DXP软件导入该文档,将线条导入到keepout层,最终得到了pcb的尺寸以及定位孔。


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PCB keepout层

设计pcb的第二步,指定原理图中各元器件的封装

在我的电脑里面,有一份从2010年开始收集并不断完善的原理图库和PCB封装库。大部分标准的原理图以及pcb封装都可以在这个库里找到。

所以在原理图和pcb设计时,大部分的器件及其封装都可以在该库文件中找到。

从库中拖出器件并打开属性指定其pcb封装,简单的几次操作就完了大部分工作。

对于库中没有的原理图或者封装,则从器件的官网中下载其规格书,再根据规格书中的管脚定义以及尺寸数据在DXP软件中绘制原理图以及封装。

由于手环的尺寸非常小,大概只有3cm*1cm的尺寸,因此使用最多的电阻、电容采用了0402的封装。


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蓝牙SOC芯片的原理图封装


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32MHz无源晶振的PCB封装

设计pcb的第三步,更新到pcb,并放置器件

指定了原理图中器件的pcb封装之后,在该pcb项目中创建pcbdoc文档。

在原理图中点击“update PCB document",可以将所有器件更新到PCB文档中。

之后根据各器件实现的功能,将pcb分为各个功能区,将器件拖放到这些功能区中。

将PCB划分为电源区,MCU区,天线区,显示区以及触摸按键区。

由于从MCU中出来的走线,以及周围放置的去耦电容最多,因此将MCU区布置于pcb板中正中央。

天线区和触摸按键区需要在四周有不放置任何器件和走线的净空区,以便2.4GHz的无线信息有效地向空中辐射,以及触摸按键能可靠得检测人的手指触摸时的电容变化。

因此,将天线和触摸按键区布置在右侧的边缘。

而电源区以及显示区布置在左侧边缘。

有了这样的合理安排,逐一将器件拖入这些区域,挨个排版。

设计pcb的第四步,layout

根据pcb板厂提供的规格要求,在规则中设置clearance为0.2mm,导线宽度为0.254mm,过孔孔径为0.3mm,过孔大小为0.6mm。

在走线过程中,先保证除电源和地之外的信号走线,再通过敷铜将电源和地连通。

layout是一个非常繁琐的过程,需要不断调整路径甚至器件位置,最终实现所有不同的网络节点都能联通。

之后,再将GND敷铜,通过design rules check的功能检查所有不同的网络节点是否连通以及是否有违背设定的规则。

大功告成,可以将pcb文档发送给板厂进行制板。


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通过DRC功能检测,没有错误


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测温手环PCB


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PCB成品


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