基于EDA技术的设计方法正在成为现代电子系统设计的主流

EDA技术是利用计算机工作平台，从事电子系统和电路设计的一项新技术，旨在协助电子设计工程师开发新的电子系统与电路、IC以及PCB产品，它的发展与应用引发了一场工业设计和制造领域的革命，给企业带来了巨大经济效益。早期的EDA有CDA，Protel等，主要是进行一些原理图、PCB图、IC版图等的绘制，包含一些较简单的仿真，将设计人员从繁琐计算、绘图和检验中解脱出来，而目前的EDA则步入了一个崭新的时期，这个时期微电子技术以惊人的速度发展，一个芯片上可以集成百万甚至千万个晶体管，电子系统朝着多功能、高速度、智能化、小型化的趋势发展，它们对集成电路和专用集成电路的容量、速度、频率等都提出了更高的要求，这种高难度的集成电路要在短时间内正确设计成功，就必须将EDA提高到一个更高的水平。

该系统就是利用EDA开发工具Multisim9和Ultiboard软件，选取了一种简易的电池驱动玩具——电动机器猫，进行设计、仿真和制作，将普通的电动玩具改装升级成能进行一定智能控制的玩具。

1 EDA介绍

EDA技术是利用计算机工作平台，从事电子系统和电路设计的一项新技术。它是由电子CAD发展起来的，是计算机信息技术，微电子技术，计算机图形学，电路理论，信号分析与信号处理等理论和技术的结晶。EDA与传统设计相比，其优点可归纳为：

（1）设计效率高，设计周期短。

（2）提高了设计质量。

（3）降低设计成本。

（4）充分发挥设计人员的创造性。

目前市场上有很多的EDA软件，包括ORCAD/PSPICE、P-CAD、PADS、EWB等。在实际电路设计中用得最多的是Electronics Workbench（EWB）系列EDA软件，包括Multisim电路仿真软件和Ultiboard印制板设计软件。Multisim9是一个完整的设计工具系统，提供了一个非常大的零件数据库，并提供原埋图输入接口、全部的数模Spice仿真功能、VHDL/Verilog设计接口与仿真功能、FPGA/CPLD综合、RF设计能力和后处理功能。尤其是多种可放置到设计电路中的虚拟仪表，应用该软件用户就如同拥有了一个元器件种类齐全、仪器先进的电子实验室，可以进行仿真实验与产品设计。从而使电路仿真分析操作更符合电子工程技术人员的试验工作习惯。

2 智能机器猫电路设计

简易电动猫玩具是当装入电池并接通开关后，由电池带动电动机，机器猫行走；点亮置于眼部的灯，双眼闪烁；触发音乐芯片，发出猫叫声。我们将该玩具的驱动部分进行改装，由简单的手动开关控制运动改为可以实现声控、光控和磁控。为了实现这一点首先要加入合适的传感器以获取外界信号，其次设计适当的电路对获取的信号进行处理，使它具有控制活动部分的能力，最后就是系统实验和调试。

利用Multisim9先对电路进行改装设计。声控、光控和磁控三种控制信号，分别采用驻极式麦克风、光敏三极管、干簧管来获取外界环境中的声、光、磁信号。驻极式麦克风是由一片很轻的振动膜及驻极电荷的背极板所组成，随着音波的流入使金属振动板振动时，振动板与电极板会随音波的振动产生距离上的变化，即静电容量的变化。这样，驻极式麦克风就将外界的声音信号转化为了电信号。光敏三极管由两个PN结组成，它的发射极具有光敏特性，集电极则与普通晶体管一样，可以获得电流的增益。当遇到光照时，集电极与发射极两极导通，实现了光信号转化为电信号。为避免外界自然光线对其的影响，选取了红外线接收管。干簧管是利用磁场信号来控制的一种线路开关器件，它由一对磁性材料制造的弹性舌簧组成，密封于玻璃管中，舌簧端面互叠留有一条间隙，触点镀有一层贵金属，玻璃管中还灌有一种叫金属铑的惰性气体。当有磁场靠近时，两个舌簧磁化，若生成的磁场吸引力克服了舌簧的弹性产生的阻力，舌簧被吸引力作用接触导通，即电路闭合。一旦磁场力消除，舌簧因弹力作用又重新分开，即电路断开，实现了将磁信号转化为电信号。整个电路的核心器件是555定时器，用555定时器构成的单稳态触发器，在三种不同的控制方法下，均给以低电平触发，促使电机转动，从而达到了机器猫停走的目的。

3 电路仿真

利用Multisim9仿真软件输入以上电路原理图，并用仿真软件中的虚拟仪器一示波器仿真功能判断电路的正确性。仿真过程中分别用开关K1、K2、光耦合器模拟仿真声控、磁控和光控；灯泡代替电动机。每当按下其中一个开关时，灯泡即发光，一段时间后自动熄灭，相当于机器猫的“走一停”过程。可通过调整C5、R6各自数值的大小改变电动机工作时间的长短。

由于Multisim9元件库里没有9014及8050型号的三极管，故用性能参数相近的2SC945和2N2222A代替做仿真。

采用虚拟的数字存储示波器观察555芯片的6脚和3脚的波形。验证了单稳态的工作原理即：电源接通，若触发输入端施加触发信号2脚电压≤1/3Vcc，触发器发生翻转，电路进入暂稳态，3脚输出为高电平，且图2中T1截止。此后电源通过电阻R6向电容G5充电，当Vcs上升到2/3Vcc时，触发器复位，3脚输出为低电平，T1导通，电容C放电，电路恢复至稳定状态。

4 印制板设计

印制板设计软件采用Ultiboard软件。利用Multisim9完成电路原理图的设计、绘制和仿真后利用传输功能将数据传到Ultiboard会自动建立—个项目。然后根据需要设定设计规则，本电路中主要考虑使用Tools菜单的PCB Properties选Board Settings页，Layer选择成对板层对数量为1，Single Layer分别选择上面和底面单个板层数量为0，Inner显示内电层数量为0；Allow均选中允许两个基本布线层，即可布双面板。设置单位制和格点，使用Tools菜单的PCB Properties选Grid＆units页。在Units区域的Design设置图纸的单位为英制单位mil。在Grids区域，Visible grid设置可视格点距离为25mil；Component grid设置元件摆放格点距离为50mil，Grid设置光标格点距离，即光标移动一步距离为25mil。

参照原理图移动元件形成布局图，使用Autoroute/place菜单的Internal Rip-up and Retry命令进入内置拆线一重试自动布线器窗口，直接选命令开始布线，程序会自动打开布线策略选择窗口，按OK钮开始自动布线，可以观察到双面自动布线效果。

这样制作出的印制板再进行元器件组装，改装以后的智能机器猫具有机、电、声、光、磁结合的特点，是声控、光控、磁控机电一体化电动玩具，即：拍手即走、光照即走、磁铁靠近即走，但只是持续一段时间后就会停下，再满足其中一个条件时将继续行走，成为能进行一定智能控制的电动玩具。

5 结语

随着电子技术的不断发展，特别是大规模可编程器件的出现改变了传统的数字系统设计方法，基于EDA技术的设计方法正在成为现代电子系统设计的主流。EDA技术是电子信息技术发展的杰出成果，利用计算机进行设计、分析、仿真、制造等工作，最大限度地降低成本、节省时间以及提高可靠性。升级后的智能机器猫不仅硬件成本低，而且趣味性强、能动性好，给企业带来了巨大经济效益。
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