从零入门ARM高速电路设计-第二章-原理图设计

教程总述

对于高速电路设计一直比较感兴趣，想自己做一个XX派，但苦于资料太少了。 过去6个月在摸索中完成了全志H6开发板。相信肯定也会有其他小伙伴有类似的想法，因此就有了这样一个《从零入门ARM高速电路设计》教程。

本教程，将给出一个可行的学习路径，分享我自己在做的过程中的一些经验(看别人似乎挺容易的，但自己操作起来怎么那么难，eg. BGA焊接)，以及设计过程中的一些考量。

考虑到高速电路设计本身就是一个复杂的领域，包含原理图设计，PCB设计，焊接和调试，软硬件联调等步骤，涉及了硬件工程师，PCB工程师，嵌入式软件工程师等岗位，很难由一个教程就将知识完全涵盖。对于网络上面讲得比较好的内容，我会给出资源地址，推荐大家去读原文。对于缺乏的内容，我会补充自己的知识和经验。

我作为高速电路设计的初学者，肯定有知识和经验上面的不足，要是有错误或者资料的补充，欢迎在评论区指出和补充。大家可以一起完善这个教程。

项目主页：https://oshwhub.com/logicworld/h6_board

原理图设计

模块级方案设计

此时我们已经选定了一款主控芯片，拿到了原厂的标案原理图和公开出售的开发板的原理图，大致确定了需要哪些哪些接口。本节主要内容是在模块级别上面，确定每一个模块使用什么样子的方案，比如：DDR使用(DDR3，DDR4)等等；

• 主控芯片：此前已经确定了；我选择的是全志H6；
• DDR内存：确定主控芯片之后，DDR内存实际上就会被限定到一定的范围内，比如：H6支持DDR3，DDR3L，LPDDR2，LPDDR3，DDR4；理论上面应该是需要比较一下各种方案的优劣，我这里为了简单直接使用了OrangePi的方案(LPDDR3)，同时也确认了原厂DDR模板里面也是有LPDDR3的布局布线参考。 LPDDR3的芯片型号也直接使用了OrangePi的相近型号，OrangePi是Samsung-K4E6E304ED-EGCG，我选择的是Samsung-K4E6E304EC-EGCG，只是generation差了一代。
  
• eMMC/NandFlash：一般来说eMMC的容量相比NandFlash更大一些，OrangePi也是采用了eMMC，而标案则是兼容了两种。容量上面我也直接选择了和OrangePi一样的容量8GB，型号和OrangePi一样KLM8G1GETF-B041。
• 电源管理：全志的方案原厂会搭配一个PMIC，这个PMIC除了要满足各种电压大小和最大电流的要求以外，还要满足上电时序的要求。这个是比一般的MCU应用是要复杂的，简单点就直接用原厂的方案吧(OrangePi也是用原厂的方案)。
  • 如果有人对于不用PMIC，而用DC-DC/LDO芯片搭出电源模块，特别是怎么控制它的上电时序部分感兴趣的话，可以看看这个视频。
    
• WIFI/BT模块：DDR和eMMC都是标准件，只要符合一定的标准，理论上是可以替换的，但是，WIFI/BT并不完全是一个标准件，并不是随意可以替换的。下图是全志列的H6支持的一些WIFI-BT模组。简单来说我又可以抄OrangePi的方案，它使用的是AW859A，但是当时我在淘宝上面没有找到AW859A模组卖(PS：刚刚我搜了一下，看到现在有得卖了)。无奈只能换一个模组，挑了一个便宜的方案AP6212(TB:10元，JLC:28.66元)，因为缺5G频段，理论最高速度72.2Mbps，基本也够用。
  • 这里选择时我当时漏考虑了一件事，就是Linux驱动是否支持，是否原生就支持，还是要折腾一下。运气好的是OrangePi的系统原生支持了AP6212 WIFI，虽然AP6212蓝牙并没有原生支持。后来我在做软件时，发现orangepi的系统疑似是基于社区开源的全志系统linux-sunxi修改而来，其wifi部分应该是支持原linux-sunxi支持的WIFI部分。蓝牙部分也有，在这里。如果大家想要替换方案的话，可以看看。
  • 下图是全志原厂给出的WIFI/BT模组支持列表：
    
• 接口：这个部分看每个人的需求引出就可以，原厂标案为了展示芯片的功能往往是做的比较全面的，引出的接口比较多。 我做的时候，引出了USB，HDMI，音频接口，SD卡；
• 调试：引出了两个部分USB OTG和调试串口； 前者在DDR测试工具和Android烧写工具时需要用到(OrangePi没有做这个功能，原厂标案做了)。后者主要用于调试UBoot/Linux内核，以及登录系统后作为普通的console。
• GPIO：原厂标案是没有引出GPIO的，这个部分是抄了OrangePi的实现方案。
• 基础元器件选型：
  • 电阻，电容，电感等基本器件：在立创商城直接找相同值的替代品，建议直接找基础库器件，一方面SMT贴片不用换料费，另一方面一般出货量大价格便宜。
  • esd器件，晶振，电源芯片等，有相同型号的找相同型号，否则，找相近型号也可以，注意大致看一下器件手册。
  • 接插件，一般型号的概念比较弱，得自己看看图片，确认一下功能，看看功能差不多就行。
• 基础元器件封装选择：
  • LCEDA中器件是已经绑定了原理图符号和封装的，那么，此处我们得提前来谈一下封装问题。
  • 阻容元件的封装问题：
    • 在高速板中典型的阻容元件封装是0402封装，一般来说他们也都是用SMT焊接的。但是，我们是得要手工焊接的，显然0603封装要比0402更好焊接一些。
    • 另一方面，按照主控芯片旁的去耦电容尽可能靠近主控芯片来讲，0603空间比较大，自然更难以满足靠近主控芯片的要求。目前，从我的H6板子看，可能引发了一些电源完整性上的小问题，在特定场景下会触发重启。具体来说是，在刷完SD卡，第一次进入桌面GUI的那一刻，电流会飙到0.9A，然后，挂掉重启。只要我用OrangePi的板子把这个新刷的SD卡进过一次系统，后面再用我的板子启动，就什么问题都没有了。猜测是第一次进入桌面GUI的那一刻，可能在初始化什么东西，导致计算功耗要求比较高，因此，供电没有跟上。
    • 如果，你对自己的焊接技术有自信的话，建议是用0402的封装，会减少可能的电源完整性问题。
    • 下图是OrangePi 3 LTS的背面的电容/电阻，大部分都是0402封装的，以及我的H6开发板的背面，都是0603封装的，可以感受一下密度：
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  • 接插件的封装问题：特别注意TypeC的器件，焊盘是否在底面还是侧面。在底面的话，对于焊接功力还是有要求的。我的开发板中电源接口用了一个TypeC，焊盘在底面，焊接就挺麻烦的。

原理图设计的精髓-抄？

从上面的模块级方案设计中，大家看到了啥？对，抄抄抄抄。难道这个就是原理图设计的精髓？难道这就可以自称我设计了这个板子？难道这就是硬件设计？我陷入了自我怀疑之中。

直到我在实际抄的过程中，发现OrangePi的原理图和原厂的原理图有80%-90%的相似度，甚至明显可以看到OrangePi的原理图是复制了原厂的Cadence OrCAD原理图源文件改的，甚至有一些OrangePi改了设计，但是对应的内容却没有改对。下面就是我截取全志和OrangePi的原理图，大家可以来玩玩找茬游戏。比如：OrangePi用的是5V输入，但是，图上还是12V。


看完OrangePi，我平复了一下心情，他们专业的都是这么做的，我抄一抄也问题不大吧。

后来在学习Linux驱动编程的时候，听到韦东山在视频里面的吐槽，“天下板子一大抄，都抄原厂的”。在抄的过程中，我也一直在思考硬件工程师的价值是什么？玩连连看吗？如果只是抄的话，完全不懂硬件的人也可以做吗？ 在我真的花了两个星期把板子给“抄”了之后，我有一些自己的答案，以供大家参考：

1. 虽然80%-90%和原厂是一样的，但是，还是剩下10-20%是需要自己做的，不管这部分是抄自其他板子，还是完全自己从芯片手册开始设计，这些都需要硬件知识才能完成设计/缝合工作。比如：和原厂需求不同，需要有新的硬件功能/性能。
2. 高速板里面因为打板和验证成本比较高，他们往往让一个板子兼容好多种器件，比如：兼容eMMC和Nand Flash，兼容多种WIFI/BT模组。典型的兼容方式是0Ω电阻。如果，不懂硬件原理，其实是搞不懂哪些0Ω电阻要焊接，哪些不焊接。 全志和OrangePi的原理图中说得不清不楚的。
3. 如果，不懂硬件原理，只是把线连上，那么，硬件调试根本没有办法做。如果，硬件没有正常工作，也不知道哪里不正常，也不知道怎么去排除故障。

设计中的注意事项

因为大家都已经做过MCU项目了，这里也就不一步一步教大家在LCEDA中怎么一步一步拉线了。分享一些我在做的过程中的一些经验吧：

• 核心工作就是从OrangePi和全志原厂的原理图“抄”出一份我们自己的板子的原理图。 一般我是先抄全志的原理图，抄的过程中理解硬件原理(可能会涉及去看一下数据手册)，然后，抄完之后对比一下OrangePi的原理图，看看有没有差异，看看是OrangePi改变了设计，还是我自己抄错了。如果，OrangePi改变了设计，理解一下他改变的意图。
• 抄的过程中理解一下他的硬件原理(比如：看数据手册)，是重要的，一是为了增长硬件知识，二是为了验证原理图的正确性，三是为了后续的调试工作做准备。
• 画原理图时，直接在LCEDA中直接选好对应的器件，这样不用在导出BOM时再重新修改，用起来还是非常方便的。可以方便的在JLC的各个环节中使用，比如：立创商城买器件，JLC SMT。(器件原理图封装库这块比allegro做得方便得多)
• 原来做MCU电路设计时，原理图都在一个页面中，ARM高速板原理图比较多，建议是分页放置。 这样会比较清晰。
• 器件的原理图库和封装，建议是从立创商城对应的器件里面添加， 这个看起来更靠谱一些。我之前原理图错误的LPDDR3器件就是直接在EDA的器件搜索里面找到的，找到之后没有验证正确性。结果它的G6引脚实际上是VSS，原理图中错误的认为是VDD。

如此这般反复，大约画10天时间，每天2-3小时，就可以把整个原理图给完成了。

原理图自查的方式

如此这般画完的原理图是比较复杂的，也很有可能出现错误，比如：漏抄了，标签抄错了，有些连线漏了多了。如下是我自己的检查步骤，可以参考一下：(我的H6开发板是一版成功的)

1. 跑一遍DRC检查，先解决EDA自动能够发现的问题。
2. 画完原理图之后，将自己的原理图和原厂&OrangePi的原理图，再一页一页过一遍，对照一下异同。同时标注出来三者不一致的地方。
3. 修正原理图中前后说明不一致的地方，比如：电源树中的电压值。
4. 对照原厂的硬件设计指南里面的要求，再过一遍原理图。
5. 把0Ω电阻给捋顺，标注哪些是要焊接的，哪些是不连接(NC)。
6. 从LCEDA的网络出发，查看每一条导线的连接都是应该连在一起的，不存在两条应该连在一起的导线断开了。
   
7. 最后再从硬件原理理解的角度出发，再过一遍原理图，从硬件原理上看，这样的连线是否合理，理解每一条连线的意义，在大脑里面构建出整张原理图。

更进一步

经过上面这些工作之后，想必你对于ARM高速电路设计的原理图部分有了一个基本的认识，其他主控芯片的板子大体也是如此，可能有更多的模块，更强的性能，但基本结构就是如此了。

如果，想要更进一步的学习高速电路设计-原理图部分，以下是我搜集到的一些资料，抛砖引玉，共同学习(如果，你有其他资料欢迎在评论区分享一下)：

• 叶倾城-硬件原创：B站视频
  • 目前我找到的唯一讲高速电路原理图设计的视频，主要围绕原理图部分，PCB部分也会涉及。下面我截取了一张视频标题的图，可以感受一下讲的内容。不过，视频只是前20分钟免费，后面要收费。如果不是以此为职业的人，看看免费版本基本了解一下也够了。
    
• 书籍：下面这两本书是我找到的关于高速电路原理图设计的书，我只是翻了翻，还未深入看(大部分高速电路设计的书都在讲PCB设计，信号完整性SI/电源完整性PI，EMC等等，比较少的书讲原理图设计，比较奇怪，不太懂)：
  • 《高速电路设计实践》：介绍的比较专业，比较硬的一本书；
  • 《从应用到创新-手机硬件研发与设计》：介绍了和手机硬件相关的各个模块，相对入门一些；
• FPGA：上面这些看完，对于硬件怎么连线懂得会比较多，但是，对于芯片内部的硬件原理可能只是概念性的，比如：DDR那些线到底在做什么，它是如何交换数据的？如果，你对这个感兴趣的话，可以看看FPGA的内容，比如：正点原子FPGA。

总结

以上就是《从零入门ARM高速电路设计》第二章，希望大家可以确定模块级方案，完成开发板/产品的原理图部分，同时，能够理解原理图，而不仅仅只是抄了一遍。