以下属于嵌入式系统硬件PCB图设计原则的是（33）。

2020年下半年上午试卷综合知识

第 33 题


知识点	PCB布局要求 PCB布线嵌入式系统设计原则硬件
章/节	电子电路设计

A. 低速信号优先

B. 先整体设计再局部调整

C. 先简单后复杂

D. 优先电源器件布局

相关试题多层PCB设计的注意事项及布线原则

第33题

2011年下半年

印刷电路板的设计中布线工作尤为重要，必须遵守一定的布线原则，以符合抗干扰设计的要求，使得电路获得最佳的性能。以下关于布线原则的叙述中，不正确的是(33)。

第33题

2012年下半年

以下针对嵌入式系统高速PCB布线描述原则，不正确的是（33）。

第33题

2014年下半年

以下针对嵌入式系统高速PCB布线原则的叙述中，不正确的是（33）。

知识点讲解

· PCB布局要求

· PCB布线

· 嵌入式系统

· 设计原则

· 硬件

PCB布局要求

通常PCB元器件的布局遵照“先大后小，先难后易”的布置原则，即重要的单元电路、核心元器件应当优先布局。布局中应参考原理框图，根据单板的主信号流向规律安排主要元器件。

布局应尽量满足以下要求：总的连线尽可能短，关键信号线最短；高电压、大电流信号与小电流、低电压的弱信号完全分开；模拟信号与数字信号分开；高频信号与低频信号分开；高频元器件的间隔要充分。

相同结构电路部分，尽可能采用“对称式”标准布局，按照均匀分布、重心平衡、版面美观的标准优化布局。器件布局栅格的设置，一般IC元器件布局时，栅格应为50～100 mil，小型表面安装元器件，如表面贴装元器件布局时，栅格设置应不少于25mil。

PCB的整体布局应按照信号流程安排各个功能电路单元的位置，使整体布局便于信号流通，而且使信号保持一致的方向，各功能单元电路的布局应以主要元器件为中心，在实际布局中应围绕这个中心进行布局。通常来说元器件布局有如下要求：

.元器件的摆放不重叠；

.元器件的摆放不影响其他元器件的插拔和贴焊；

.元器件的摆放符合限高要求，不会影响其他元器件、外壳的贴焊及安装，如电解电容由立放改为卧放，从而满足高度要求；

.元器件离板边的距离符合工艺要求，距离不够时加工艺附边，附边上没定位孔时的宽度为3mm，有定位孔时的宽度为5mm；

.有极性元器件的摆放方向要尽可能一致，同一板上最多允许两种朝向；

.安装孔的禁布区内无元器件和走线（不包括安装孔自身的走线和铜箔）。

对于采用通孔回流焊的元器件布局要求

.对于非传送边尺寸大于300mm的PCB，较重的元器件尽量不要布置在PCB的中间，以减轻由于插装元器件的重量在焊接过程对PCB变形的影响，以及插装过程对板上已经贴放的元器件的影响；

.为方便插装，推荐将元器件布置在靠近插装操作侧的位置；

.对于尺寸较长的元器件（如内存条插座等），其长度方向推荐与传送方向一致；

.通孔回流焊元器件的焊盘边缘与连接器及所有的BGA的丝印之间的距离大于10mm，与其他表面贴装元器件间距离大于2mm；

.通孔回流焊元器件本体间距离大于10mm，有夹具扶持的插针焊接不做要求。

对于插件元器件的布局要求

对于插件元器件的布局，通常要求端子的尺寸、位置要符合结构设计的要求，并达到最佳结构安装。此外过波峰焊的插件元器件焊盘间距大于1.0mm，为保证过波峰焊时不连锡，过波峰焊的插件元器件焊盘边缘间距应大于1.0mm（包括元器件本身引脚的焊盘边缘间距）；优选插件元器件引脚间距大于2.0mm，焊盘边缘间距大于1.0mm；在元器件本体不相互干涉的前提下，相邻元器件焊盘边缘间距满足如下图所示。

焊盘边缘间距示意图

焊盘要求

当插件元器件引脚较多，以焊盘排列方向平行于进板方向布置元器件时，当相邻焊盘边缘间距为0.6～1.0mm时，推荐采用椭圆形焊盘或加偷锡焊盘，如下图所示。

焊盘排列方向平行于进板方向布局时焊盘推荐示意图

可调元器件、可插拔元器件周围应该留有足够的空间供调试和维修，在实际设计中应根据系统或模块的PCBA安装布局以及可调元器件的调测方式来综合考虑可调元器件的排布方向、调测空间，可插拔元器件周围空间预留应根据邻近元器件的高度决定。

所有的插装磁性元器件一定要有坚固的底座，禁止使用无底座插装电感。有极性的变压器的引脚尽量不要设计成对称形式，要考虑防呆工艺，以免插件时机械性出错。裸跳线不能贴板跨越板上的导线或铜皮，以避免和板上的铜皮短路，绿油不能作为有效的绝缘。

电缆的焊接端尽量靠近PCB的边缘布置以便插装和焊接，否则PCB上别的元器件会阻碍电缆的插装焊接或被电缆碰歪。多个引脚在同一直线上的元器件，像连接器、DIP封装元器件、TO-220封装元器件，布局时应使其轴线和波峰焊方向平行。较轻的元器件如二极管和1/4W电阻等，布局时应使其轴线和波峰焊方向垂直。这样能防止过波峰焊时因一端先焊接凝固而使元器件产生浮高现象。电缆和周围元器件之间要留有一定的空间，否则电缆的折弯部分会压迫并损坏周围元器件及其焊点。

贴片元器件的布局要求

对于贴片元器件而言，一般有着如下的要求。

两面过回流焊的PCB的BOTTOMLAYER面要求无大体积、太重的表贴元器件，需两面都过回流焊的PCB，第一次回流焊接元器件重量限制如下表所示。

回流焊接元器件重量限制表

若有超重的元器件必须布在底层面上，并应通过试验验证可行性。焊接面元器件高度不能超过2.5mm，若超过此值，应把超高元器件列表通知装备工程师，以便特殊处理。

需波峰焊加工的单板背面元器件不形成阴影效应的安全距离应考虑波峰焊工艺的贴片元器件距离，相同类型元器件布局如下图所示。

相同类型元器件的布局示意图

相同类型元器件的封装尺寸与距离关系如下表所示。

相同类型元器件的封装尺寸与距离关系

不同类型元器件在布局时的距离示意图如下图所示。

不同类型元器件的距离示意图

不同类型元器件的封装尺寸与距离关系见下表（单位：mm）。

不同类型元器件的封装尺寸与距离关系示意表

PCB布线

在放置完封装之后，可以使用CAD自动布线或者手动布线。对于自动布线则需要将自动布线失败或者不满足需求的地方手工重新布线。

布线的优先次序一般是：电源、模拟小信号、高速信号、时钟信号和同步信号等，关键信号优先布线。

应遵循密度优先原则，即从单板上连接关系最复杂的元器件着手布线。从单板上连线最密集的区域开始布线。

自动布线在布线质量满足设计要求的情况下，可使用自动布线器以提高工作效率。在自动布线前应准备自动布线控制文件，该文件是为了更好地控制布线质量，一般在运行前详细定义布线规则，这些规则可以在软件的图形界面内进行定义，但软件提供了更好的控制方法，即针对设计情况，写出自动布线控制文件，软件在该文件控制下运行。

电源走线和地线走线之间的电磁兼容性环境较差，应避免布置对干扰敏感的信号。接地系统的结构由系统地、屏蔽地、数字地和模拟地构成；数字地和模拟地要分开，即分别与电源地相连。

环路最小规则，即信号线与其回路构成的环面积要尽可能小，环面积越小，对外的辐射越少，接收外界干扰也越小。针对这一规则，在地平面分割时，要考虑到地平面与重要信号走线的分布，防止由于地平面开槽等带来的问题；在双层板设计中，在为电源留下足够空间的情况下，应该将留下的部分用参考地填充，且增加一些必要的孔，将双面地信号有效连接起来，对一些关键信号尽量采用地线隔离，对一些频率较高的设计，需特别考虑其地平面信号回路问题，建议采用多层板为宜。

具体原则包括：

（1）有阻抗控制要求的网络应布置在阻抗控制层上。

（2）各种印制板走线要在容许的空间短而粗，线条要均匀。

（3）串扰控制，串扰是指PCB上不同网络之间因较长的平行布线引起的相互干扰，主要是由于平行线间的分布电容和分布电感的作用。克服串扰的主要措施包括：

.加大平行布线的间距，遵循3W规则；

.在平行线间插入接地的隔离线；

.减小布线层与地平面的距离。

（4）最外沿信号线与禁止布线层和机械边缘保持最小0.7mm距离。

（5）印制板布线和覆铜拐角尽量使用45°折线或折角，PCB设计中应避免产生锐角和直角而不用90°。

（6）对于经常插拔或更换的焊盘，要适当增加焊盘与导线的连接面积（泪滴焊盘），特别是对于单面板的焊盘，以增加机械强度，避免过波峰焊接时将焊盘拉脱、机械损耗性脱落等。

（7）任何信号都不要形成环路，如不可避免，让环路区尽量小。

（8）对噪声敏感的元器件下面不要走线。

（9）高频线与低频线要保持规定要求间距，以防止出现串扰。

（10）多层板走线应尽量避免平行、投影重叠，以垂直为佳，以减小分布电容对整机的影响。

（11）大面积覆铜需将铜箔制作成网状覆铜工艺，以防止PCB在高温时会出现气泡而导致铜箔脱落的现象。

（12）尽量加粗地线，可通过三倍的允许电流。

（13）布板时考虑放置测试点，方便生产线调试，测试点统一为八角形。

（14）同一尺寸板上布不同机种时，两端端子位置尽量保持一致，方便生产线制作工具。

通常情况下，布局基本确定后，应用PCB设计工具的统计功能，报告网络数量，网络密度，平均管脚密度等基本参数，以便确定所需要的信号布线层数。

布线层设置在高速数字电路设计中，电源与地层应尽量靠在一起，中间不安排布线。所有布线层都尽量靠近一平面层，优选地平面为走线隔离层。为了减少层间信号的电磁干扰，相邻布线层的信号线走向应取垂直方向。

可以根据需要设计1～2个阻抗控制层，如果需要更多的阻抗控制层，应与PCB产家协商。阻抗控制层应按要求标注清楚。将单板上有阻抗控制要求的网络布线分布在阻抗控制层上（单面板不用考虑）。

线宽和线间距的设置要考虑的因素：

.单板的密度。板的密度越高，倾向于使用更细的线宽和更窄的间隙。

.信号的电流强度。当信号的平均电流较大时，应考虑布线宽度所能承载的电流，线宽可参考以下数据。

.电路工作电压。线间距的设置应考虑其介电强度。

嵌入式系统

嵌入式计算机系统是与特定功能的设备集成在一起、且隐藏在这个功能系统内部为预定任务而设计的计算机系统。该计算机可对设备的状态进行采集，包括操作者的命令和受控对象的状态，按照设备所要求的、预先设定的特定规律进行计算，计算结果作为命令输出到设备的某些部件，控制某些操作，同时将人所关心的信息显示给操作者。一个典型的嵌入式系统如下图所示。

嵌入式系统组成

上述嵌入式系统的输入、处理、输出的各个部分，一般情况下都是通过软件运行完成的。因此嵌入式软件是嵌入式系统的重要组成部分，而且体现了系统的思想、方法和规律。

在当今社会中，嵌入式系统已经和我们的生活息息相关，人们每时每刻都离不了嵌入式系统，如下图所示。

嵌入式系统基本分类

嵌入式系统一般是实时系统，《牛津计算机字典》对实时系统解释是：“系统的输入对应于一个外部物理世界的运动，而系统输出对应着另外一个物理世界的运动，而这两个运动的时间差必须在可接受的足够小的范围内，实时性就体现在从输入到形成输出所需的时间。”实时系统又进一步定义为硬实时系统和软实时系统两种，如下表所示。

实时系统分类及其特性

一般认为，嵌入式计算机相对于个人计算机或超级计算机，在软件或硬件上的资源是有限的，硬件资源体现在处理速度、功耗、存储空间等方面，软件资源指有限的应用、有限的操作系统支持、应用代码量少等方面。

第一款大批量生产的嵌入式系统是美国1961年发布的民兵Ⅰ型导弹内嵌的D-17自动制导计算机。

随着20世纪60年代早期应用开始，嵌入式系统的价格迅速降低，同时处理功能和能力获得快速提高。以第一款单片机Intel 4004为例，在存储器和外围芯片的配套使用下，实现了计算器和其他小型系统。1978年，美国国家工程制造商协会发布了可编程单片机的“标准”，涵盖了几乎所有以计算机为基础的控制器，如单板计算机、数控设备以及基于事件的控制器，使得微处理器得到了快速发展。

无一例外，不断发展中的嵌入式计算功能的实现都通过用户需求驱动、顶层定义、硬件定义开始，但核心是软件的算法处理，实际上类似硬件功能通过不同软件的控制就可以实现不同用户所需要的嵌入式功能，如下图所示。

嵌入式计算机的层次化架构

当基础硬件接口、计算和存储资源、总线与网络乃至各种传感器、作动器、液压等以模块化、通用化、组合化等变得越来越成熟，他们就可以方便地组合成硬件平台。而软件却恰恰相反，基本是为满足人类某种新的设想或应用要求开始进行新的设计。这些设计从诸如领域、实现功能、性能、可靠性、安全性等方面，可以是全新理念设备、或是适应性修改升级等途径，都会导致软件有不同程度的差异。

嵌入式系统具有以下特征：

（1）嵌入式系统的时间敏感性。嵌入式实时系统对时间响应都是有要求的。例如对于一个设备的运动控制系统，从操作指令发出，嵌入式计算机根据指令和外部条件计算并输出到动作器的动作，要保证在所有的条件下、在确定的时间内产生所需的输出。这对于设计者来说，一般的实时系统都会围绕这个关键需求进行系统设计。另外为了满足时间敏感性要求，确保在最复杂行为和最大延时情况下，系统操作不发生延迟，要求处理器的利用率要有40%左右的余量。有时为满足某些强实时嵌入式系统的应答时间限定在毫秒级或更低，需要在高级语言中嵌入低级语言编程实现。

（2）嵌入式系统的可靠性和安全性。嵌入式计算机系统的失效带来的可能是个人娱乐系统故障的微小损失，可能是铁路信号失效的巨额经济损失，也可能是战略武器控制等经济损失以及重大的社会政治影响等。所以在某种设计缺陷被诱发后，对于不同的系统需要采取不同的策略，例如对具有重大影响的系统，要求计算机或计算机软件对设计缺陷、制造缺陷等失效采取“永不放弃”的安全性设计技术，将损失控制在可接受的范围内。在有人为输入情况下，嵌入式系统还需考虑最大可能地减少人为失误所引起的系统失效。这些算法或机制可以是输入有效性合理性检查、硬件容错、软件容错、错误后的系统缓慢降级、系统进入安全模式等。

（3）嵌入式软件的复杂性。软件复杂度取决于问题规模和复杂度。简单问题的软件可由个人完成，甚至可以进行软件正确性证明；即使过程中更换人员，花费少许时间就可掌握和维护。但如汽车控制、飞机控制等大型复杂软件，其需要根据复杂的外部输入、按照多变量物理规律和人们的预期，实现预定的功能。软件需要根据系统的外部事件及其组合，考虑各种处理、逻辑、时序、边界、超出边界的鲁棒性等进行详细算法和策略研究。还需要考虑如安全性、可靠性、维护性等质量要求。更困难的是大规模软件需要团队联合定义、并行开发、持续维护，同时考虑处理平台限制条件。

设计原则

防火墙的设计原则如下。

（1）由内到外、由外到内的业务流均要经过防火墙。

（2）只允许本地安全策略认可的业务流通过防火墙，实行默认拒绝原则。

（3）严格限制外部网络的用户进入内部网络。

（4）具有透明性，方便内部网络用户，保证正常的信息通过。

（5）具有抗穿透攻击能力，强化记录、审计和报警。

硬件

硬件是计算机物理设备的总称，也称为硬件设备，通常是电子的、机械的、磁性的或光的元器件或装置，一般分为中央处理器、存储器和输入、输出设备。

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