“通常來說 KiCad 更建議使用層次化的設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@樣結(jié)構(gòu)更清晰，也方便設(shè)計(jì)復(fù)用。對(duì)于簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，扁平化設(shè)計(jì)也很容易實(shí)現(xiàn)；但將復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)成扁平化卻并不那么容易。”

什么是扁平化設(shè)計(jì)？

在過去，特別是在計(jì)算機(jī)時(shí)代之前，大多數(shù)原理圖都是這樣制作的。

扁平化設(shè)計(jì)可以是單頁(yè)，也可以是多頁(yè)，用于容納你的原理圖。如果有多頁(yè)，那么每個(gè)頁(yè)面都可能包含彼此相關(guān)的內(nèi)容。

對(duì)于多頁(yè)設(shè)計(jì)來說，還必須有一種方法來使這些頁(yè)面之間產(chǎn)生聯(lián)系。這種交叉引用在KiCad中被稱為標(biāo)簽（有的EDA稱之為端口）。另一個(gè)重要的工具是電源符號(hào)（在過去也被稱為電源端口）。典型的如GND、VDD等符號(hào)。電源符號(hào)在扁平化設(shè)計(jì)中是全局的，即所有圖紙有效。

什么是層次化設(shè)計(jì)？

層次化設(shè)計(jì)是一種完全不同的設(shè)計(jì)范式。在某種意義上，它可以與面向?qū)ο蟮?a target="_blank">編程相媲美。它背后的主要想法是引入抽象層。這可以使人們更容易理解復(fù)雜的系統(tǒng)。

層次化的頁(yè)面符號(hào)不止代表一頁(yè)原理圖，而更像是一個(gè)有定義接口的對(duì)象。

在KiCad中，這種接口通過分層化引腳與層次化標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)。全局的標(biāo)簽（比如電源符號(hào)）一定程度上降低了這種設(shè)計(jì)方法的功能。

電源管理系統(tǒng)(BMS)的設(shè)計(jì)案例

在此示例中，展示的是一個(gè)電池管理系統(tǒng)的測(cè)量和平衡電路。該電路有一個(gè)用于連接電池組中每個(gè)電池的接口，一個(gè)專門的芯片，可以測(cè)量每個(gè)電池的電壓、溫度，并提供一種對(duì)單個(gè)電池進(jìn)行放電以實(shí)現(xiàn)平衡的方法。它還提供了與外部控制器的接口。

3芯電池的單頁(yè)扁平化設(shè)計(jì)

即使是這樣簡(jiǎn)單的電路，我也需要使用A3大小的圖紙，以便能夠容納所有的東西，同時(shí)讓設(shè)計(jì)看起來規(guī)劃合理。 請(qǐng)注意，我們?yōu)槊總€(gè)電池復(fù)制了設(shè)計(jì)的平衡部分。想象一下，如果你后來發(fā)現(xiàn)某些地方不太對(duì)，則需要改變每一個(gè)重復(fù)的部分。

在扁平化設(shè)計(jì)中，使用圖形線和文字可以很好地幫助區(qū)分功能模塊，即對(duì)系統(tǒng)做一個(gè)抽象的功能分割。

6芯電池的多頁(yè)扁平化設(shè)計(jì)

在上一節(jié)中，我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)單一的頁(yè)面很快就會(huì)變得很有局限性。我們可以增加頁(yè)面的大小，但即使這樣也有局限性。這意味著我們可能需要添加額外的原理圖頁(yè)面，但這并不是KiCads的強(qiáng)項(xiàng)之一。我們可以在這里使用層次化圖紙和全局標(biāo)簽達(dá)到類似的效果。

根頁(yè)面是你的設(shè)計(jì)的索引頁(yè)，它將所有其他頁(yè)面實(shí)例化。如果你愿意的話，可以在這個(gè)根頁(yè)面上添加一些文字或圖畫，以明確在圖紙中可以找到什么。

12芯電池的層次化設(shè)計(jì) 查看之前的設(shè)計(jì)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)有很多重復(fù)的內(nèi)容可以放置在單獨(dú)的設(shè)計(jì)模塊中。這樣做將使我們的原理圖在 KiCad 中更易于閱讀和維護(hù)。上圖中黃色部分展示的是這些原理圖頁(yè)面符的子圖紙內(nèi)容。對(duì)于單頁(yè)圖紙來說，內(nèi)容并不多。 在這種情況下，我們可以多次實(shí)例化同一張子原理圖。可以通過復(fù)制原理圖頁(yè)面符，或者創(chuàng)建一個(gè)新的頁(yè)面符并指定同樣的子原理圖來實(shí)現(xiàn)這一目的。 現(xiàn)在，如果您修改這個(gè)子電路圖的一部分，那么變更將傳播到所有其他實(shí)例。作為測(cè)試，你可以嘗試更改其中一個(gè)電阻器的值并檢查它在其他實(shí)例中是否發(fā)生變化。實(shí)例之間唯一獨(dú)立的是位號(hào)符。

在層次化設(shè)計(jì)的工作流程中，也可以擁有僅實(shí)例化一次的圖紙。如下圖所示，主機(jī)接口和菊花鏈過濾器表僅實(shí)例化一次；而每個(gè)電池單元都實(shí)例化了6次：

上圖中的層次化設(shè)計(jì)可以非常清晰地查看、理解設(shè)計(jì)意圖及每個(gè)功能模塊的定義。

小結(jié)

本文介紹了扁平化設(shè)計(jì)、層次化設(shè)計(jì)的概念并給出了3個(gè)實(shí)例。對(duì)于復(fù)雜的設(shè)計(jì)，建議使用層次化設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@樣可以使圖紙更容易被讀懂，也可以讓設(shè)計(jì)更清晰，且支持模塊的復(fù)用。

下一章中，我們會(huì)繼續(xù)介紹層次化設(shè)計(jì)中的一些注意點(diǎn)，以及如何在KiCad中創(chuàng)建層次化設(shè)計(jì)。

審核編輯 黃宇