zifeng教你學(xué)做智能車挑戰(zhàn)飛思卡爾之計算機輔助設(shè)實用教案

1、4.1 4.1 計算機輔助機械設(shè)計計算機輔助機械設(shè)計1 4.1.1 機械設(shè)計原理2 4.1.2 AUTOCAD 簡介第1頁/共28頁第一頁，共29頁。4.1.1 4.1.1 機械設(shè)計原理機械設(shè)計原理(yunl)(yunl) 為了提高智能車的競技性能，必須了解其機械結(jié)構(gòu)，并且對其結(jié)構(gòu)上的不足之處加以改進。通過對歷屆全國智能汽車競賽中各高校的參賽智能車進行研究后發(fā)現(xiàn)(fxin)，想要取得較好的成績，智能車底盤的優(yōu)化和硬件設(shè)備的可靠性所占的比重要大于軟件程序及其控制策略所占的比重，因此有必要對智能車的機械原理進行一定的了解。 機械設(shè)計原理就是研究機械的基本理論及設(shè)計技術(shù)等問題。具體來說，研究內(nèi)容主要

2、有以下幾個方面：第2頁/共28頁第二頁，共29頁。4.1.1 4.1.1 機械設(shè)計原理機械設(shè)計原理(yunl)(yunl)（1）機械設(shè)計總論 主要介紹機械設(shè)計要求及機械設(shè)計中常用(chn yn)材料和選用原則、機械零件的強度驗算、機械零件的磨損及潤滑等理論，并對現(xiàn)代設(shè)計方法進行簡單的介紹。（2）常用(chn yn)機構(gòu)及傳動設(shè)計 研究機構(gòu)的組成原理、運動分析及力分析方法，并重點介紹根據(jù)運動要求和工作條件設(shè)計常用(chn yn)機構(gòu)及傳動的技術(shù)和方法。（3）通用零件設(shè)計 研究通用零件的設(shè)計和選用問題，包括零件工作能力設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及標(biāo)準(zhǔn)零、部件的選用等問題。（4）有關(guān)機械總體設(shè)計中的一些問題

3、 介紹機械傳動系統(tǒng)方案設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計及機座與箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計等問題。第3頁/共28頁第三頁，共29頁。4.1.1 4.1.1 機械設(shè)計原理機械設(shè)計原理(yunl)(yunl) 機械設(shè)計的基本要求包括以下幾個方面：（1）功能要求 機械產(chǎn)品必須完成規(guī)定的功能，并保證功能參數(shù)在限定的范圍內(nèi)。（2）可靠(kko)性要求 機械的可靠(kko)性通過可靠(kko)度來衡量?？煽?kko)度是指在規(guī)定的使用時間（壽命）內(nèi)和預(yù)定的環(huán)境條件下，機械產(chǎn)品能夠正常地完成其功能的概率。不同場合使用的機械，對其可靠(kko)度有不同的要求。（3）經(jīng)濟性要求 所設(shè)計的機械應(yīng)在設(shè)計、制造和使用的全過程中都應(yīng)力求達到合理的成

4、本范圍內(nèi)。主要的方法有：采用恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計方法，縮短設(shè)計周期；構(gòu)思合理的工作原理，簡化結(jié)構(gòu)；選用適當(dāng)?shù)脑牧?，減小尺寸和質(zhì)量；制定合理的制造和裝配工藝；注意最大限度地采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化及通用化的零、部件等。第4頁/共28頁第四頁，共29頁。4.1.1 4.1.1 機械設(shè)計原理機械設(shè)計原理(yunl)(yunl) （4）社會性要求 機械產(chǎn)品的操作應(yīng)方便、安全；外觀造型和色彩應(yīng)大方宜人；具有較強的市場競爭力；遵循國家及相關(guān)部門環(huán)境保護等有關(guān)法規(guī)。 （5）其他特殊要求 不同的機械還具有一些該機械所特有的要求。例如，對機床有長期保持精度的要求；對飛機有質(zhì)量輕、飛行阻力小而運載能力大的要求等。 通過對參賽智

5、能車機械設(shè)計的調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，并不是所有的調(diào)整都對提高智能車的性能具有明顯的作用，其中前輪定位參數(shù)優(yōu)化、轉(zhuǎn)向舵機力臂增大和底盤重心(zhngxn)位置對于智能車的機械性能有著較大的影響。第5頁/共28頁第五頁，共29頁。4.1.2 AutoCAD 4.1.2 AutoCAD 簡介簡介(jin ji)(jin ji) AutoCAD是機械設(shè)計中常用的軟件之一，它是一種可自定義、可擴展的CAD軟件，具有二維繪圖、設(shè)計文檔和簡單的三維設(shè)計等功能。AutoCAD從V1.0，V1.17，V2.5，V2.6，R9R14，2000，2000i，2004，2005至今天的2006版，歷經(jīng)了多次的改版更新，由于其

6、在平面設(shè)計方面的功能比較齊全，其市場占有率很高。 下面以AutoCAD2006為例來說明AutoCAD在機械設(shè)計中的應(yīng)用。 AutoCAD2006提供了高效的圖形集管理器，可以輕松地對圖形進行移植、展開(zhn ki)，其直觀的功能讓學(xué)習(xí)變得更加容易；動態(tài)塊和增強的圖案填充等工具為用戶提供了便捷的解決方法。這些新功能與圖形集管理器等選項板相結(jié)合，為管理所有類型的項目提供了一套完整的解決方案。 AutoCAD2006在機械設(shè)計的應(yīng)用功能主要體現(xiàn)在以下幾個方面：第6頁/共28頁第六頁，共29頁。4.1.2 AutoCAD 4.1.2 AutoCAD 簡介簡介(jin ji)(jin ji) （1）

7、可方便(fngbin)地繪制直線、圓、圓弧和正多邊形等基本機械圖形對象，并且可以對圖形對象進行各種編輯，以構(gòu)成各種復(fù)雜的機械圖形。 （2）當(dāng)某一張圖紙上需要繪制多個相同的圖形時，利用其強大的復(fù)制、偏移和鏡像等功能，能夠快速地通過已有圖形繪制出其他圖形。 （3）AutoCAD能夠繪制出滿足符合國家機械制圖標(biāo)準(zhǔn)（GB）的線條寬度、文字樣式等。 （4）提供了新的動態(tài)塊功能，可以快速有效地創(chuàng)建機械常用件和標(biāo)準(zhǔn)件的模塊，如符合國家標(biāo)準(zhǔn)的鍵、彈簧、軸承、螺栓、螺母和墊圈等；操縱塊并從中提取數(shù)據(jù)，當(dāng)需要繪制這些圖形時，可以直接插入而不必要重復(fù)繪制。第7頁/共28頁第七頁，共29頁。4.1.2 AutoCAD

8、 4.1.2 AutoCAD 簡介簡介(jin ji)(jin ji) （5）新提供的動態(tài)輸入功能，可以使用戶將精力集中在設(shè)計繪圖而非軟件(run jin)功能上。 （6）可以方便地將零件圖組裝成裝配圖，能夠驗證零件尺寸是否正確、零件之間是否會出現(xiàn)干涉等裝配問題，同時還可以利用AutoCAD的復(fù)制和粘貼功能，方便地通過裝配圖拆分出零件圖。 （7）當(dāng)用戶設(shè)計系列產(chǎn)品時，可以方便地通過已有圖形修改派生出新圖形。 （8）在設(shè)計復(fù)雜圖形時，AutoCAD提供Web共享設(shè)計信息、創(chuàng)建幫助，可方便地創(chuàng)建單個圖形并管理整個圖形集。同時AutoCAD可利用CAD生產(chǎn)中的新標(biāo)準(zhǔn)能幫助用戶獲得更大的成功。第8頁/

9、共28頁第八頁，共29頁。4.1.2 AutoCAD 4.1.2 AutoCAD 簡介簡介(jin ji)(jin ji)（9）AutoCAD使信息(xnx)的連接變得簡單易行，使設(shè)計團隊在設(shè)計制造流程中可以開展協(xié)作化的產(chǎn)品開發(fā)，能夠與企業(yè)內(nèi)的任何員工或擴展的團隊安全共享設(shè)計數(shù)據(jù)，其功能有：能為有需要的用戶共享、查看、標(biāo)記和管理2D, 3D設(shè)計數(shù)據(jù)，支持與其他用戶的文件交換，并能在更改變得困難之前，減少設(shè)計流程中的錯誤，生成新的觀點，從而使業(yè)務(wù)流程能夠?qū)崿F(xiàn)從創(chuàng)建到完成的平穩(wěn)運作。第9頁/共28頁第九頁，共29頁。4.2 4.2 計算機輔助電路設(shè)計計算機輔助電路設(shè)計1 4.2.1 EDA技術(shù)2

10、4.2.2 Protel第10頁/共28頁第十頁，共29頁。4.2.1 EDA4.2.1 EDA技術(shù)技術(shù)(jsh)(jsh) 1EDA技術(shù)的內(nèi)涵 EDA（Electronics Design Automation）即電子設(shè)計自動化?，F(xiàn)在電子系統(tǒng)設(shè)計依靠手工設(shè)計已經(jīng)無法滿足大規(guī)模電路設(shè)計的要求，因此在電路設(shè)計工作中需要采用EDA技術(shù)。EDA技術(shù)以計算機硬件和系統(tǒng)軟件為基本工作平臺，采用EDA通用支撐軟件和應(yīng)用軟件包，幫助電子設(shè)計工程師完成電路的功能設(shè)計、邏輯計算、性能分析、時序測試(csh)直至PCB（印刷電路板）的設(shè)計等工作。在EDA軟件的幫助下，將設(shè)計者對電路系統(tǒng)的功能描述轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果

11、。利用EDA設(shè)計工具，設(shè)計者可完成對電路的性能分析、時序測試(csh)，減少設(shè)計的盲目性，極大地提高設(shè)計的效率。第11頁/共28頁第十一頁，共29頁。4.2.1 EDA4.2.1 EDA技術(shù)技術(shù)(jsh)(jsh) EDA通用支撐軟件和應(yīng)用軟件包涉及電路與系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、圖形學(xué)、圖論和拓撲邏輯、計算數(shù)學(xué)、優(yōu)化理論等多門學(xué)科，其技術(shù)指標(biāo)包括自動化程度、功能完善度、操作界面、數(shù)據(jù)開放性和互換性（即不同廠商的EDA軟件可互相兼容）等。 EDA技術(shù)包括了電子電路設(shè)計的各個領(lǐng)域，即從低頻電路到高頻電路、從線性電路到非線性電路、從模擬電路到數(shù)字電路、從分離電路到集成電路的全部設(shè)計過程，輔助電子工程師進行產(chǎn)品

12、開發(fā)，以及在電子產(chǎn)品生產(chǎn)的全過程提供的各種輔助工作。 2EDA技術(shù)的基本特征 采用高級(goj)語言描述，具有系統(tǒng)級仿真和綜合能力是EDA技術(shù)的基本特征。與這些基本特征有關(guān)的幾個概念如下：第12頁/共28頁第十二頁，共29頁。4.2.1 EDA4.2.1 EDA技術(shù)技術(shù)(jsh)(jsh) （1）并行工程和“自頂向下”設(shè)計方法 并行工程是一種系統(tǒng)化的、集成化的、并行的產(chǎn)品及相關(guān)過程（主要指制造和維護）的開發(fā)模式。這一模式使開發(fā)者從一開始就要考慮到產(chǎn)品生存周期的質(zhì)量、成本、開發(fā)時間及用戶的需求等諸多方面因素。 “自頂向下”（Top-down）的設(shè)計方法是從系統(tǒng)級設(shè)計入手，在頂層進行功能方框圖的劃

13、分和結(jié)構(gòu)設(shè)計，在方框圖一級進行驗證，然后用邏輯綜合優(yōu)化工具生成(shn chn)具體的門級邏輯電路網(wǎng)表，其對應(yīng)的物理實現(xiàn)級可以是印刷電路板或?qū)Ｓ眉呻娐??！白皂斚蛳隆痹O(shè)計方法有利于在早期發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計中的錯誤，提高設(shè)計的一次成功率，在EDA技術(shù)中被廣泛采用。第13頁/共28頁第十三頁，共29頁。4.2.1 EDA4.2.1 EDA技術(shù)技術(shù)(jsh)(jsh) （2）硬件描述(mio sh)語言（HDL） 用硬件描述(mio sh)語言進行電路與系統(tǒng)的設(shè)計是當(dāng)前EDA技術(shù)的一個重要特征。硬件描述(mio sh)語言突出的優(yōu)點是：語言的公開可利用性；設(shè)計與工藝的無關(guān)性；寬范圍的描述(mio sh

14、)能力；便于組織大規(guī)模系統(tǒng)的設(shè)計；便于設(shè)計的復(fù)用和繼承等。與原理圖輸入設(shè)計方法相比較，硬件描述(mio sh)語言更適合規(guī)模日益增大的電子系統(tǒng)設(shè)計。硬件描述(mio sh)語言使得設(shè)計者在比較抽象的層次上描述(mio sh)設(shè)計的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部特征，是進行邏輯綜合優(yōu)化的重要工具。目前最常用的IEEE標(biāo)準(zhǔn)硬件描述(mio sh)語言有VHDL和Verilog-HDL。第14頁/共28頁第十四頁，共29頁。4.2.1 EDA4.2.1 EDA技術(shù)技術(shù)(jsh)(jsh) （3）邏輯綜合與優(yōu)化 邏輯綜合功能將高層次的系統(tǒng)行為設(shè)計自動翻譯為門級邏輯的電路描述，做到了設(shè)計與工藝的獨立。優(yōu)化則是對于上述綜合生

15、成的電路網(wǎng)表，根據(jù)布爾方程功能等效的原則(yunz)，用更小、更快的綜合結(jié)果替代一些復(fù)雜的邏輯電路單元，根據(jù)指定的目標(biāo)庫映射成新的網(wǎng)表。 （4）開放性和標(biāo)準(zhǔn)化 EDA系統(tǒng)的框架是一種軟件平臺結(jié)構(gòu)，它為不同的EDA工具提供操作環(huán)境?？蚣芴峁┡c硬件平臺無關(guān)的圖形用戶界面、工具之間的通信數(shù)據(jù)、設(shè)計數(shù)據(jù)和設(shè)計流程的管理，以及各種與數(shù)據(jù)庫相關(guān)的服務(wù)項目等。一個建立了符合標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)式框架結(jié)構(gòu)EDA系統(tǒng)，可以接納其他廠商的EDA工具一起進行設(shè)計工作。框架作為一套使用和配套EDA軟件包的規(guī)范，可以實現(xiàn)各種EDA工具間的優(yōu)化組合，將各種EDA工具集成在一個統(tǒng)一管理的環(huán)境之下，實現(xiàn)資源共享。第15頁/共28頁第十

16、五頁，共29頁。4.2.1 EDA4.2.1 EDA技術(shù)技術(shù)(jsh)(jsh) EDA框架標(biāo)準(zhǔn)化和硬件描述語言等設(shè)計數(shù)據(jù)格式的標(biāo)準(zhǔn)化可集成不同設(shè)計風(fēng)格和應(yīng)用的要求，使得各具特色的EDA工具(gngj)能有效地工作在同一個工作站上。集成的EDA系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高層次的自動邏輯綜合、版圖綜合和測試碼生成，而且可以使各個仿真器對同一個設(shè)計進行協(xié)同仿真，進一步提高了EDA系統(tǒng)的工作效率和設(shè)計的正確性。 （5）庫（Library） 庫是支持EDA工具(gngj)完成各種自動設(shè)計過程的關(guān)鍵。EDA設(shè)計公司與半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商緊密合作，共同開發(fā)了各種庫，如邏輯模擬時的模擬庫、邏輯綜合時的綜合庫、版圖綜合時的版

17、圖庫、測試綜合時的測試庫等。在這些庫的支持下，EDA工具(gngj)能夠完成各種自動設(shè)計。第16頁/共28頁第十六頁，共29頁。4.2.2 Protel4.2.2 Protel Protel 99SE是澳大利亞Protel Technology公司推出的一個全32位的電路板設(shè)計軟件。該軟件功能強大，人機界面友好，易學(xué)易用，使用該軟件的設(shè)計者可以容易地設(shè)計電路原理圖，畫元件圖，設(shè)計電路板圖，畫元件封裝圖和電路方針，是首選的電路板設(shè)計工具。 1PCB板的全手工設(shè)計方式步驟簡介 （1）基于系統(tǒng)原理圖的仿真。在畫原理圖時，只要Protel 99SE的能力允許，最好對原理圖或部分原理圖進行仿真。 （2）

18、畫原理圖時，要注意每個元件都必須(bx)要有對應(yīng)的封裝形式，而且封裝的焊盤號和原理圖引腳號之間必須(bx)有對應(yīng)關(guān)系。 （3）對原理圖進行電氣規(guī)則檢查后，建立原理圖的網(wǎng)絡(luò)表。 第17頁/共28頁第十七頁，共29頁。4.2.2 Protel4.2.2 Protel （4）建立電路板圖文件?？梢允褂?shyng)向?qū)Ыⅲ▎硬藛蜦ile/New后，選擇向?qū)ы撁妫瑔与娐钒逑驅(qū)В┗蛑苯咏ⅲ▎硬藛蜦ile/New，選擇電路板文件）。一般雙層板可直接建立，多層板則多采用向?qū)Ыⅰ?（5）在電路板設(shè)計窗口，使用(shyng)菜單Design/Load Nets將網(wǎng)絡(luò)表調(diào)入。在調(diào)入過程中，要注意形成的

19、宏命令是否有錯，若有錯，查明原因后返回原理圖并修改原理圖。一般遇到的問題是無元件封裝或元件引腳和封裝焊盤不對應(yīng)。常見宏命令錯誤是Component not found（元件找不到，原因是元件封裝名不正確）和Node not found（節(jié)點找不到，原因是焊盤號和引腳號不一致）。 （6）若所有宏命令有效，就可以執(zhí)行宏命令，將元件和元件之間的連接調(diào)入電路板。第18頁/共28頁第十八頁，共29頁。4.2.2 Protel4.2.2 Protel （7）將元件人工排列到電路板上，排列的規(guī)則是：電路的輸入端放在電路板左側(cè)；輸出端放在電路板的右側(cè)；元件和元件之間的連線最短；安裝元件時元件之間不能互相干涉等

20、。在布置元件的位置時，最好不要(byo)使用自動方式，因為計算機目前還不具備足夠的智能去合理排列元件以滿足布置要求。 （8）確定布線范圍。布線范圍是在禁止布線層確定的，一般也就是電路板的板框尺寸。若是需要鉆螺絲孔，注意在禁止布線層的螺絲孔上不能布線。 （9）設(shè)置布線層。若為單層板，在菜單design/Rule中設(shè)置走線層；若為雙層板，不用設(shè)置，使用默認值就可以。第19頁/共28頁第十九頁，共29頁。 4.2.2 Protel4.2.2 Protel （10）設(shè)置銅膜線的走線寬度，一般走線寬度為10 mil（0.25 mm），電源和地線應(yīng)該寬一些。當(dāng)然，只要電路板面積允許，銅膜線還是寬一些比較好

21、。有時還要考慮制板公司的能力，例如有的公司對于小于10 mil線寬的電路板不能制作。走線寬度可在菜單(ci dn)Design/Rule中設(shè)置。 （11）一切設(shè)置結(jié)束后，就可以啟動Auto Route/All菜單(ci dn)進行自動布線。當(dāng)布線完成后，在布線完成對話框中觀察布線的布通率。若為100，就說明所有連接銅膜線全部完成。若不能100布通，則需要回到預(yù)拉線狀態(tài)重新布置元件，調(diào)整線寬后再布線。 （12）利用3D立體圖觀察電路板，若對元件布置或布線不滿意，可以使用Tool/ Un-Route/ All菜單(ci dn)去掉布線，恢復(fù)預(yù)拉線，重新安排元件后再進行布線。 第20頁/共28頁第二

22、十頁，共29頁。 4.2.2 Protel4.2.2 Protel （13）當(dāng)對布線認可后，根據(jù)需要增加(zngji)填充、鋪銅和輪廓。 （14）對電路板運行電氣規(guī)則檢查（菜單Tool/Design Rule Check）。 （15）對絲網(wǎng)層上的文字進行調(diào)整，然后寫上畫電路板日期、電路板說明等文字。 （16）將所畫電路板圖存軟盤，送電路板制造商生產(chǎn)電路板。第21頁/共28頁第二十一頁，共29頁。 4.2.2 Protel4.2.2 Protel 2PCB板設(shè)計的注意事項 （1）采用自動布線在原理圖階段應(yīng)注意的事項 原理圖畫完后一定要進行錯誤檢查。若有錯誤，則一定要修正到?jīng)]有錯誤為止；在PCB板

23、上用到的接插件也要在原理圖中畫出來并設(shè)定好封裝；電源正負號和電源地符號的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號一定要設(shè)為不同的名稱。 （2）元件、銅膜導(dǎo)線咬合柵格的設(shè)定 若板上元件以分立元件占多數(shù)且元件密度較低，則可設(shè)定元件封裝咬合柵格為 50 mil，以方便(fngbin)各元件封裝的對齊。銅膜導(dǎo)線的咬合柵格可設(shè)為10 mil（銅膜導(dǎo)線較密時）或25 mil（銅膜導(dǎo)線較稀時），以便于銅膜導(dǎo)線穿過兩相鄰焊盤的空擋，也便于從焊盤的中心開始布銅膜導(dǎo)線。第22頁/共28頁第二十二頁，共29頁。 4.2.2 Protel4.2.2 Protel （3）布局應(yīng)注意的事項 熱敏感元件應(yīng)遠離發(fā)熱元件； 功率器件盡量放在板邊沿(binyn

24、)； 較重的大型器件可鎖在機箱上由導(dǎo)線接到線路板； 高電壓器件之間及其引腳之間距離加大，以防爬電； 在板邊緣23 mm范圍內(nèi)不要放置元件封裝，以便流水線生產(chǎn)； 可調(diào)元件及插撥元件應(yīng)放置在方便操作之處； 高頻元件之間應(yīng)盡可能縮短走線，并要注意避免相互之間的電磁干擾； 每個功能電路以核心器件為中心，圍繞它進行布局； 同類型元件軸向一致，排列整齊。第23頁/共28頁第二十三頁，共29頁。 4.2.2 Protel4.2.2 Protel （4）布線應(yīng)注意的事項 銅膜導(dǎo)線的寬度要足夠(zgu)，地線要盡量寬，線寬可根據(jù)每平方毫米銅膜導(dǎo)線的截面積可通電流610 A（銅膜導(dǎo)線厚度通常為0.035 mm, 0.05 mm和0.07 mm，以0.05 mm厚度為多見）來計算； 銅膜導(dǎo)線拐彎不要用銳角，以防尖端放電，盡量用135角拐彎或圓弧拐彎，高頻線路則必須用圓弧拐彎； 單面板銅膜導(dǎo)線線寬至少為20 mil，個別特殊地方也至少為15 mil； 避免使用大面積銅箔，否則，板材因發(fā)熱產(chǎn)生揮發(fā)性氣體，該氣體致使銅箔膨脹或脫落，若要用大面積銅箔，則應(yīng)在銅箔上加透氣孔或用柵格狀鋪銅；第24頁/共28頁第二十四頁，共29頁。4.2.2 Protel4.2.2 Protel 若銅