蔣彥，謝靜，田紅艷，蔣碧如

（1.南華大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖南衡陽，421001；2.南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南衡陽，421001）

《汽車電器課程設(shè)計(jì)》是車輛工程專業(yè)教學(xué)計(jì)劃的一個(gè)中間環(huán)節(jié)，是學(xué)生學(xué)習(xí)完《汽車電器與電子技術(shù)》等理論課程的理論知識之后進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用能力培養(yǎng)的一個(gè)過程，不僅要求學(xué)生掌握汽車電器設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理及其特性，而且要求掌握汽車電器系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝及使用中的技術(shù)問題，以適應(yīng)汽車電器與電子技術(shù)發(fā)展的要求，為今后工作打好基礎(chǔ)。

近年來，我校嘗試在車輛工程等非電類專業(yè)中的《汽車電器課程設(shè)計(jì)》教學(xué)中引入EDA技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用訓(xùn)練，這對于增強(qiáng)車輛工程專業(yè)學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力，提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)創(chuàng)新和實(shí)用人才具有重要的意義。

1 在《汽車電器課程設(shè)計(jì)》中引入EDA軟件的必要性

《汽車電器課程設(shè)計(jì)》屬于實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，要給學(xué)生充分發(fā)揮動手能力的實(shí)踐空間，由于課程設(shè)計(jì)周期短(一般兩周時(shí)間)，且車輛工程專業(yè)的學(xué)生前修的電路課程偏少，更缺乏實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)過程中感覺困惑的地方很難及時(shí)解決，會極大的打擊學(xué)生的創(chuàng)作積極性，導(dǎo)致實(shí)際效果并不是太好。引入EDA軟件之后，通過計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的輔助設(shè)計(jì)能力，可以大大提高電路設(shè)計(jì)的效率和準(zhǔn)確性，極大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐教學(xué)的教學(xué)效果。

2 KiCAD簡介[1]

KiCAD是一個(gè)跨平臺的開源EDA軟件套件，用于電路原理圖和印刷電路板(PCB)設(shè)計(jì)，遵循GNU GPL v3開源協(xié)議，可運(yùn)行在Linux、Windows和macOS等操作系統(tǒng)上，主要開發(fā)語言為C++、Python，最初由法國人Jean-Pierre Charras于1992年發(fā)布，現(xiàn)在由KiCAD開發(fā)團(tuán)隊(duì)維護(hù)。

KiCAD目前最新的穩(wěn)定版本是5.1.10，支持英語、法語、中文、日語等22多種語言，包含項(xiàng)目管理器、原理圖編輯器、元件符號編輯器、PCB編輯器、封裝編輯器、Gerber瀏覽器、PCB計(jì)算器、位圖轉(zhuǎn)換為元件或封裝、圖框布局編輯器等工具模塊。

3 KiCAD主要功能[1]

原理圖設(shè)計(jì)：KiCAD具有高效設(shè)計(jì)電路原理圖的所有工具。在內(nèi)存允許的情況下，對元件、元件引腳、連接或圖紙的數(shù)量沒有實(shí)際限制，在多張圖紙的情況下，可以通過分層原理圖圖紙表達(dá)。提供PDF、SVG、HPGL、DXF、Postscript等導(dǎo)出格式。

電氣規(guī)則檢查(ERC)：ERC自動檢查原理圖的連接，檢查輸出引腳沖突、缺少驅(qū)動器、未連接的引腳、未連接的分層符號、短路輸出等。

導(dǎo)出網(wǎng)表：可導(dǎo)出PCBnew、OrCADPCB2、Spice、CADStar等網(wǎng)表格式。

物料清單(BOM)：可通過Python或XSLT或任何其他能夠?qū)ML作為輸入的工具來進(jìn)行擴(kuò)展生成BOM。

綜合庫：KiCAD自帶的庫包含了大量的元件符號、封裝和匹配的3D模型，并一直在不斷增加和完善庫的內(nèi)容。也可以通過元件符號編輯器、封裝編輯器自行制作庫。

PCB設(shè)計(jì)：KiCAD可開發(fā)和維護(hù)復(fù)雜的電路板。KiCAD對電路板的大小不做限制，可以設(shè)計(jì)多達(dá)32個(gè)銅層、14個(gè)技術(shù)層和4個(gè)輔助層的PCB，還可以創(chuàng)建制造PCB所需的所有文件、用于照片繪圖儀的Gerber文件、鉆孔文件、元件位置文件等。

交互式布線：當(dāng)繪制的布線與PCB上的其他項(xiàng)目相沖突，可通過推擠或繞走實(shí)現(xiàn)快速有效的布線，以保證電氣設(shè)計(jì)規(guī)則檢查(DRC)約束得到遵守。

布線長度調(diào)整：可以使用專用工具調(diào)整高頻電路設(shè)計(jì)的走線長度。

3D視圖：在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，通過交互式3D視圖旋轉(zhuǎn)和平移PCB，可以比2D視圖顯示更多細(xì)節(jié)。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例

電路設(shè)計(jì)的一般步驟是：明確設(shè)計(jì)任務(wù)要求，方案選擇，單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇，電路圖繪制，PCB制板，電路的組裝及焊接，程序開發(fā)，系統(tǒng)軟硬件調(diào)試。在整個(gè)課程設(shè)計(jì)中，要求學(xué)生獨(dú)立完成絕大部分的設(shè)計(jì)工作，關(guān)鍵是掌握電路的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)流程。

以《汽車電器課程設(shè)計(jì)》中的“混合動力汽車電池箱體進(jìn)風(fēng)口溫度檢測”為例[2]，系統(tǒng)硬件由DS18B20數(shù)字溫度傳感器、STC89C52單片機(jī)、1602液晶顯示、PL2303串口轉(zhuǎn)USB及計(jì)算機(jī)組成。數(shù)字溫度傳感器可將測量出的溫度值直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，單片機(jī)對溫度信號進(jìn)行采集和處理，并在液晶上顯示檢測溫度，同時(shí)利用串口轉(zhuǎn)USB接口芯片，通過USB接口將數(shù)據(jù)送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過LabVIEW軟件接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示結(jié)果。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

運(yùn)用KiCAD軟件進(jìn)行電路原理圖和PCB這兩部分的設(shè)計(jì)，借助KiCAD的幫助文檔手冊，學(xué)生可以很快掌握軟件的使用，利用軟件的快捷鍵操作，可以極大的提高繪圖效率。具體實(shí)現(xiàn)過程概述如下：

(1)繪制原理圖：啟動KiCAD軟件，創(chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目，打開原理圖編輯器Eeschema并進(jìn)行圖框設(shè)置，放置元器件(KiCAD提供了大量的庫和器件，可在篩選框中進(jìn)行搜索過濾)，改變元器件的位置及旋轉(zhuǎn)角度，設(shè)置元器件的屬性，重復(fù)以上步驟直至把所需要的元器件都放置在原理圖紙上，合理組織原理圖紙上的所有元件，接下來將所有元器件進(jìn)行電氣連接，批注原理圖符號，執(zhí)行電氣規(guī)則檢查(ERC)，直至無錯(cuò)誤則原理圖繪制完畢。

(2)繪制PCB：進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)前，需要對每個(gè)元器件的封裝進(jìn)行分配，可以在繪制原理圖時(shí)通過設(shè)置元器件的屬性這一步來分配封裝，也可以在原理圖繪制完畢后，通過分配PCB封裝到原理圖符號這一功能，對原理圖中所有元器件的封裝進(jìn)行集中分配。在上述工程中，打開PCB編輯器，先進(jìn)行圖框設(shè)置和電路板設(shè)計(jì)規(guī)則設(shè)置，通過從原理圖更新PCB功能，將所有的封裝及飛線放置在PCB中，改變元器件封裝的位置及旋轉(zhuǎn)角度，直到最小化飛線交叉的數(shù)量，繪制PCB邊框及電氣邊界，選擇合適的層和線寬，完成布線，執(zhí)行設(shè)計(jì)規(guī)則檢查(DRC)，直至無錯(cuò)誤則PCB繪制完畢。通過3D查看器可以3D視圖觀察電路板。

選取一位同學(xué)的設(shè)計(jì)如圖2、圖3所示。作為車輛工程專業(yè)的學(xué)生，第一次接觸電路設(shè)計(jì)，在較短的時(shí)間內(nèi)完成了原理圖和PCB的繪制并實(shí)現(xiàn)了所需要的功能，實(shí)屬不易，盡管不是很完美，但以后繼續(xù)加以訓(xùn)練，必然會達(dá)到更好的效果。

圖2 原理圖

圖3 PCB 3D視圖

PCB圖繪制好后，電路板的制作有如下幾種方法：(1)利用熱轉(zhuǎn)印法進(jìn)行腐蝕工藝制做。(2)利用PCB雕刻機(jī)進(jìn)行雕刻。(3)送到PCB板加工廠制做。綜合考慮，本課程設(shè)計(jì)采用了第三種方法進(jìn)行制做，由同學(xué)們自行把PCB文件發(fā)送給工廠加工。PCB制作好以后，在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生逐步完成電路板的焊接和調(diào)試。在這個(gè)過程中，注意對學(xué)生實(shí)際動手能力的訓(xùn)練，掌握元器件的識別和選取、按電路功能分塊焊接和調(diào)試等方法。課程設(shè)計(jì)中的軟件設(shè)計(jì)部分，本文不再贅述。

5 結(jié)束語

把KiCAD軟件引入車輛工程專業(yè)的《汽車電器課程設(shè)計(jì)》中，讓非電類學(xué)生掌握了電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法和設(shè)計(jì)流程，熟悉了汽車電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具KiCAD及其使用方法，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和手段的創(chuàng)新。通過KiCAD進(jìn)行電路圖設(shè)計(jì)的訓(xùn)練，結(jié)合單片機(jī)C程序和上位機(jī)LabVIEW程序的開發(fā)調(diào)試，使《汽車電器課程設(shè)計(jì)》的教學(xué)拓寬了傳統(tǒng)的教學(xué)范圍，更接近工程實(shí)踐，學(xué)生對汽車電子產(chǎn)品開發(fā)、制作和調(diào)試的整個(gè)過程有了較為全面的了解，也可以更深入的理解《汽車電器與電子技術(shù)》課程中相關(guān)的理論知識。

在今后的教學(xué)實(shí)踐中，要繼續(xù)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)新的設(shè)計(jì)內(nèi)容，力求使以KiCAD為代表的EDA技術(shù)的應(yīng)用訓(xùn)練與《汽車電器課程設(shè)計(jì)》的具體內(nèi)容有機(jī)結(jié)合，為車輛工程等非電類學(xué)生在本科學(xué)習(xí)期間電路設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[3]。