基于Altium designer的單片機最小系統項目教學實踐

【摘要】在《電子線路CAD》課程中運用項目教學法，通過完成“單片機最小系統設計”這一工作任務，有機地將理論與實踐相結合，突破陳舊軟件教學模式和版本，實現“教學做一體化”，達到學生對知識點的掌握和對能力的提升的目標。

【關鍵詞】Altium designer；單片機最小系統；原理圖；PCB；項目教學

《電子線路CAD》是職業院校電子類專業的必修課程，該課程一般通過學習Protel這款電子業界流行的線路設計軟件的操作方法和步驟，對學生進行電子線路計算機輔助設計的知識學習和技能培養。

傳統上該門課程所使用的軟件版本為99SE，近一些年Protel軟件在持續更新，陸陸續續有DXP、Altium designer（改變了軟件名稱，但仍被認作是Protel的后續）等重要的版本出現。新版本的軟件集成了世界領先的EDA特性和技術，主要包括原理圖設計、PCB設計、Spice仿真、VHDL仿真與綜合、信號完整性分析等功能。在一定程度上，打破了傳統的設計工具模式，提供了以項目為中心的設計環境，包括強大的導航功能、源代碼控制、對象管理、設計變量和多通道設計等高級設計方法。該系列軟件開發者Altium公司強力推薦新的版本，業界也慢慢減少99SE的使用，逐漸采用新版本的軟件。例如2012年教育部舉辦的全國職業院校技能大賽--電子產品設計及制作（基于FPGA技術）項目所使用的配套軟件為Altium designer軟件，第七屆全國信息技術應用水平大賽—PCB設計項目要求使用Altium Designer軟件（以下簡稱AD）。

一般來說《電子線路CAD》課程的教學重注對知識的歸類、分層、細化，對Protel軟件的基本命令和操作方法按照知識的層次學科性而由易到難、從淺入深、逐次推進、面面俱到地羅列，整個內容類似軟件的說明書般。這樣子教授下去缺乏對學生主動學習與實踐能力的關注。學生們只能被動學習，難以真正動手實踐，不能掌握職業技能。

高職教育的理念強調教學過程與工作過程相一致，強調培養高端技能型人才。計算機輔助電子線路設計應針對崗位職業行動能力設計教學內容，利用新版本的軟件從設計一個原理圖文件到加工制作成電子線路板，形成一個完整的工作過程。《電子線路CAD》課程應以培養學生電子線路板設計的能力為核心將項目案例作為載體引入到教學過程中，基于工作過程構建教學過程。

但是項目化教學不僅僅是一種理念，還需要專業教學的老師去認真分析該項目化教學中的某個具體項目在社會實際工作中的實用性、廣泛性以及普通學生水平的接受程度。最終項目才能經過專業的論證而進行推廣試用。而市面上所見一般該課程的教材所采用的項目既有單管放大電路，信號發生電路；也有U盤、鼠標等內容。對于編寫一本書而言任何項目都是可以采用的，但是老師在教學中必須要有所取舍。

筆者擔任本院《電子線路CAD》的教學項目已經5年，我院的《電子線路CAD》在第三學期開設，開設的時間同《單片機原理及應用》、《電子產品工藝》等課程同步。在實踐中發現，經過第一學年基礎課程的學習，學生們知道一些專業基礎知識，進入到一個專業發展的瓶頸區域。大家普遍存在著“知道自己不知道”或者“不知道自己知道”這樣一種迷惘的狀態。為了改變這樣子的狀態，需要老師結合與社會生產中實際相關或者課程相關的項目給學生一個實際演練的機會。通過接近真實產品的生產過程訓練，學生們可以說一下子豁然開朗，明白本專業到底是干什么的了，我到底可以做些什么。

單片機最小系統是一個很好的實訓項目。本學期同學們做單片機的實習經常接觸到單片機的實驗箱和擴展開發板，成績好的學生不免會發生這樣子的疑問：這一些東西是怎么做出來的？老師在《電子線路CAD》課時，應當及時的講解相關PCB的知識，回答疑問，同時可以視條件帶領學生把PCB給做出來，同樣在《電子產品工藝》課程上也應帶領學生把產品焊接出來，這樣子由原理圖到設計PCB到實際生產，與實際相連一條龍進行真正落實高職培養的內涵。

該項目可以在講解完簡單的PCB制作后進行，這時學生不但對軟件AD而且對單片機的知識也應有相當的理解。

一、確定項目任務

首先是確立項目任務分解及考核標準，如表1所示。

接著是工作流程分解，如圖1所示。一般印制電路板按照以下流程進行設計。

二、項目實施

1.原理圖設計

原理圖設計是完成整個項目的基礎。課程目標是要訓練學生使用AD軟件的技能，培養學生的標準意識、規范意識、質量意識、協作意識等職業素養。單片機最小系統原理圖設計，學生需要達到項目任務分解的“能力目標”。學生操作過程中，強調建立工程項目概念，如圖2所示，強調導線Wire的電氣特性及相同網絡標號（NetLable）表示電氣性能相互連接。

如果感覺某學生的水平層次還行，可以進一步要求在最小系統圖的基礎上增加外圍電路，如在不同的P口處加入電機、喇叭、LED等等。

不同的學校采用的單片機芯片可能不同，需要新建一個對應相關的芯片的集成庫，集成庫的后綴名為.Intlib，集成庫所需要的源文件包括：原理圖元器件庫文件、PCB封裝庫文件以及仿真模塊和完整性分析模塊等。生成新的集成庫文件的操作是先新建.LibPkg文件，再添加.Schlib和.Pcblib文件。一般單片機芯片都采用51類型的，大部分封裝為DIP40，一般在現有的封裝上進行修改這樣操作就比較方便。原理圖繪制完成后需要進行電氣檢查，生成網絡表，整個原理設計工作才算完成。

2.PCB設計

對于單片機最小系統PCB設計，學生需要達到按照項目任務分解的能力目標。

首先是規劃PCB的尺寸，實際上就是定義PCB的機械輪廓和電氣輪廓。機械輪廓定義在機械層上，指的是PCB板的物理外形和尺寸。電氣輪廓定義在禁止布線層上，指的是PCB板上放置元件和布線的范圍。具體操作就不再贅述。

接著就是載入網絡表，只要原理圖繪制正確，封裝成功，一般沒有什么問題。

對于PCB設計，布局和布線是最為關鍵的一步。對于同一功能塊的元件應該盡量放置在一起。體積大、重量重的元件宜根據板子的承受能力確定擺放位置。發熱元件應遠離關鍵芯片等，時鐘電路應遠離輸入信號等敏感電路。

實際布局過程中，可指導學生按照信號的流程各個安排不同功能電路單元，以功能電路的核心元件為中心進行布局，盡量減小和縮短元件之間的引線和連接。元件的布局應遵照信號的流通，使信號盡可能保持一致的方向。多數情況下，信號的流向安排為從左到右或從上到下，與輸入、輸出端直接相連的元件應當放在靠近輸入、輸出接插件或連接器的附近。

布線一般采用自動布線方法，線寬一般設置在10Mil，電源和較大電路的地線位20Mil。布線在元器件多的情況下偶爾不能成功，或者布線彎繞很遠，明顯有問題。這個時候需要老師對學生進行走線拓撲方面的指導，對于布線交叉的位置多采用“鉆”、“繞”的方法，特別是在大體積元件的引腳之間擺放元件，往往有奇效。

補淚滴、覆銅等方面知識也是需要了解的。最后繪制的PCB圖如圖3所示。

3.PCB板的制作

PCB板的制作一般采用人工腐蝕的方法，用的最多的是熱轉印法。將繪制好的電路板用熱轉印紙打印出來，然后經過熱轉印至PCB板、FeCl3溶液腐蝕電路板、電路板鉆孔、焊接和調試等幾個步驟，就可以制作一個完整的模擬叫聲電路板。制作時FeCl3溶液腐蝕性很大，需小心注意安全。

如果要進行裝配，老師可以弄好元器件清單并指導學生先檢查所有元器件質量，對照電路原理圖，在PCB板上根據絲印層標號進行焊接。裝配完畢后分段對各部分電路進行通電檢測然后進行總的測試。

三、結論

在本課程中采用項目教學法打破知識體系的局限，利用業界流行的AD軟件，采用理實一體化的教學模式。使學生在完成完整的典型工作任務的過程中，形成對整體課程的認識體驗，實現與崗位零距離接觸，利于學生系統掌握課程的知識和技能，取得更好的教學效果。

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