新工科背景下《PCB計算機輔助設計》教學模式探索

趙燕　王菊　張偉娟

【摘 要】針對新工科人才培養要求，從“PCB計算機輔助設計”課程的特點出發，提出基于新工科評價體系的“項目導向，任務驅動，理實一體”的教學模式，培養符合行業發展需求的工程實踐人才。實踐證明，該教學模式能夠激發學生的學習興趣，學生在學科競賽中PCB制作的廢板率顯著下降，很大程度上提升了學生的工程實踐應用能力。

【關鍵詞】新工科;PCB計算機輔助設計;項目導向;任務驅動;理實一體;工程實踐

中圖分類號： G642;TN702-4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）32-0046-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.32.018

Exploration on the Teaching Mode of PCB Computer Aided Design under the Background of New Engineering

ZHAO Yan WANG Ju ZHANG Wei-juan

（College of information science and technology，Yanching Institute of Technology，Sanhe Hebei 065201，China）

【Abstract】According to the requirements of the new engineering talent training， from the characteristics of the “PCB computer-aided design” course， the teaching model based on the new engineering evaluation system， “project-oriented， task-driven， and rational integration” is proposed to cultivate engineering practice talents that meet the development needs of the industry. Practice has proved that the teaching mode can stimulate students interest in learning， and the rate of PCB production in students academic competitions is significantly reduced， which greatly enhances students engineering practice and application ability.

【Key words】New engineering; PCB computer-aided design; Project-oriented; Task-driven; Rational and integrated; Engineering practice

0 引言

針對教育部提出的新工科人才培養要求，依托信息科學與技術學院教學改革、北京鋼鐵俠科技有限公司的機器人技術和行業資源教育平臺，從“PCB計算機輔助設計”課程的特點出發，提出基于新工科評價體系的“項目導向，任務驅動，理實一體”的教學模式[1]，培養符合行業發展需求的工程實踐人才。針對行業所應具備的崗位技能要求，設計實訓項目案例。以實訓項目為依據劃分教學內容組織教學，重點培養學生的工程實踐應用能力。

實訓項目圍繞學科競賽及企業需求進行組織，為了使課程教學更契合企業的用人需求，到北京鋼鐵俠科技有限公司去搜集教學案例，將原理圖設計、原理圖庫的創建及庫元件的繪制、PCB元件庫的創建及元件封裝的繪制以及PCB設計“四模塊”的內容以及繪圖技巧和注意事項融入萬年歷這一實際電路。通過繪制萬年歷的電路原理圖和PCB圖，使學生掌握Altium Designer軟件的整體操作流程、設計技巧和方法[2]。

1 原理圖設計

電路原理圖是進行PCB設計的依據，是保證PCB設計成功的首要條件。原理圖設計，首先新建工程，在工程下新建原理圖文件，并把該文件保存到新建的工程中。接下來繪制電路原理圖，首先根據圖的大小設置圖紙尺寸，之后放置電路元件。放置同一種元件時，如萬年歷電路中需要5個按鍵，在放置第一個按鍵時按Tab鍵，對按鍵的標號進行設置，如SW0，之后再放置按鍵時元件標號會自動累加為SW1、SW2、SW3、SW4。元件放置完畢，下一步即為導線繪制。繪制導線時，要將導線連接到元件的電氣連接端，出現紅色叉標記的位置即為元件的電氣連接端。除了通過在元件管腳之間繪制導線表示電氣連接之外，還可以通過放置網絡標號的方法來建立元件管腳之間的電氣連接，該方法可以避免元件之間復雜的導線連接，如單片機的P0.0-P0.7既要與LCD1602的DB0-DB7相連，還要與阻排RP的2-9引腳相連，此時即可采用網絡標號進行連接。單擊菜單欄中的按鈕即可放置網絡標號，需注意的是，網絡標號必須是成對出現的。電路原理圖中大部分元件要接電源和地，為了避免連線過多，也為了電路圖的整體美觀，一般在圖中放置多個電源和地的符號。繪制完成的萬年歷電路如圖1所示。

圖1 萬年歷電路

2 原理圖庫的創建及庫元件的繪制

Altium Designer軟件自帶原理圖庫，庫中有一些基本的常用元件，如電阻、電容等，這些元件在繪制電路原理圖時可直接使用，但對于庫中沒有的元件就需要自己繪制。教學案例萬年歷電路中的液晶顯示器、溫度傳感器等元件就需要自己繪制。首先新建一個原理圖庫，并把該原理圖庫添加到繪制原理圖前新建的工程中。在該庫中包含一個名為Component_1的元件，打開“SCH Library（SCH元件庫）”面板可以看到，雙擊該元件名稱，可以為該庫元件重命名。接下來繪制庫元件，在此重點介紹放置元件引腳的技巧及注意事項。對于含有40個引腳的單片機STC89C52，放置引腳時按Tab鍵，在管腳屬性對話框中對引腳的標號進行編輯，在“標識”欄輸入1，單擊鼠標左鍵就可以將該引腳放置到圖紙上，此時連續放置引腳時，引腳號按順序排列，采用該方法可以避免多放引腳。放置引腳時特別注意，有電氣捕捉標志即帶四個點的一端朝外，按空格鍵可以翻轉引腳。由于引腳較多，逐一單擊各引腳編輯屬性太煩瑣，所以對引腳屬性進行統一編輯。在SCH Library工作面板中雙擊元件名稱，在彈出的庫元件屬性對話框中單擊左下角的Edit Pins，彈出元件管腳編輯器，在名稱列依次對各元件的引腳進行編輯[3]。庫元件繪制完成單擊SCH Library工作面板中的“放置”按鈕，即可將其放置到電路原理圖中。

3 PCB元件庫的創建及元件封裝的繪制

原理圖繪制完成，接下來要對元件進行封裝，Altium Designer軟件自帶PCB元件庫，庫中包含一些基本元件的封裝，但對于一些特殊元件的封裝還需要自己繪制。在繪制PCB元件封裝前，首先新建PCB元件庫，之后把該庫添加到繪制原理圖前新建的工程中。之后確定元件的封裝信息，若沒有相應的信息，一般采用游標卡尺對實際元器件進行測量，以確保元件封裝信息的準確性。需要注意，繪制元件封裝之前先放置一個參考點，一般把第1個引腳放置到參考點的位置，這樣可避免導入到PCB圖中的元件不能正常移動，這是初學者容易忽略的一個問題。在繪制元件封裝時，在英文模式下按Ctrl+Q鍵，可實現測量長度單位mil與mm的切換。對于直插件，焊盤孔徑要大于實際元件引腳直徑0.1mm，這樣焊接時方便元件的安裝;對于貼裝元件，焊盤長度要大于實際引腳0.5mm，方便焊接。元件封裝繪制完成即可使用。在原理圖中雙擊元件，在彈出的原理圖元件屬性對話框右下角的“Models模型”列表框中，單擊“Add”按鈕，選擇“Footprint”，即可為該元件添加PCB封裝模型。

4 PCB設計

原理圖元件封裝添加完畢，之后開始PCB設計，PCB設計是整個項目設計的核心環節，重點包括元件布局和布線兩部分內容，合理的布局不僅給布線帶來方便，還可提高PCB的電氣性能。布局首先以電路圖為依據，盡可能將相連的元件放在一起，IC之間要留有足夠的空間，避免給后續的布線帶來不必要的麻煩。一些位置固定的元件要先擺放，如開關、顯示器等，放置好后進行鎖定，可避免不經意的移動。單片機時鐘電路中晶振、電容盡可能靠近單片機，以防干擾。對于一些接口要放置到板子的邊緣，以方便連接。布線時，一般選擇手動布線方式，先布重要的信號網絡和電源網絡，信號線要盡量短以防干擾;電源線一般要加寬，先布線將為后續帶來便利。布線一般用大于90度的折線，避免走直角，以防板變形后斷線。最后進行覆銅處理，一般把覆的銅與地相連，所以覆銅也叫作鋪地，屏蔽信號，增加導電性。設計完成的萬年歷PCB為雙面板，如圖2所示。

5 結束語

實踐教學證明，基于新工科評價體系的“項目導向，任務驅動，理實一體”的教學模式，能夠較好地激發學生的學習興趣，為學生學科競賽中PCB的制作提供了一些實際的經驗和技巧，也為學生日后從事相關工作奠定了一定的基礎，契合了我校以培養應用型人才為宗旨的辦學定位。

【參考文獻】

[1]劉明志.新工科背景下物聯網工程專業《計算機輔助電路設計》教學模式探究[J].福建電腦，2018（11）：79-80，93.

[2]蘇玉香，葉繼英.基于工程項目式的計算機輔助設計課程教學與實踐改革[J].科技視界，2014（35）：13，30.

[3]李瑞，耿立明.Altium Designer 14電路設計與仿真從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2014.