KiCAD軟件在《汽車電器課程設計》中的應用

蔣彥，謝靜，田紅艷，蔣碧如

（1.南華大學電氣工程學院，湖南衡陽，421001；2.南華大學機械工程學院，湖南衡陽，421001）

《汽車電器課程設計》是車輛工程專業(yè)教學計劃的一個中間環(huán)節(jié)，是學生學習完《汽車電器與電子技術》等理論課程的理論知識之后進行實踐應用能力培養(yǎng)的一個過程，不僅要求學生掌握汽車電器設備的結(jié)構(gòu)原理及其特性，而且要求掌握汽車電器系統(tǒng)在設計、生產(chǎn)、安裝及使用中的技術問題，以適應汽車電器與電子技術發(fā)展的要求，為今后工作打好基礎。

近年來，我校嘗試在車輛工程等非電類專業(yè)中的《汽車電器課程設計》教學中引入EDA技術進行應用訓練，這對于增強車輛工程專業(yè)學生的電路設計能力，提高實踐教學質(zhì)量，培養(yǎng)創(chuàng)新和實用人才具有重要的意義。

1 在《汽車電器課程設計》中引入EDA軟件的必要性

《汽車電器課程設計》屬于實踐教學環(huán)節(jié)，要給學生充分發(fā)揮動手能力的實踐空間，由于課程設計周期短(一般兩周時間)，且車輛工程專業(yè)的學生前修的電路課程偏少，更缺乏實際設計經(jīng)驗，設計過程中感覺困惑的地方很難及時解決，會極大的打擊學生的創(chuàng)作積極性，導致實際效果并不是太好。引入EDA軟件之后，通過計算機強大的輔助設計能力，可以大大提高電路設計的效率和準確性，極大提高學生的學習興趣和實踐教學的教學效果。

2 KiCAD簡介[1]

KiCAD是一個跨平臺的開源EDA軟件套件，用于電路原理圖和印刷電路板(PCB)設計，遵循GNU GPL v3開源協(xié)議，可運行在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)團隊維護。

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]

原理圖設計：KiCAD具有高效設計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。提供PDF、SVG、HPGL、DXF、Postscript等導出格式。

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。

導出網(wǎng)表：可導出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行擴展生成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設計：KiCAD可開發(fā)和維護復雜的電路板。KiCAD對電路板的大小不做限制，可以設計多達32個銅層、14個技術層和4個輔助層的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：當繪制的布線與PCB上的其他項目相沖突，可通過推擠或繞走實現(xiàn)快速有效的布線，以保證電氣設計規(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)整高頻電路設計的走線長度。

3D視圖：在設計PCB時，通過交互式3D視圖旋轉(zhuǎn)和平移PCB，可以比2D視圖顯示更多細節(jié)。

4 設計實例

電路設計的一般步驟是：明確設計任務要求，方案選擇，單元電路設計、參數(shù)計算和器件選擇，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。在整個課程設計中，要求學生獨立完成絕大部分的設計工作，關鍵是掌握電路的設計思想和設計流程。

以《汽車電器課程設計》中的“混合動力汽車電池箱體進風口溫度檢測”為例[2]，系統(tǒng)硬件由DS18B20數(shù)字溫度傳感器、STC89C52單片機、1602液晶顯示、PL2303串口轉(zhuǎn)USB及計算機組成。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，單片機對溫度信號進行采集和處理，并在液晶上顯示檢測溫度，同時利用串口轉(zhuǎn)USB接口芯片，通過USB接口將數(shù)據(jù)送給計算機，計算機通過LabVIEW軟件接收數(shù)據(jù)進行處理并顯示結(jié)果。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

運用KiCAD軟件進行電路原理圖和PCB這兩部分的設計，借助KiCAD的幫助文檔手冊，學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。具體實現(xiàn)過程概述如下：

(1)繪制原理圖：啟動KiCAD軟件，創(chuàng)建一個新項目，打開原理圖編輯器Eeschema并進行圖框設置，放置元器件(KiCAD提供了大量的庫和器件，可在篩選框中進行搜索過濾)，改變元器件的位置及旋轉(zhuǎn)角度，設置元器件的屬性，重復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)，直至無錯誤則原理圖繪制完畢。

(2)繪制PCB：進行PCB設計前，需要對每個元器件的封裝進行分配，可以在繪制原理圖時通過設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行集中分配。在上述工程中，打開PCB編輯器，先進行圖框設置和電路板設計規(guī)則設置，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)行設計規(guī)則檢查(DRC)，直至無錯誤則PCB繪制完畢。通過3D查看器可以3D視圖觀察電路板。

選取一位同學的設計如圖2、圖3所示。作為車輛工程專業(yè)的學生，第一次接觸電路設計，在較短的時間內(nèi)完成了原理圖和PCB的繪制并實現(xiàn)了所需要的功能，實屬不易，盡管不是很完美，但以后繼續(xù)加以訓練，必然會達到更好的效果。

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)印法進行腐蝕工藝制做。(2)利用PCB雕刻機進行雕刻。(3)送到PCB板加工廠制做。綜合考慮，本課程設計采用了第三種方法進行制做，由同學們自行把PCB文件發(fā)送給工廠加工。PCB制作好以后，在教師的指導下，學生逐步完成電路板的焊接和調(diào)試。在這個過程中，注意對學生實際動手能力的訓練，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。課程設計中的軟件設計部分，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《汽車電器課程設計》中，讓非電類學生掌握了電路系統(tǒng)設計的一般方法和設計流程，熟悉了汽車電子產(chǎn)品設計過程中計算機輔助設計工具KiCAD及其使用方法，實現(xiàn)了實驗教學內(nèi)容和手段的創(chuàng)新。通過KiCAD進行電路圖設計的訓練，結(jié)合單片機C程序和上位機LabVIEW程序的開發(fā)調(diào)試，使《汽車電器課程設計》的教學拓寬了傳統(tǒng)的教學范圍，更接近工程實踐，學生對汽車電子產(chǎn)品開發(fā)、制作和調(diào)試的整個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》課程中相關的理論知識。

在今后的教學實踐中，要繼續(xù)總結(jié)經(jīng)驗，開發(fā)新的設計內(nèi)容，力求使以KiCAD為代表的EDA技術的應用訓練與《汽車電器課程設計》的具體內(nèi)容有機結(jié)合，為車輛工程等非電類學生在本科學習期間電路設計能力的培養(yǎng)打下堅實的基礎[3]。