立創(chuàng)EDA在高校電子類創(chuàng)新實驗室的應(yīng)用

葉成彬， 陳賢鈺， 陳凌峰

(廣州城市理工學(xué)院，電氣工程學(xué)院，廣東，廣州 510800)

0 引言

印刷電路板(PCB)設(shè)計是高校電子類創(chuàng)新實驗室基礎(chǔ)培訓(xùn)項目之一，目前國內(nèi)電路板設(shè)計行業(yè)主流軟件主要有Altium Designer、PADS Layout、Candence SPB 3種，其中AltiumDesigner軟件易于上手在教育行業(yè)應(yīng)用比較廣泛，其已成為部分高等院校電類專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課程[1-2]，而PADS Layout和Candence SPB軟件使用難度稍大，適合更為專業(yè)的人員使用，因此這兩款軟件是國內(nèi)一些中小型電子產(chǎn)品開發(fā)企業(yè)首選軟件[3-5]。立創(chuàng)EDA是2017年推向市場的一款集網(wǎng)頁和客戶端的在線設(shè)計、在線仿真、項目管理、PCB定制、項目開源社區(qū)等功能的國產(chǎn)EDA軟件，在教育行業(yè)、中小型企業(yè)以及個人制作得到廣泛的應(yīng)用[6-7]。

1 立創(chuàng)EDA簡介

立創(chuàng)EDA是一款由立創(chuàng)商城自主開發(fā)的國產(chǎn)EDA工具，用戶可隨時、隨地、隨設(shè)備在瀏覽器登錄網(wǎng)頁即可進入EDA設(shè)計界面，選用平臺提供或個人元件庫里的電子元器件符號和封裝文件進行電路原理圖和PCB圖設(shè)計，設(shè)計過程文件實時保存到云端服務(wù)器，在線創(chuàng)建團隊，邀請項目成員協(xié)同設(shè)計工程等[8]。同時用戶可在本地計算機安裝立創(chuàng)EDA客戶端，該客戶端默認(rèn)為協(xié)作版即工程文件存放到云端服務(wù)器，可設(shè)置為工程離線版將工程文件保存在本地計算機，庫文件保存在云端服務(wù)器。

1.1 豐富的元件庫

在標(biāo)準(zhǔn)模式設(shè)計環(huán)境下，立創(chuàng)EDA平臺為用戶提供常見電子元器件的基礎(chǔ)符號庫、原理圖庫、PCB封裝庫、仿真符號庫、原理圖模塊、PCB模塊和PCB 3D庫。除了基礎(chǔ)符號庫之外，用戶在其它庫搜索相關(guān)元器件文件時均可通過用戶個人庫、立創(chuàng)商城、嘉立創(chuàng)貼片、EDA系統(tǒng)庫、關(guān)注的用戶和其它用戶分享渠道進行篩選。以線性穩(wěn)壓芯片LM317T為例，在元件庫進行搜索該芯片元件符號結(jié)果如圖1所示，從中可得知該芯片在各類渠道數(shù)量、零件名稱、封裝名稱、制造商、銷售價格、原廠提供的用戶手冊等信息。

圖1 元件庫搜索LM317T元器件符號結(jié)果

立創(chuàng)EDA允許用戶創(chuàng)建個人原理圖庫、PCB封裝庫、PCB 3D庫和導(dǎo)入AltiumDesigner軟件的庫文件，由于電子設(shè)計行業(yè)缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，許多電子工程師對各類庫文件命名五花八門，特別是初學(xué)者更是按照自己喜好進行命名，導(dǎo)致自身對專業(yè)認(rèn)知不夠，因此立創(chuàng)EDA編輯了元件封裝命名參考規(guī)范手冊供用戶使用，部分命名規(guī)范內(nèi)容如圖2所示。

圖2 元件封裝命名參考規(guī)范手冊部分內(nèi)容

1.2 團隊/班級創(chuàng)建和管理

立創(chuàng)EDA個人版本僅有個人工作臺，能提供強大的團隊管理功能，創(chuàng)建者創(chuàng)建一個團隊后可通過搜索用戶名稱、鏈接邀請和郵箱邀請3種方式加入團隊成員，同時可對成員設(shè)置相應(yīng)的角色以授予團隊工程項目權(quán)限，實現(xiàn)多人共同設(shè)計同一工程，做到分工協(xié)作，提高工程設(shè)計效率，團隊成員添加方式如圖3所示。

圖3 立創(chuàng)EDA個人版團隊成員添加方式

團隊管理中成員角色及權(quán)限，可分為以下幾種。

(1)所有者：個人工程的所有者，對工程有全部的操作權(quán)限。

(2)管理者：擁有工程文檔、設(shè)置和工程成員的操作權(quán)限。

(3)開發(fā)者：擁有工程文檔，附件創(chuàng)建編輯權(quán)限。

(4)成員：擁有對工程文檔，附件查看權(quán)限。

立創(chuàng)EDA教育版同時擁有個人版工作平臺和學(xué)校組織平臺，兩者之間可自由切換，教師在學(xué)校組織的工作臺里面可分別創(chuàng)建和管理多個班級，通過班內(nèi)發(fā)布設(shè)計工程描述、任務(wù)文檔、附件文件等資料，學(xué)生在班里新建工程，查看班里所有學(xué)生的工程詳情(原理圖和PCB)和操作日志，實時掌握學(xué)生工程設(shè)計進度。

1.3 開源資源

立創(chuàng)EDA默認(rèn)為協(xié)作模式，用戶創(chuàng)建的工程可設(shè)置為私有或公有，私有則僅團隊成員可見和編輯，公有則表示向平臺所有用戶進行開源，任何人可見且能進行拷貝編輯。該平臺所有用戶創(chuàng)建的原理圖庫和PCB庫均為開源，因此用戶間可互相借鑒或使用對方元件庫。

立創(chuàng)EDA關(guān)聯(lián)的立創(chuàng)開源硬件平臺(OShowHub)如圖4所示。該平臺開源渠道分有官方認(rèn)證開源和技術(shù)達人開源2大類，開源的工程需有作品功能描述、樣品實物圖、樣品演示視頻、原理圖、PCB、程序代碼、元器件清單(BOM)等。立創(chuàng)EDA用戶對開源工程的相關(guān)資料擁有最高權(quán)限，原理圖和PCB等設(shè)計文檔支持一鍵關(guān)聯(lián)到立創(chuàng)EDA中打開，可在評論區(qū)與作者交流設(shè)計心得等。

圖4 立創(chuàng)開源硬件平臺(OShowHub)

2 立創(chuàng)EDA應(yīng)用培訓(xùn)

某高校電工電子創(chuàng)新實驗室每年向新招大一、大二成員普及部分電子設(shè)計基礎(chǔ)知識，以承擔(dān)后期科研工作任務(wù)或相關(guān)學(xué)術(shù)競賽，在寒假期間組織新招成員開展為期兩周的PCB培訓(xùn)，培訓(xùn)內(nèi)容涵括電子元器件焊接技術(shù)、電子元器件識別、立創(chuàng)EDA繪制作品原理圖和PCB以及作品焊接測試等。

2.1 培訓(xùn)目的

(1)熟悉一般電子元器件概念、分立與集成分類、直插式與表貼式封裝識別。

(2)熟悉常規(guī)直插式與表貼式電阻、電容、電感以及二極管等元器件分類、標(biāo)稱值讀取、測量、查找查看原廠技術(shù)手冊等。

(3)了解電子類設(shè)計電路板設(shè)計流程：提出需求和功能→繪制元器件原理圖庫和封裝庫→繪制原理圖→繪制PCB(設(shè)定電路板邊框、布局、布線等)→導(dǎo)出電路板用于生產(chǎn)制造的Gerber文件和坐標(biāo)文件→外發(fā)企業(yè)生產(chǎn)制造。

(4)熟練使用立創(chuàng)EDA設(shè)計電路板、掌握電路板焊接技巧、整板測試能力等。

2.2 電路板設(shè)計培訓(xùn)內(nèi)容

(1)組建培訓(xùn)團隊

在立創(chuàng)EDA教育版學(xué)校組織平臺創(chuàng)建PCB培訓(xùn)團隊，將添加成員邀請鏈接或二維碼發(fā)送給學(xué)生，學(xué)生自行接受成員添加邀請，教師在立創(chuàng)EDA后臺管理審核通過，即可完成團隊組建，同時可設(shè)置團隊成員為普通成員或管理者角色，以授予相應(yīng)的權(quán)限。

(2)繪制元器件原理圖庫和PCB庫

立創(chuàng)EDA元件庫提供了囊括市場上大部分電子元器件的原理圖庫和PCB庫，種類齊全，如選擇立創(chuàng)商場提供的元件庫設(shè)計資料繪制原理圖，則可點擊立創(chuàng)EDA原理圖菜單的BOM(元器件清單)調(diào)轉(zhuǎn)至立創(chuàng)商場BOM智能配單系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中可查詢相應(yīng)元器件在立創(chuàng)商場的庫存或購買。

雖然電路板培訓(xùn)課程中所需元器件均能在立創(chuàng)EDA元件庫中找到較為規(guī)范的元器件符號和封裝，但是作為新手學(xué)習(xí)電路板設(shè)計還需通過自行繪制元器件符號和封裝來深入了解一些常用的電子元器件特性。以線性穩(wěn)壓芯片LM317T為例，學(xué)生通過立創(chuàng)EDA元件庫搜索LM317T在立創(chuàng)商場庫存并點擊查看規(guī)格書選項來下載和閱覽制造商提供的用戶手冊，以了解該電子元器件特征、引腳順序、引腳名稱、直插式和表貼式封裝名稱、典型應(yīng)用電路、封裝尺寸圖、制造商等專業(yè)知識，培養(yǎng)學(xué)生查找和查看專業(yè)文檔習(xí)慣[9]。

(3)繪制原理圖和PCB

電工電子創(chuàng)新實驗室電路板設(shè)計主要以繪制呼吸燈和基于STC15W單片機最小系統(tǒng)2個作品的原理圖和PCB為主，從易到難，從模仿到自主創(chuàng)新。以繪制呼吸燈原理圖為例，學(xué)生根據(jù)原理圖所需元器件在個人庫預(yù)先繪制好的原理圖庫查找調(diào)取相應(yīng)元器件符號放置于圖紙中，再通過編輯元器件符號名稱、編號、添加合適的封裝、連接導(dǎo)線以及放置網(wǎng)絡(luò)標(biāo)簽等完成作品原理圖的繪制，呼吸燈部分原理圖如圖5所示。

圖5 呼吸燈部分原理圖

在完成呼吸燈原理圖工作之后，通過點選“更新PCB”將原理圖中的元器件之間電氣連接關(guān)系以及元器件封裝導(dǎo)入到PCB圖紙，設(shè)置PCB圖紙走線線寬、元器件封裝之間間距、過孔內(nèi)外徑尺寸等設(shè)計規(guī)則，設(shè)定呼吸燈電路板物理邊框尺寸等。可通過原理圖中的“布局傳遞”功能將原理圖中的元器件位置布局相對應(yīng)地傳遞到PCB中元器件封裝位置布局，以提高設(shè)計者擺放元器件封裝位置的效率。可視化的PCB層與元素懸浮窗，方便初學(xué)者理解當(dāng)前編輯設(shè)計層及其意義，層與元素懸浮窗如圖6所示。呼吸燈PCB元器件部分?jǐn)[放造型如圖7所示。

圖6 層與元素懸浮窗

a)閃電造型呼吸燈

(4)熟悉PCB制造工藝

PCB板在制造生產(chǎn)下單中需對PCB工藝進行選擇，如板子厚度、阻焊顏色、字符顏色、阻焊覆蓋類型、焊盤噴鍍工藝、銅厚等，熟悉PCB下單生產(chǎn)工藝信息也是繪制PCB設(shè)計工程師必備基礎(chǔ)知識，PCB下單生產(chǎn)工藝信息如圖8所示。同樣地，每家PCB制造商加工工藝要求略有不同，PCB設(shè)計工程師在工程設(shè)計之前必須熟悉目標(biāo)生產(chǎn)廠商PCB工藝相關(guān)參數(shù)，如PCB加工層數(shù)、板材類型、最大生產(chǎn)尺寸、PCB成品內(nèi)外層銅厚、鉆孔孔徑范圍、最小線寬值等[10]。因此在日常的電路板設(shè)計培訓(xùn)中，不僅教授學(xué)生專業(yè)的PCB設(shè)計技術(shù)，還需增強學(xué)習(xí)實際生產(chǎn)加工能力、用戶使用體驗等方面知識能力，從而不斷優(yōu)化PCB設(shè)計。

圖8 PCB工藝信息

3 總結(jié)

作為一款具有團隊管理、設(shè)計資源共享、工程文檔權(quán)限分配、線上服務(wù)器保存等功能的國產(chǎn)EDA軟件，在日常教育培訓(xùn)中不僅優(yōu)化了項目管理方式，還增強了學(xué)生之間技術(shù)交流和分享知識的意識。同時立創(chuàng)EDA融入電子元器件采購系統(tǒng)和PCB生產(chǎn)制造、加工焊接系統(tǒng)，更好地將項目“需求”“設(shè)計”“采購”“生產(chǎn)制造”“焊接”這一設(shè)計流程銜接起來[11]，讓學(xué)生從單一的電路板設(shè)計逐漸向完整的產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)制造流程體系進階，從而提高學(xué)生工程能力和實踐水平。