新工科背景下《PCB計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)》教學(xué)模式探索

趙燕　王菊　張偉娟

【摘 要】針對(duì)新工科人才培養(yǎng)要求，從“PCB計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)”課程的特點(diǎn)出發(fā)，提出基于新工科評(píng)價(jià)體系的“項(xiàng)目導(dǎo)向，任務(wù)驅(qū)動(dòng)，理實(shí)一體”的教學(xué)模式，培養(yǎng)符合行業(yè)發(fā)展需求的工程實(shí)踐人才。實(shí)踐證明，該教學(xué)模式能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生在學(xué)科競(jìng)賽中PCB制作的廢板率顯著下降，很大程度上提升了學(xué)生的工程實(shí)踐應(yīng)用能力。

【關(guān)鍵詞】新工科;PCB計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì);項(xiàng)目導(dǎo)向;任務(wù)驅(qū)動(dòng);理實(shí)一體;工程實(shí)踐

中圖分類號(hào)： G642;TN702-4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(duì)教育部提出的新工科人才培養(yǎng)要求，依托信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教學(xué)改革、北京鋼鐵俠科技有限公司的機(jī)器人技術(shù)和行業(yè)資源教育平臺(tái)，從“PCB計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)”課程的特點(diǎn)出發(fā)，提出基于新工科評(píng)價(jià)體系的“項(xiàng)目導(dǎo)向，任務(wù)驅(qū)動(dòng)，理實(shí)一體”的教學(xué)模式[1]，培養(yǎng)符合行業(yè)發(fā)展需求的工程實(shí)踐人才。針對(duì)行業(yè)所應(yīng)具備的崗位技能要求，設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目案例。以實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目為依據(jù)劃分教學(xué)內(nèi)容組織教學(xué)，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐應(yīng)用能力。

實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目圍繞學(xué)科競(jìng)賽及企業(yè)需求進(jìn)行組織，為了使課程教學(xué)更契合企業(yè)的用人需求，到北京鋼鐵俠科技有限公司去搜集教學(xué)案例，將原理圖設(shè)計(jì)、原理圖庫(kù)的創(chuàng)建及庫(kù)元件的繪制、PCB元件庫(kù)的創(chuàng)建及元件封裝的繪制以及PCB設(shè)計(jì)“四模塊”的內(nèi)容以及繪圖技巧和注意事項(xiàng)融入萬(wàn)年歷這一實(shí)際電路。通過繪制萬(wàn)年歷的電路原理圖和PCB圖，使學(xué)生掌握Altium Designer軟件的整體操作流程、設(shè)計(jì)技巧和方法[2]。

1 原理圖設(shè)計(jì)

電路原理圖是進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)的依據(jù)，是保證PCB設(shè)計(jì)成功的首要條件。原理圖設(shè)計(jì)，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(lái)繪制電路原理圖，首先根據(jù)圖的大小設(shè)置圖紙尺寸，之后放置電路元件。放置同一種元件時(shí)，如萬(wàn)年歷電路中需要5個(gè)按鍵，在放置第一個(gè)按鍵時(shí)按Tab鍵，對(duì)按鍵的標(biāo)號(hào)進(jìn)行設(shè)置，如SW0，之后再放置按鍵時(shí)元件標(biāo)號(hào)會(huì)自動(dòng)累加為SW1、SW2、SW3、SW4。元件放置完畢，下一步即為導(dǎo)線繪制。繪制導(dǎo)線時(shí)，要將導(dǎo)線連接到元件的電氣連接端，出現(xiàn)紅色叉標(biāo)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(dǎo)線表示電氣連接之外，還可以通過放置網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)的方法來(lái)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(fù)雜的導(dǎo)線連接，如單片機(jī)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(shí)即可采用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)進(jìn)行連接。單擊菜單欄中的按鈕即可放置網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)，需注意的是，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)必須是成對(duì)出現(xiàn)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(gè)電源和地的符號(hào)。繪制完成的萬(wàn)年歷電路如圖1所示。

圖1 萬(wàn)年歷電路

2 原理圖庫(kù)的創(chuàng)建及庫(kù)元件的繪制

Altium Designer軟件自帶原理圖庫(kù)，庫(kù)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(shí)可直接使用，但對(duì)于庫(kù)中沒有的元件就需要自己繪制。教學(xué)案例萬(wàn)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(gè)原理圖庫(kù)，并把該原理圖庫(kù)添加到繪制原理圖前新建的工程中。在該庫(kù)中包含一個(gè)名為Component_1的元件，打開“SCH Library（SCH元件庫(kù)）”面板可以看到，雙擊該元件名稱，可以為該庫(kù)元件重命名。接下來(lái)繪制庫(kù)元件，在此重點(diǎn)介紹放置元件引腳的技巧及注意事項(xiàng)。對(duì)于含有40個(gè)引腳的單片機(jī)STC89C52，放置引腳時(shí)按Tab鍵，在管腳屬性對(duì)話框中對(duì)引腳的標(biāo)號(hào)進(jìn)行編輯，在“標(biāo)識(shí)”欄輸入1，單擊鼠標(biāo)左鍵就可以將該引腳放置到圖紙上，此時(shí)連續(xù)放置引腳時(shí)，引腳號(hào)按順序排列，采用該方法可以避免多放引腳。放置引腳時(shí)特別注意，有電氣捕捉標(biāo)志即帶四個(gè)點(diǎn)的一端朝外，按空格鍵可以翻轉(zhuǎn)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(duì)引腳屬性進(jìn)行統(tǒng)一編輯。在SCH Library工作面板中雙擊元件名稱，在彈出的庫(kù)元件屬性對(duì)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(duì)各元件的引腳進(jìn)行編輯[3]。庫(kù)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(kù)的創(chuàng)建及元件封裝的繪制

原理圖繪制完成，接下來(lái)要對(duì)元件進(jìn)行封裝，Altium Designer軟件自帶PCB元件庫(kù)，庫(kù)中包含一些基本元件的封裝，但對(duì)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(kù)，之后把該庫(kù)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(yīng)的信息，一般采用游標(biāo)卡尺對(duì)實(shí)際元器件進(jìn)行測(cè)量，以確保元件封裝信息的準(zhǔn)確性。需要注意，繪制元件封裝之前先放置一個(gè)參考點(diǎn)，一般把第1個(gè)引腳放置到參考點(diǎn)的位置，這樣可避免導(dǎo)入到PCB圖中的元件不能正常移動(dòng)，這是初學(xué)者容易忽略的一個(gè)問題。在繪制元件封裝時(shí)，在英文模式下按Ctrl+Q鍵，可實(shí)現(xiàn)測(cè)量長(zhǎng)度單位mil與mm的切換。對(duì)于直插件，焊盤孔徑要大于實(shí)際元件引腳直徑0.1mm，這樣焊接時(shí)方便元件的安裝;對(duì)于貼裝元件，焊盤長(zhǎng)度要大于實(shí)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(duì)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(shè)計(jì)

原理圖元件封裝添加完畢，之后開始PCB設(shè)計(jì)，PCB設(shè)計(jì)是整個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)，重點(diǎn)包括元件布局和布線兩部分內(nèi)容，合理的布局不僅給布線帶來(lái)方便，還可提高PCB的電氣性能。布局首先以電路圖為依據(jù)，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(xù)的布線帶來(lái)不必要的麻煩。一些位置固定的元件要先擺放，如開關(guān)、顯示器等，放置好后進(jìn)行鎖定，可避免不經(jīng)意的移動(dòng)。單片機(jī)時(shí)鐘電路中晶振、電容盡可能靠近單片機(jī)，以防干擾。對(duì)于一些接口要放置到板子的邊緣，以方便連接。布線時(shí)，一般選擇手動(dòng)布線方式，先布重要的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)和電源網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)線要盡量短以防干擾;電源線一般要加寬，先布線將為后續(xù)帶來(lái)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(jìn)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(hào)，增加導(dǎo)電性。設(shè)計(jì)完成的萬(wàn)年歷PCB為雙面板，如圖2所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐教學(xué)證明，基于新工科評(píng)價(jià)體系的“項(xiàng)目導(dǎo)向，任務(wù)驅(qū)動(dòng)，理實(shí)一體”的教學(xué)模式，能夠較好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽中PCB的制作提供了一些實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)和技巧，也為學(xué)生日后從事相關(guān)工作奠定了一定的基礎(chǔ)，契合了我校以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為宗旨的辦學(xué)定位。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉明志.新工科背景下物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)《計(jì)算機(jī)輔助電路設(shè)計(jì)》教學(xué)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(xiàng)目式的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)課程教學(xué)與實(shí)踐改革[J].科技視界，2014（35）：13，30.

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