可持續開發利用的PCB實踐課程設計

杜會靜，孫彥龍，郭得峰

(燕山大學 a.理學院；b.電氣工程學院，河北 秦皇島 066004)

可持續開發利用的PCB實踐課程設計

杜會靜a，孫彥龍b，郭得峰a

(燕山大學 a.理學院；b.電氣工程學院，河北 秦皇島 066004)

以燕山大學電子信息科學與技術專業的PCB課程設計實踐教學環節為例，介紹了近年來該專業通過以單片機最小系統為載體的PCB電路板設計，將學生自主設計開發出的電路板帶入下一級實踐環節，充分發揮和擴展每一級實物設計的功能，實現了PCB設計電路板的可持續開發利用，提高了實踐教學經費的綜合利用效率，使學生的實踐活動由被動的模仿式學習轉變為主動的創新性實踐。

印刷線路板； 單片機； 實踐教學； 電子綜合實訓

0 引 言

印刷線路板(Printed Circuit Board，PCB)是電子元器件的支撐體和電氣連接的載體。電子產品的焊接是電子產品制作過程中重要的一環，一名合格的電子工程師如果想開發出一款工藝簡單，器件封裝合適的產品，必須要了解焊接的全過程，尤其是現代貼片焊接技術的全過程。因此很多高校將PCB電路設計設為電子類相關專業的一門重要的專業技能課[1-4]。

傳統的PCB課程設計存在2個主要問題：①該環節往往先以軟件學習進行電路的EDA設計開始[5]，由于學生與實際電路接觸不多，學生很難將抽象的電路符號與實際的電子元器件聯系在一起，影響了PCB設計的預期效果；②PCB設計環節開發的電路板，往往只是為本環節服務，與其他課程設計之間沒有關聯，造成設計項目完成之時，也是所設計的實物變成電子垃圾的時候。這些電子垃圾，既浪費了寶貴的資源，對環境也造成一定的影響[6-8]。

如何在最大程度的達到PCB課程設計的對學生創新實踐能力的培養效果，使該階段開發的電路板實物能夠在今后的其他實踐課程環節持續性的利用，實現資源高效利用，是高等學校亟待研究解決的問題[9-11]。

本文以我校電子信息科學與技術專業的PCB課程設計實踐教學環節為例，介紹了近年來該專業通過可持續開發利用的PCB電路板設計，將學生自主設計開發出的電路板帶入下一級實踐環節，充分發揮和擴展每一級實物設計的功能，減少了以實物設計為載體的實踐教學成本，實現了實踐教學經費的合理支配，使學生由被動的模仿式學習轉變為主動的創新性實踐，收到了良好的實踐效果。

1 可持續開發利用的PCB實踐課程設計

電子工程師幾乎離不開PCB相關技術，許多大型電子類企業在人才招聘時也明確要求會熟練使用PCB設計相關軟件和技術。在我校的電子信息科學與技術專業的教學計劃中，將PCB電路設計與焊接設置成了學生的一門必修的專業基礎實踐課，時長為3周。

電子工程師完成PCB電路設計過程是先利用EDA軟件進行電路版的繪制，然后再進行焊接和調試。但是對于沒有接觸過電路板實踐的學生來說，這個電路板繪制的過程又會猶如理論課程一樣枯燥無味。因此該階段的設計，先由教師根據自己多年的經驗及教學心得，按照循序漸進式的電路板設計理念，給出電路板的主體架構，然后進行電路板各部分功能講解、焊接，然后再進行電路板的繪制與仿真。這樣的PCB設計流程，可以讓學生在EDA軟件學習過程中，將一些抽象畫的電路符號轉化為形象的電路模塊，非常方便的幫助學生理解和掌握。課程設計過程中，教師及時對各環節進行總結和關鍵提示，以便幫助學生快捷地掌握相關知識，緩解學時緊張的問題。整個設計過程由淺入深，各內容既相互獨立又前后關聯，既有詳細的理論學習又有大量的實踐內容。該部分內容分三個階段完成。

1.1電路板功能分析和電子元器件選擇

一款產品的電路板設計是從功能分析入手的，只有充分考慮未來的需求功能，才能設計出一塊性價比高、利用率高、開發空間大的電路板，這一部分是整個電路板設計的靈魂。我專業所設計的開發板的設計充分考慮了成本與功能這兩個矛盾面，再結合循序漸進的實踐體系的設計要求，綜合考慮STM32高性能、低成本、低功耗的特點，最終設計出基于STM32單片機的多功能開發板(后面以STM32-EVM代替)[12-13]，該板具有4方面特點：①小巧，整個板子尺寸為10 cm×10 cm；②靈活，板上除晶振外的所有的 IO 口全部引出，可以極大的方便學生在后續課程設計以及課外科技活動中擴展及使用；③簡單，板載獨特的一鍵下載功能，直接在電腦上一鍵下載；④資源豐富，板載10多種外設及接口，可以充分挖掘 STM32 的潛質。

STM32-EVM主要有STM32單片機最小系統、串口下載及通信模塊、外設模塊及電源模塊構成。各模塊的電路圖分別如圖1～4所示。其中STM32單片機最小系統，主要是實現單片機的的正常運行，主要包括了STM32單片機、外部時鐘電路、RTC時鐘電路、復位電路、I/O排針。

圖1 串口下載及通信模塊電路圖

STM32-EVM選擇的是 STM32F103RCT6 作為 MCU，相對于51單片機，它擁有豐富的外設資，源包括： 48KB SRAM、 256KB FLASH、 2個基本定時器、 4個通用定時器、 2個高級定時器、2個DMA 控制器(共12個通道)、 3個SPI、 2個IIC、 5個串口、 1個USB、 1個CAN、 3個12 位 ADC、 1個12 位 DAC、 1個 SDIO 接口及 51個通用 IO 口。可以節省大量采購外設模塊的資金。

串口下載及通信模塊：STM32-EVM板載了USB 轉串口芯片CH340，有了這個芯片，就可以實現USB 轉串口，下載代碼到單片機，實現與電腦的串口通信等功能。

外設模塊：STM32-EVM板載了8個LED燈，3個按鍵，直流電機驅動模塊，8路紅外檢測模塊。其中電機驅動模塊、紅外檢測模塊和外置的智能小車底盤可以讓學生完成智能小車的控制、紅外循跡和紅外避障功能，培養學生的綜合能力。

電源模塊：主要為開發板電路供電，該部分分為2部分，①為USB供電及電源轉換電路，主要是在該開發板單獨使用的時候使用；②為外置鋰電池供電及電源轉換電路，主要是在該開發板作為控制板，與智能小車底盤共同使用的時候使用。

圖2 電動機驅動模塊電路圖

圖3 8路的紅外檢測模塊電路圖

(a) 外置電池供電電路

(b) USB供電電路

1.2PCB焊接和調試

該部分主要是完成以下目的：a、實際接觸到PCB板，對電路板有直觀的認識；b、了解和掌握常用電子元器件的大小、形狀和封裝；c、了解和掌握電路板焊接的技能，其中包括元器件的貼片焊接和直插孔焊接，尤其對現代工業最常使用的貼片焊接的流程有清楚的認識；d、了解和掌握焊接工具的使用，比如鋼網、回流焊機、電烙鐵、熱吹風等；e、掌握電路板的測試過程和操作。學生根據圖5所示流程進行PCB設計和焊接操作。

圖5 PCB焊接和調試流程圖

1.3PCB板的繪制

經過PCB功能分析與焊接之后，學生對電路板設計有了初步的了解。接下來是EDA設計軟件Altium Designer15的學習。該軟件是主流的EDA設計軟件，可實現PCB設計與繪制。此過程，教師負責進行繪制方法演示、指導、規則檢查以及驗收。通過此過程，學生可以通過原理圖繪制和封裝設置，電氣法則測試、導入網絡表、設計繪制PCB圖，掌握 PCB工程及完整的電路圖建立的過程。圖6是學生自主焊接和繪制的PCB電路板圖。

1.4電路板的調試——單片機程序設計與開發基礎入門階段

該階段為了提升學生的成就感，必須讓學生自己焊接出的電路板工作起來，因此在完成電路板的設計后，結合單片機程序設計，完成電路板功能的進一步開發，引發學生的學習熱情，快速上手STM32。從 STM32 固件庫、新建工程、編譯和下載程序出發，學習STM32單片機的基礎功能和常用外設。通過流水燈和按鍵實驗掌握STM32的GPIO的原理和控制方法；通過中斷實驗，掌握EXTI外部中斷輸入方法；通過串口通信實驗掌握單片機和電腦的信息交互的方法。

2 PCB實踐課程設計產品的可持續開發利用

PCB實踐課程設計的電路板功能的進一步開發和價值提升，可在后續的單片機程序設計和電子綜合實訓環節等課程設計中逐漸發揮出來。想要成為一名合格的電子工程師，僅僅能夠進行硬件開發是不夠的，因此在完成電路板的繪制和焊接后，需要使用該電路板進一步開發。

圖6 焊接完成后的電路板及學生繪制的電路版圖

2.1單片機程序設計階段

由于前期PCB設計的是一個預留了很多外設接口的單片機最小系統，因此可以在電腦端使用移動的開發工具進行編程，并將程序寫入到單片機中，進而完成單片機程序設計，實現一定的功能開發[14-15]。本階段的課程設計，使用學生自制的基于STM32單片機的開發板，以C語言為基礎，以uVision5 IDE 集成開發環境作為開發工具，以調用方便用戶開發的STM32 固件庫橋梁。在本階段，學生主要完成以下內容：

(1) 高級功能擴展階段。該階段學生應掌握 STM32 的高級外設和常用的通信協議，通過使用 ADC和DAC實驗掌握信號采集和輸出的功能，通過器件DHT11、AT24C02、W25Q64掌握電子設計中常用單總線協議、IIC協議和SPI協議。

(2) 傳感器模塊學習階段。該階段利用自制開發板板載的10多種外設及接口，使學生了解和使用各種傳感器模塊，如紅外感應模塊、聲音檢測模塊等十幾款信息采集傳感器，如步進電動機、蜂鳴器模塊、繼電器模塊 等輸出執行傳感器，還有一些高級輔助模塊，如無線傳輸模塊NRF24L01，WiFi模塊ESP8266 ，三軸加速度/陀螺儀模塊MPU6050，液晶顯示模塊OLED12864等，為后續綜合性自主設計與開發打下基礎。

(3) 綜合性自主設計與開發階段。在學生掌握了基于STM32的軟件編程和常用傳感器模塊的使用的基礎上，進一步通過創新設計大賽充分發揮學生的主觀能動性，培養學生的創新性精神、團隊協作意識，及電子產品的設計開發能力。采用抽簽形式將學生進行分組，每組3人。小組根據現有的STM32開發板和傳感器模塊，在4天時間內完成：項目及創新點提出；作品原型制作、軟件開發、聯合調試、答辯。最終以比賽形式進行項目作品驗收。課設進行過程中，學生的參與性和主動性得到了充分發揮，創新實踐能力得到了很大的提高。在該階段涌現了大量的創新性題目，圖7給出了學生的設計作品之一：基于超聲波檢測的兒童坐姿矯正儀，學生所做的十多個作品中，有3個作品被選中參加2016年在我校舉辦的CDIO亞洲區域會議作品展。

圖7 學生課設作品——基于超聲波的兒童坐姿矯正儀

2.2電子設計綜合實訓

經過前面PCB焊接與測試、單片機設計與應用兩個實踐性的訓練，學生已經可以進行獨立的開發和設計。為進一步鞏固學習成果，繼續提高學生的電子設計能力，在第5學期，設計了電子設計綜合實訓環節，利用學生自主設計的開發板，進行逐步增容，完成一個智能循跡小車的開發設計[16-17]，最終設計完成的智能小車實物如圖8所示。

智能循跡小車作為一種融合自動控制、傳感器檢測、信息處理、計算機軟硬件設計等多學科知識，集機電與一體的綜合系統，是很好的電子設計綜合實訓項目。該智能小車以學生自主設計和焊接的STM32開發板為控制核心，集成紅外傳感器模塊和超聲波傳感器，利用單片機的高速運算處理能力處理8路紅外傳感器信息，控制單片機的PWM輸出占空比來調節左右直流減速電動機的轉速，進而實現小車智能循跡行走，并通過超聲波傳感器實現躲避障礙物的功能。學生需要克服小車的直行、左轉、右轉、直道加速、S彎、虛線賽道處理、十字路口處理和自動停車等難題，該項目的完成，可以實現電路設計、程序設計、檢測控制及信號處理等多方面專業知識的綜合利用，提升學生的整體創新實踐能力。

圖8 基于PCB設計的智能小車實物

2.3課外實踐科技活動

學生利用PCB課程設計階段開發出的電路板，以及在后續課程設計中學到的編程能力、設備使用和調試能力，可以在課外實踐活動中自主開發一些科技作品。3年來以學生為主體，以課程設計項目為依托，獲批發明專利和軟件注冊權4項，國家級大學生創新訓練計劃9項，省級以上競賽獎項20余項。以實物設計為載體的實踐教學在節省資金的同時，充分激發了學生的投入熱情，收到了很好的實踐效果。

3 結 語

通過以單片機最小系統為載體的PCB電路設計，最大程度地與后續實踐課程對接，通過單片機程序設計與開發、電子設計綜合實訓、以及課外科技活動等實踐環節，充分發揮PCB課程設計的電路板的功能，使其具有可持續的利用價值，可以變身為多種創新實踐項目。各實踐環節既相互獨立又前后關聯，既有詳細的理論又有大量的實踐，充分發揮了學生的主觀能動性，使學生具有獨立的電路設計、計算機程序設計、電子產品設計能力。該可持續開發利用的PCB實踐課程設計，經過4年的實踐教學檢驗，具有提高實踐教學經費的綜合使用效率，和學生創新能力提高的雙重目的，在高校電子類相關專業具有一定的推廣價值。

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The PCB Practical Course Design with Sustainable Exploitation and Utilization

DUHuijinga，SUNYanlongb，GUODefenga

(a． College of Science， b． College of Electrical Engineering; Yanshan University,Qinhuangdao 066004， Hebei,China)

In this paper we take the PCB practical course design of electronic information science and technology major in Yanshan University as an example,and introduce the PCB practical courses based on the single chip minimal system design.By this course design,the circuit board designed by students themselves in this stage can be applied to the next practical segment.This can realize sustainable exploitation and utilization of the designed circuit,and optimize the integrated utilization efficiency for teaching funds and promote the transformation of the student’s practice from the passive imitation to initiative innovation.

printed circuit board(PCB); singlechip; practical teaching; electronic comprehensive training

2016-05-26

河北省高等教育教學改革研究與實踐項目(2015GJJG029)

杜會靜(1976-)，女，河北保定人,博士，副教授，碩士生導師；電子信息科學與技術系系主任，主要從事半導體及其相關器件研究。主持河北省教學改革項目一項，發表論文20余篇。

Tel.：18633594315；E-mail：hjdu@ysu.edu.cn

TN 41；G 642

：B

1006-7167(2017)07-0214-06