Altium Designer和小工業(yè)制板在實踐教學(xué)中的應(yīng)用

鄭祥明，楊夢雅

電子信息類專業(yè)實踐性強(qiáng)，實踐教學(xué)在人才培養(yǎng)過程中占有非常重要的地位，是培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型創(chuàng)新人才的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。應(yīng)用型創(chuàng)新人才是時代的需要，教育部在關(guān)于做好2016屆全國普通高等學(xué)校畢業(yè)生就業(yè)創(chuàng)業(yè)工作的通知中明確要求2016年起所有高校開設(shè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程。新的形勢使高校對創(chuàng)新人才培養(yǎng)提出了更多的思考，對學(xué)生的綜合實踐創(chuàng)新能力有了更高的要求。電子信息類專業(yè)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)主要包括金工實習(xí)、電子工藝實訓(xùn)、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計及各類綜合創(chuàng)新項目等。一般電子工藝實訓(xùn)包含了基本元器件的檢測與選型、EDA相關(guān)軟件的學(xué)習(xí)、熱轉(zhuǎn)印法或雕刻機(jī)法制作印制電路板、焊接、電路調(diào)試和相關(guān)儀器儀表的使用等。但是傳統(tǒng)的熱轉(zhuǎn)印或雕刻機(jī)的方法僅能制作工藝較低的單面印制電路板，無法滿足課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計和綜合創(chuàng)新等項目中雙面印制電路板的制作需求。

單片機(jī)課程具有實踐性和應(yīng)用性強(qiáng)的特點，系統(tǒng)的設(shè)計要兼顧單片機(jī)基礎(chǔ)知識和系統(tǒng)的拓展應(yīng)用性。基于51單片機(jī)的創(chuàng)新實驗系統(tǒng)的設(shè)計宗旨是以培養(yǎng)學(xué)生單片機(jī)基礎(chǔ)知識為重點，以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行二次開發(fā)和實際應(yīng)用為目標(biāo)，不斷激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。因此，針對電子信息類專業(yè)畢業(yè)設(shè)計和綜合創(chuàng)新等項目中遇到的難題，結(jié)合單片機(jī)課程教學(xué)的特點，筆者設(shè)計了一種基于51單片機(jī)的創(chuàng)新實驗系統(tǒng)。在設(shè)計時以51單片機(jī)最小系統(tǒng)（包含51單片機(jī)、電源、晶振電路和復(fù)位電路）為基礎(chǔ)，適當(dāng)擴(kuò)展外圍電路，集成了包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、下載電路、LED燈顯示、蜂鳴器、數(shù)碼管顯示、獨立按鍵、1602液晶顯示、12864液晶顯示、I/O擴(kuò)展接口和DS18B20測溫電路等常用傳感器電路為一體的創(chuàng)新實驗開發(fā)系統(tǒng)[2]。

1 系統(tǒng)電路設(shè)計

本系統(tǒng)的原理圖和印制電路板（PCB）的設(shè)計選用的是Altium公司開發(fā)的一款電子設(shè)計自動化軟件Altium Designer 15.0，它集成了板級設(shè)計、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）設(shè)計和單片機(jī)的設(shè)計功能。設(shè)計印制電路板的一般過程：設(shè)計需求分析、局部電路仿真、設(shè)計原理圖元件、繪制原理圖、設(shè)計元件封裝和印制電路板設(shè)計等[3-4]。本系統(tǒng)的設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 PCB設(shè)計流程圖

（1）新建工程文件

在計算機(jī)已正確安裝Altium Designer 15.0軟件的條件下，選擇“開始”→Altium Designer，打開Altium Designer15.0主界面。

工程文件是關(guān)聯(lián)原理圖文件、PCB文件、原理圖庫和元件封裝庫的橋梁。在主菜單欄選擇File→New→Project…→PCB Project（在彈出的對話框“name”編輯菜單下可修改工程名稱為“xm”；在“Location”菜單下點擊“Browse Location...”可將工程保存在指定路徑的文件夾中），點擊“OK”即可新建一個xm.prjpcb的PCB工程文件。右擊xm.prjpcb工程，在下拉菜單中選擇Add New to Project，選擇 Schematic，PCB，Schematic Library，PCB Library可分別新建原理圖文件、PCB文件、原理圖庫和元件封裝庫。

（2）繪制原理圖元件庫

雖然Altium Designer 15已經(jīng)提供了非常豐富的元件庫，但必要時仍需動手設(shè)計原理圖元件，建立自己的元件庫。設(shè)計者在Schematic Library文件工具欄選擇“Tools”→New Component使用相關(guān)繪圖工具可繪制原理圖元件。

（3）設(shè)計元件封裝庫

設(shè)計者可以在PCB Library文件工具欄選擇“Tools”→New Blank Component根據(jù)實際元件的引腳和外觀尺寸手動放置焊盤和繪制元件邊框。設(shè)計者還可以選擇“Tools”→Component Wizard，根據(jù)PCB封裝設(shè)計向?qū)гO(shè)計元件封裝。以上兩種情況都需要注意焊盤的序號與元件引腳序號一一對應(yīng)，否則后期原理圖中的元件無法準(zhǔn)確導(dǎo)入到PCB文件中。

（4）繪制原理圖

原理圖文件提供了元器件的電氣連接關(guān)系。設(shè)計者根據(jù)系統(tǒng)需要依次選擇Place→Part...,從原理圖庫文件中選擇合適的元件放置在原理圖文件中并標(biāo)明各元件的信息（也可以統(tǒng)一添加注釋，Tool→Annotate→Accept changes create），調(diào)整元件的位置然后按電路功能連接導(dǎo)線使之成為具有特定功能的系統(tǒng)。在Altium Designer 15.0中除了通過在元件引腳之間直接連接導(dǎo)線，還可以使用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號表示電氣連接，使用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號可以使原理圖更加簡潔和模塊化。

（5）PCB文件導(dǎo)入

一般設(shè)計者應(yīng)在開始設(shè)計PCB板前確定板子的形狀和尺寸。在xm.PcbDoc文件界面，點擊主 菜 單“Design”→ImportChangesFrom PCB_Project.prjpcb，然后在彈出的Engineering Change Order對話框中先后點擊Validate Changes和Execute Changes，將原理圖中的各個元件的封裝及連接導(dǎo)線導(dǎo)入到PCB文件中，如果此過程有相關(guān)報錯，則根據(jù)錯誤來源到原理圖中修正再重新導(dǎo)入。或在xm.SchDoc原理圖文件界面選擇Design→Update PCB Document xm.PcbDoc把元件封裝和電路連接關(guān)系直接導(dǎo)入PCB文件中。

（6）PCB板設(shè)計

PCB板的設(shè)計優(yōu)劣直接反映到產(chǎn)品上，設(shè)計過程要兼顧產(chǎn)品的美觀、可操作性、系統(tǒng)的設(shè)計指標(biāo)和PCB板制作工藝等要求。由此設(shè)置系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)則，包括線寬、布線轉(zhuǎn)角、安全間距、短路規(guī)則等。

以本系統(tǒng)為例，首先確定系統(tǒng)核心器件51單片機(jī)放在PCB板的中心位置，然后調(diào)整晶振、起振電容、復(fù)位電路、擴(kuò)展排針、USB接口（考慮實際連接，一般放置在PCB板的邊緣）、液晶接口插座（考慮實際接插情況，調(diào)整放置方向）、數(shù)碼管（考慮方向問題，便于觀察實驗現(xiàn)象）、獨立按鍵等。在滿足美觀和電路性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化布局并使元件均勻整齊地分布在整個PCB板區(qū)域。在基本確定PCB布局之后即可布線，在Altium Design 15.0軟件中有自動布線、手動布線和先自動布線再手動調(diào)整等3種方式。在設(shè)計模擬電路或高速電路板時采用自動布線時可能會導(dǎo)致電路性能問題，因此筆者在教學(xué)和設(shè)計電路時均采用手動布線方式。最后是添加安裝孔、添加淚滴（增加焊盤、過孔的機(jī)械強(qiáng)度）、敷銅[2]，如圖2所示（為保證圖示效果，本圖未敷銅）。

圖2 系統(tǒng)PCB板頂層圖

2 系統(tǒng)印制電路板的制作

印制電路板是連接各電路元件的物理基礎(chǔ)，因其具有高可靠性、一致性、機(jī)械強(qiáng)度高、體積小、重量輕和便于標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)等諸多優(yōu)點被廣泛地應(yīng)用在電子產(chǎn)品的生產(chǎn)制造中。隨著印制電路板制作工藝技術(shù)的提升，目前可以標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的有單面板、雙面板、多層板甚至具有撓性的軟性印制電路板。傳統(tǒng)實驗室制板是采用熱轉(zhuǎn)印法或雕刻機(jī)法，熟練掌握操作技巧的同學(xué)可以快速制作出一塊單面印制電路板，但是其工藝較低，產(chǎn)品穩(wěn)定性不高，很難制作優(yōu)質(zhì)的雙面印制電路板，給后期焊接和調(diào)試電路帶來很大困難，而且不能批量生產(chǎn)，效率較低。隨著以工程應(yīng)用為導(dǎo)向的人才培養(yǎng)模式的提出，許多高校在校企合作平臺或引入小工業(yè)制板生產(chǎn)線的方式參與實習(xí)實踐。實踐證明，小工業(yè)制板生產(chǎn)線具有高效、高質(zhì)量和批量制作單面或雙面印制電路板等優(yōu)點。按制板順序可以將小工業(yè)制雙面板按以下步驟進(jìn)行，即分板、打孔、拋光、孔金屬化、制作底片、刮感光油墨、曝光、顯影、鍍鉛錫、脫膜、堿性腐蝕、褪鉛錫、絲印阻焊油墨、加焊盤底片曝光、絲印字符油墨等15道工序。

2.1 熱轉(zhuǎn)印法制作印制電路板

熱轉(zhuǎn)印法制作印制電路板易于操作，理論上可以做出10 mil的線寬，但是腐蝕過程中極易斷線，所以設(shè)計PCB板時，線寬應(yīng)適當(dāng)設(shè)置大一些，具體操作步驟如下。

（1）把Altium Designer 15.0軟件繪制好的印制電路板圖按1：1的比例打印到熱轉(zhuǎn)印紙上。

（2）用分板機(jī)把覆銅板按PCB尺寸大小裁開，把覆銅板表面拋光處理，并將熱轉(zhuǎn)印紙用膠帶緊密固定在覆銅板上。

（3）用熱轉(zhuǎn)印機(jī)將熱轉(zhuǎn)印紙上的電路圖轉(zhuǎn)印到覆銅板上，自然冷卻后揭去熱轉(zhuǎn)印紙。

（4）把熱轉(zhuǎn)印完成的銅板放入三氯化鐵溶液中均勻腐蝕。此過程時間把握要準(zhǔn)，否則容易把導(dǎo)線腐蝕斷路或腐蝕不完全。

（5）清洗，打孔，檢測電路板是否有短路、斷路等不良情況。

2.2 雕刻機(jī)法制作印制電路板

雕刻機(jī)制作印制電路板法是采用物理的方法把覆銅板上多余的銅層雕刻掉，僅保留焊盤和導(dǎo)線部分，為節(jié)約雕刻時間一般將布線層鋪銅。具體雕刻過程如下。

（1）打開雕刻軟件，添加Gerber加工文件（由EDA制圖軟件導(dǎo)出）。

（2）在操作向?qū)е性O(shè)置鉆頭加工直徑以及頂層、底層雕刻刀的大小和深度、速度等參數(shù)。

（3）確保覆銅板與雕刻平面粘貼平整，反復(fù)試雕，調(diào)整主軸高度直到四邊雕刻深度恰到好處（刀尖雕刻深度以剛剛將銅箔割除為宜）后開始雕刻。

（4）鉆孔、割邊。

2.3 小工業(yè)法制作印制電路板

分板：用分板機(jī)將覆銅板按PCB板尺寸分割，或者不分板直接在整塊覆銅板上同時做多個電路板，最后再分板。

打孔：將覆銅板平整地固定在鉆孔平臺上，然后設(shè)置工作原點坐標(biāo)，按1：1的比例把PCB板的所有接插件的孔徑和過孔全部用高精度雕刻機(jī)打孔，對于孔徑較大的應(yīng)設(shè)置為挖孔，注意挖孔增量不宜太大，否則鉆頭容易折斷。

拋光：打開刷板機(jī)電源，利用刷板機(jī)的毛刷和水把覆銅板上的氧化物或者污漬刷洗干凈。

孔金屬化包括整孔、黒孔、微蝕和孔化。整孔，把已打孔的銅板放進(jìn)整孔液整孔約3 min；黒孔，將黒孔液均勻地附在每個孔內(nèi)壁但又不能堵住孔；微蝕，使用稀硫酸和過硫酸銨混合溶液把銅板表面的黒孔液洗掉；孔化，把銅板掛在孔化箱中（內(nèi)置硫酸銅溶液），打開電源，加正、反電流約30 min。

制作底片：需在暗室中進(jìn)行，使用高精度激光光繪機(jī)將PCB文件的頂層、底層等有需要的層全部“打印”到底片上，然后把底片放到顯影液中浸泡3 min，再放到定影液中浸泡60 s，取出底片用清水沖洗干凈即可。

刮感光油墨：取適量感光油墨與酒精攪拌均勻，通過絲印機(jī)的絲網(wǎng)把攪拌好的感光油墨用刮刀均勻刮在銅板上，然后放在烘干機(jī)里，溫度約為80℃，時間約為10 min。

曝光：將制作好的頂層底片和底層底片分別準(zhǔn)確地固定在電路板的頂層和底層，放在曝光機(jī)中間分別真空曝光45 s。

顯影：將曝光后的電路板放在顯影機(jī)中用30℃左右的碳酸鈉水溶液顯影30 s，如果顯影效果不佳，可適當(dāng)延長顯影時間。

鍍鉛錫：將顯影后的電路板掛在鍍鉛錫機(jī)內(nèi)的鉛錫液中，設(shè)置電流參數(shù)，水平擺動約40 min。

脫膜：把鍍鉛錫的電路板放在脫膜機(jī)中用氫氧化鈉水溶液脫膜，約120 s。

堿性腐蝕：把脫膜后的電路板放在蝕刻機(jī)內(nèi)用氨水和硫酸銅的銅銨溶液把不需要的銅腐蝕掉，約120 s。

褪鉛錫：用刷板機(jī)把線路上的鉛錫去掉。

絲印阻焊油墨：取適量感光硬化劑和液態(tài)感光阻焊油墨，比例約為1：3，再添加酒精稀釋攪勻，通過絲印機(jī)的絲網(wǎng)把攪拌好的阻焊油墨用刮刀均勻刮在銅板上。然后放在烘干機(jī)烘干，溫度約為80℃，時間約為35 min。

加焊盤底片曝光：把焊盤底片對齊固定在電路板上，真空曝光45 s，再顯影。

絲印字符油墨：將攪拌均勻的感光油墨刮在絲網(wǎng)上，烘干后把絲印底片放在絲網(wǎng)下同時曝光45 s，再在絲印機(jī)上刮白色的字符油墨。

3 焊接及焊接工藝

本系統(tǒng)焊接方式以SMT（Surface Mount Technology）表面貼裝和THT（Through Hole Technology）通孔插裝混合裝配。焊接量較少的情況下可以在教師的指導(dǎo)下采用手工焊接方式，一方面可以進(jìn)行焊接技能訓(xùn)練，另一方面也節(jié)約了機(jī)器的運行成本；當(dāng)焊接量較大時，可以使用標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)線先進(jìn)行SMT貼裝（依次是刷焊錫膏、全自動貼片機(jī)貼片和回流焊），再進(jìn)行THT生產(chǎn)線插件焊接（依次是插件、波峰焊）。全自動SMT貼裝生產(chǎn)線和THT生產(chǎn)線技術(shù)極大地提高了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量等，系統(tǒng)焊接實物如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)實物圖

4 實驗系統(tǒng)的實際應(yīng)用

該系統(tǒng)可以完成板載資源的所有實驗項目，更重要的是該實驗系統(tǒng)體積小（長9.0 cm，寬3.3 cm，高1.5 cm），重量輕，功能齊全，方便攜帶，易于拓展。教師在單片機(jī)教學(xué)過程中可根據(jù)課程內(nèi)容布置適合學(xué)生的實驗任務(wù)，通過恰當(dāng)?shù)幕A(chǔ)實驗項目引導(dǎo)學(xué)生通過簡單的C語言程序設(shè)計把51單片機(jī)的I/O端口控制、按鍵檢測、中斷及內(nèi)部定時計數(shù)器等抽象的理論知識直觀地展現(xiàn)出來。筆者在實施過程中設(shè)計的部分基礎(chǔ)實驗項目如表1所示[5]，學(xué)生可以在教室、宿舍、自修室等場地自主搭建“實驗室”完成基礎(chǔ)實驗項目，及時通過實驗結(jié)果現(xiàn)象解答抽象的理論知識，不僅實現(xiàn)了學(xué)做統(tǒng)一，也激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

表1 基礎(chǔ)實驗項目

隨著電子技術(shù)，傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，各類智能電子產(chǎn)品正在不斷改善人們的生活。如何引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用單片機(jī)知識開發(fā)小型電子系統(tǒng)解決實際生活中遇到的問題，不僅是課程教學(xué)的目標(biāo)之一，也是創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的重要內(nèi)容。筆者以自己設(shè)計研發(fā)的創(chuàng)新實驗系統(tǒng)平臺為基礎(chǔ)配備了DS18B20數(shù)字溫度傳感器、DHT11溫濕度傳感器、超聲波傳感器、光電傳感器、霍爾傳感器、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、NRF24L01無線通信模塊和小車底座等，并設(shè)計了相應(yīng)的綜合創(chuàng)新實驗項目如表2所示[6]，在課程實施過程中可根據(jù)學(xué)生的實際情況做適當(dāng)調(diào)整。

表2 綜合創(chuàng)新實驗項目

此類綜合創(chuàng)新實驗項目極大地拓展了學(xué)生的學(xué)習(xí)空間，理論應(yīng)用于實踐，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考問題和解決問題的能力，在潛移默化中提升學(xué)生綜合創(chuàng)新能力的同時也為學(xué)科競賽培養(yǎng)了人才。

總之，本實驗系統(tǒng)有助于電子信息類專業(yè)的實踐教學(xué)的開展，為本專業(yè)更好地開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)打下了基礎(chǔ)，強(qiáng)化了學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)，實現(xiàn)了“教學(xué)做”一體化，有效提升了單片機(jī)課程的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬小紅，張東波.面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)單片機(jī)實踐教學(xué)改革[J].教育教學(xué)論壇，2016，35：93-94.

[2]石建國，何惠龍，劉根據(jù)，等.多控制器結(jié)構(gòu)單片機(jī)實驗系統(tǒng)研制與應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理，2016（33）2：57-60.

[3]何賓.Altium Designer 15.0電路仿真、設(shè)計、驗證與工藝實現(xiàn)權(quán)威指南[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015：3-5.

[4]陳學(xué)平.Altium Designer 13電路設(shè)計、制板與仿真從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014：10-23.

[5]王靜霞.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)（C語言版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2016：239-246.

[6]陳中,朱代忠.基于STC89C52單片機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015：155-171.