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》是車輛工程專業教學計劃的一個中間環節，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的一個過程，不僅要求學生掌握汽車電器設備的結構原理及其特性，而且要求掌握汽車電器系統在設計、生產、安裝及使用中的技術問題，以適應汽車電器與電子技術發展的要求，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學生的電路設計能力，提高實踐教學質量，培養創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》屬于實踐教學環節，要給學生充分發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)，且車輛工程專業的學生前修的電路課程偏少，更缺乏實際設計經驗，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開源協議，可運行在Linux、Windows和macOS等操作系統上，主要開發語言為C++、Python，最初由法國人Jean-Pierre Charras于1992年發布，現在由KiCAD開發團隊維護。

KiCAD目前最新的穩定版本是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。在內存允許的情況下，對元件、元件引腳、連接或圖紙的數量沒有實際限制，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、缺少驅動器、未連接的引腳、未連接的分層符號、短路輸出等。

導出網表：可導出PCBnew、OrCADPCB2、Spice、CADStar等網表格式。

物料清單(BOM)：可通過Python或XSLT或任何其他能夠將XML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快速有效的布線，以保證電氣設計規則檢查(DRC)約束得到遵守。

布線長度調整：可以使用專用工具調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視圖旋轉和平移PCB，可以比2D視圖顯示更多細節。

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，系統軟硬件調試。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]，系統硬件由DS18B20數字溫度傳感器、STC89C52單片機、1602液晶顯示、PL2303串口轉USB及計算機組成。數字溫度傳感器可將測量出的溫度值直接轉換成數字量，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USB接口芯片，通過USB接口將數據送給計算機，計算機通過LabVIEW軟件接收數據進行處理并顯示結果。系統組成框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

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。具體實現過程概述如下：

(1)繪制原理圖：啟動KiCAD軟件，創建一個新項目，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，執行電氣規則檢查(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角度，直到最小化飛線交叉的數量，繪制PCB邊框及電氣邊界，選擇合適的層和線寬，完成布線，執行設計規則檢查(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。作為車輛工程專業的學生，第一次接觸電路設計，在較短的時間內完成了原理圖和PCB的繪制并實現了所需要的功能，實屬不易，盡管不是很完美，但以后繼續加以訓練，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試等方法。課程設計中的軟件設計部分，本文不再贅述。

5 結束語

把KiCAD軟件引入車輛工程專業的《汽車電器課程設計》中，讓非電類學生掌握了電路系統設計的一般方法和設計流程，熟悉了汽車電子產品設計過程中計算機輔助設計工具KiCAD及其使用方法，實現了實驗教學內容和手段的創新。通過KiCAD進行電路圖設計的訓練，結合單片機C程序和上位機LabVIEW程序的開發調試，使《汽車電器課程設計》的教學拓寬了傳統的教學范圍，更接近工程實踐，學生對汽車電子產品開發、制作和調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，要繼續總結經驗，開發新的設計內容，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》的具體內容有機結合，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打下堅實的基礎[3]。