Altium Designer和小工业制板在实践教学中的应用

2018-05-11郑祥明杨梦雅

安庆师范大学学报(自然科学版) 2018年1期

郑祥明，杨梦雅

电子信息类专业实践性强，实践教学在人才培养过程中占有非常重要的地位，是培养高素质应用型创新人才的关键环节[1]。应用型创新人才是时代的需要，教育部在关于做好2016届全国普通高等学校毕业生就业创业工作的通知中明确要求2016年起所有高校开设创新创业课程。新的形势使高校对创新人才培养提出了更多的思考，对学生的综合实践创新能力有了更高的要求。电子信息类专业实践教学环节主要包括金工实习、电子工艺实训、课程设计、毕业设计及各类综合创新项目等。一般电子工艺实训包含了基本元器件的检测与选型、EDA相关软件的学习、热转印法或雕刻机法制作印制电路板、焊接、电路调试和相关仪器仪表的使用等。但是传统的热转印或雕刻机的方法仅能制作工艺较低的单面印制电路板，无法满足课程设计、毕业设计和综合创新等项目中双面印制电路板的制作需求。

单片机课程具有实践性和应用性强的特点，系统的设计要兼顾单片机基础知识和系统的拓展应用性。基于51单片机的创新实验系统的设计宗旨是以培养学生单片机基础知识为重点，以引导学生进行二次开发和实际应用为目标，不断激发学生的学习积极性和创新意识的培养。因此，针对电子信息类专业毕业设计和综合创新等项目中遇到的难题，结合单片机课程教学的特点，笔者设计了一种基于51单片机的创新实验系统。在设计时以51单片机最小系统（包含51单片机、电源、晶振电路和复位电路）为基础，适当扩展外围电路，集成了包括单片机最小系统、下载电路、LED灯显示、蜂鸣器、数码管显示、独立按键、1602液晶显示、12864液晶显示、I/O扩展接口和DS18B20测温电路等常用传感器电路为一体的创新实验开发系统[2]。

1 系统电路设计

本系统的原理图和印制电路板（PCB）的设计选用的是Altium公司开发的一款电子设计自动化软件Altium Designer 15.0，它集成了板级设计、现场可编程门阵列（FPGA）设计和单片机的设计功能。设计印制电路板的一般过程：设计需求分析、局部电路仿真、设计原理图元件、绘制原理图、设计元件封装和印制电路板设计等[3-4]。本系统的设计流程如图1所示。

图1 PCB设计流程图

（1）新建工程文件

在计算机已正确安装Altium Designer 15.0软件的条件下，选择“开始”→Altium Designer，打开Altium Designer15.0主界面。

工程文件是关联原理图文件、PCB文件、原理图库和元件封装库的桥梁。在主菜单栏选择File→New→Project…→PCB Project（在弹出的对话框“name”编辑菜单下可修改工程名称为“xm”；在“Location”菜单下点击“Browse Location...”可将工程保存在指定路径的文件夹中），点击“OK”即可新建一个xm.prjpcb的PCB工程文件。右击xm.prjpcb工程，在下拉菜单中选择Add New to Project，选择 Schematic，PCB，Schematic Library，PCB Library可分别新建原理图文件、PCB文件、原理图库和元件封装库。

（2）绘制原理图元件库

虽然Altium Designer 15已经提供了非常丰富的元件库，但必要时仍需动手设计原理图元件，建立自己的元件库。设计者在Schematic Library文件工具栏选择“Tools”→New Component使用相关绘图工具可绘制原理图元件。

（3）设计元件封装库

设计者可以在PCB Library文件工具栏选择“Tools”→New Blank Component根据实际元件的引脚和外观尺寸手动放置焊盘和绘制元件边框。设计者还可以选择“Tools”→Component Wizard，根据PCB封装设计向导设计元件封装。以上两种情况都需要注意焊盘的序号与元件引脚序号一一对应，否则后期原理图中的元件无法准确导入到PCB文件中。

（4）绘制原理图

原理图文件提供了元器件的电气连接关系。设计者根据系统需要依次选择Place→Part...,从原理图库文件中选择合适的元件放置在原理图文件中并标明各元件的信息（也可以统一添加注释，Tool→Annotate→Accept changes create），调整元件的位置然后按电路功能连接导线使之成为具有特定功能的系统。在Altium Designer 15.0中除了通过在元件引脚之间直接连接导线，还可以使用网络标号表示电气连接，使用网络标号可以使原理图更加简洁和模块化。

（5）PCB文件导入

一般设计者应在开始设计PCB板前确定板子的形状和尺寸。在xm.PcbDoc文件界面，点击主菜单“Design”→ImportChangesFrom PCB_Project.prjpcb，然后在弹出的Engineering Change Order对话框中先后点击Validate Changes和Execute Changes，将原理图中的各个元件的封装及连接导线导入到PCB文件中，如果此过程有相关报错，则根据错误来源到原理图中修正再重新导入。或在xm.SchDoc原理图文件界面选择Design→Update PCB Document xm.PcbDoc把元件封装和电路连接关系直接导入PCB文件中。

（6）PCB板设计

PCB板的设计优劣直接反映到产品上，设计过程要兼顾产品的美观、可操作性、系统的设计指标和PCB板制作工艺等要求。由此设置系统的设计规则，包括线宽、布线转角、安全间距、短路规则等。

以本系统为例，首先确定系统核心器件51单片机放在PCB板的中心位置，然后调整晶振、起振电容、复位电路、扩展排针、USB接口（考虑实际连接，一般放置在PCB板的边缘）、液晶接口插座（考虑实际接插情况，调整放置方向）、数码管（考虑方向问题，便于观察实验现象）、独立按键等。在满足美观和电路性能指标的基础上不断优化布局并使元件均匀整齐地分布在整个PCB板区域。在基本确定PCB布局之后即可布线，在Altium Design 15.0软件中有自动布线、手动布线和先自动布线再手动调整等3种方式。在设计模拟电路或高速电路板时采用自动布线时可能会导致电路性能问题，因此笔者在教学和设计电路时均采用手动布线方式。最后是添加安装孔、添加泪滴（增加焊盘、过孔的机械强度）、敷铜[2]，如图2所示（为保证图示效果，本图未敷铜）。

图2 系统PCB板顶层图

2 系统印制电路板的制作

印制电路板是连接各电路元件的物理基础，因其具有高可靠性、一致性、机械强度高、体积小、重量轻和便于标准化生产等诸多优点被广泛地应用在电子产品的生产制造中。随着印制电路板制作工艺技术的提升，目前可以标准化生产的有单面板、双面板、多层板甚至具有挠性的软性印制电路板。传统实验室制板是采用热转印法或雕刻机法，熟练掌握操作技巧的同学可以快速制作出一块单面印制电路板，但是其工艺较低，产品稳定性不高，很难制作优质的双面印制电路板，给后期焊接和调试电路带来很大困难，而且不能批量生产，效率较低。随着以工程应用为导向的人才培养模式的提出，许多高校在校企合作平台或引入小工业制板生产线的方式参与实习实践。实践证明，小工业制板生产线具有高效、高质量和批量制作单面或双面印制电路板等优点。按制板顺序可以将小工业制双面板按以下步骤进行，即分板、打孔、抛光、孔金属化、制作底片、刮感光油墨、曝光、显影、镀铅锡、脱膜、碱性腐蚀、褪铅锡、丝印阻焊油墨、加焊盘底片曝光、丝印字符油墨等15道工序。

2.1 热转印法制作印制电路板

热转印法制作印制电路板易于操作，理论上可以做出10 mil的线宽，但是腐蚀过程中极易断线，所以设计PCB板时，线宽应适当设置大一些，具体操作步骤如下。

（1）把Altium Designer 15.0软件绘制好的印制电路板图按1：1的比例打印到热转印纸上。

（2）用分板机把覆铜板按PCB尺寸大小裁开，把覆铜板表面抛光处理，并将热转印纸用胶带紧密固定在覆铜板上。

（3）用热转印机将热转印纸上的电路图转印到覆铜板上，自然冷却后揭去热转印纸。

（4）把热转印完成的铜板放入三氯化铁溶液中均匀腐蚀。此过程时间把握要准，否则容易把导线腐蚀断路或腐蚀不完全。

（5）清洗，打孔，检测电路板是否有短路、断路等不良情况。

2.2 雕刻机法制作印制电路板

雕刻机制作印制电路板法是采用物理的方法把覆铜板上多余的铜层雕刻掉，仅保留焊盘和导线部分，为节约雕刻时间一般将布线层铺铜。具体雕刻过程如下。

（1）打开雕刻软件，添加Gerber加工文件（由EDA制图软件导出）。

（2）在操作向导中设置钻头加工直径以及顶层、底层雕刻刀的大小和深度、速度等参数。

（3）确保覆铜板与雕刻平面粘贴平整，反复试雕，调整主轴高度直到四边雕刻深度恰到好处（刀尖雕刻深度以刚刚将铜箔割除为宜）后开始雕刻。

（4）钻孔、割边。

2.3 小工业法制作印制电路板

分板：用分板机将覆铜板按PCB板尺寸分割，或者不分板直接在整块覆铜板上同时做多个电路板，最后再分板。

打孔：将覆铜板平整地固定在钻孔平台上，然后设置工作原点坐标，按1：1的比例把PCB板的所有接插件的孔径和过孔全部用高精度雕刻机打孔，对于孔径较大的应设置为挖孔，注意挖孔增量不宜太大，否则钻头容易折断。

抛光：打开刷板机电源，利用刷板机的毛刷和水把覆铜板上的氧化物或者污渍刷洗干净。

孔金属化包括整孔、黒孔、微蚀和孔化。整孔，把已打孔的铜板放进整孔液整孔约3 min；黒孔，将黒孔液均匀地附在每个孔内壁但又不能堵住孔；微蚀，使用稀硫酸和过硫酸铵混合溶液把铜板表面的黒孔液洗掉；孔化，把铜板挂在孔化箱中（内置硫酸铜溶液），打开电源，加正、反电流约30 min。

制作底片：需在暗室中进行，使用高精度激光光绘机将PCB文件的顶层、底层等有需要的层全部“打印”到底片上，然后把底片放到显影液中浸泡3 min，再放到定影液中浸泡60 s，取出底片用清水冲洗干净即可。

刮感光油墨：取适量感光油墨与酒精搅拌均匀，通过丝印机的丝网把搅拌好的感光油墨用刮刀均匀刮在铜板上，然后放在烘干机里，温度约为80℃，时间约为10 min。

曝光：将制作好的顶层底片和底层底片分别准确地固定在电路板的顶层和底层，放在曝光机中间分别真空曝光45 s。

显影：将曝光后的电路板放在显影机中用30℃左右的碳酸钠水溶液显影30 s，如果显影效果不佳，可适当延长显影时间。

镀铅锡：将显影后的电路板挂在镀铅锡机内的铅锡液中，设置电流参数，水平摆动约40 min。

脱膜：把镀铅锡的电路板放在脱膜机中用氢氧化钠水溶液脱膜，约120 s。

碱性腐蚀：把脱膜后的电路板放在蚀刻机内用氨水和硫酸铜的铜铵溶液把不需要的铜腐蚀掉，约120 s。

褪铅锡：用刷板机把线路上的铅锡去掉。

丝印阻焊油墨：取适量感光硬化剂和液态感光阻焊油墨，比例约为1：3，再添加酒精稀释搅匀，通过丝印机的丝网把搅拌好的阻焊油墨用刮刀均匀刮在铜板上。然后放在烘干机烘干，温度约为80℃，时间约为35 min。

加焊盘底片曝光：把焊盘底片对齐固定在电路板上，真空曝光45 s，再显影。

丝印字符油墨：将搅拌均匀的感光油墨刮在丝网上，烘干后把丝印底片放在丝网下同时曝光45 s，再在丝印机上刮白色的字符油墨。

3 焊接及焊接工艺

本系统焊接方式以SMT（Surface Mount Technology）表面贴装和THT（Through Hole Technology）通孔插装混合装配。焊接量较少的情况下可以在教师的指导下采用手工焊接方式，一方面可以进行焊接技能训练，另一方面也节约了机器的运行成本；当焊接量较大时，可以使用标准化生产线先进行SMT贴装（依次是刷焊锡膏、全自动贴片机贴片和回流焊），再进行THT生产线插件焊接（依次是插件、波峰焊）。全自动SMT贴装生产线和THT生产线技术极大地提高了生产效率和生产质量等，系统焊接实物如图3所示。

图3 系统实物图

4 实验系统的实际应用

该系统可以完成板载资源的所有实验项目，更重要的是该实验系统体积小（长9.0 cm，宽3.3 cm，高1.5 cm），重量轻，功能齐全，方便携带，易于拓展。教师在单片机教学过程中可根据课程内容布置适合学生的实验任务，通过恰当的基础实验项目引导学生通过简单的C语言程序设计把51单片机的I/O端口控制、按键检测、中断及内部定时计数器等抽象的理论知识直观地展现出来。笔者在实施过程中设计的部分基础实验项目如表1所示[5]，学生可以在教室、宿舍、自修室等场地自主搭建“实验室”完成基础实验项目，及时通过实验结果现象解答抽象的理论知识，不仅实现了学做统一，也激发了学生的学习兴趣。

表1 基础实验项目

随着电子技术，传感器技术的不断发展，各类智能电子产品正在不断改善人们的生活。如何引导学生应用单片机知识开发小型电子系统解决实际生活中遇到的问题，不仅是课程教学的目标之一，也是创新型人才培养的重要内容。笔者以自己设计研发的创新实验系统平台为基础配备了DS18B20数字温度传感器、DHT11温湿度传感器、超声波传感器、光电传感器、霍尔传感器、直流电机、步进电机、NRF24L01无线通信模块和小车底座等，并设计了相应的综合创新实验项目如表2所示[6]，在课程实施过程中可根据学生的实际情况做适当调整。