新工科背景下《PCB计算机辅助设计》教学模式探索

赵燕　王菊　张伟娟

【摘 要】针对新工科人才培养要求，从“PCB计算机辅助设计”课程的特点出发，提出基于新工科评价体系的“项目导向，任务驱动，理实一体”的教学模式，培养符合行业发展需求的工程实践人才。实践证明，该教学模式能够激发学生的学习兴趣，学生在学科竞赛中PCB制作的废板率显著下降，很大程度上提升了学生的工程实践应用能力。

【关键词】新工科;PCB计算机辅助设计;项目导向;任务驱动;理实一体;工程实践

中图分类号： G642;TN702-4 文献标识码： A 文章编号： 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

针对教育部提出的新工科人才培养要求，依托信息科学与技术学院教学改革、北京钢铁侠科技有限公司的机器人技术和行业资源教育平台，从“PCB计算机辅助设计”课程的特点出发，提出基于新工科评价体系的“项目导向，任务驱动，理实一体”的教学模式[1]，培养符合行业发展需求的工程实践人才。针对行业所应具备的岗位技能要求，设计实训项目案例。以实训项目为依据划分教学内容组织教学，重点培养学生的工程实践应用能力。

实训项目围绕学科竞赛及企业需求进行组织，为了使课程教学更契合企业的用人需求，到北京钢铁侠科技有限公司去搜集教学案例，将原理图设计、原理图库的创建及库元件的绘制、PCB元件库的创建及元件封装的绘制以及PCB设计“四模块”的内容以及绘图技巧和注意事项融入万年历这一实际电路。通过绘制万年历的电路原理图和PCB图，使学生掌握Altium Designer软件的整体操作流程、设计技巧和方法[2]。

1 原理图设计

电路原理图是进行PCB设计的依据，是保证PCB设计成功的首要条件。原理图设计，首先新建工程，在工程下新建原理图文件，并把该文件保存到新建的工程中。接下来绘制电路原理图，首先根据图的大小设置图纸尺寸，之后放置电路元件。放置同一种元件时，如万年历电路中需要5个按键，在放置第一个按键时按Tab键，对按键的标号进行设置，如SW0，之后再放置按键时元件标号会自动累加为SW1、SW2、SW3、SW4。元件放置完毕，下一步即为导线绘制。绘制导线时，要将导线连接到元件的电气连接端，出现红色叉标记的位置即为元件的电气连接端。除了通过在元件管脚之间绘制导线表示電气连接之外，还可以通过放置网络标号的方法来建立元件管脚之间的电气连接，该方法可以避免元件之间复杂的导线连接，如单片机的P0.0-P0.7既要与LCD1602的DB0-DB7相连，还要与阻排RP的2-9引脚相连，此时即可采用网络标号进行连接。单击菜单栏中的按钮即可放置网络标号，需注意的是，网络标号必须是成对出现的。电路原理图中大部分元件要接电源和地，为了避免连线过多，也为了电路图的整体美观，一般在图中放置多个电源和地的符号。绘制完成的万年历电路如图1所示。

图1 万年历电路

2 原理图库的创建及库元件的绘制

Altium Designer软件自带原理图库，库中有一些基本的常用元件，如电阻、电容等，这些元件在绘制电路原理图时可直接使用，但对于库中没有的元件就需要自己绘制。教学案例万年历电路中的液晶显示器、温度传感器等元件就需要自己绘制。首先新建一个原理图库，并把该原理图库添加到绘制原理图前新建的工程中。在该库中包含一个名为Component_1的元件，打开“SCH Library（SCH元件库）”面板可以看到，双击该元件名称，可以为该库元件重命名。接下来绘制库元件，在此重点介绍放置元件引脚的技巧及注意事项。对于含有40个引脚的单片机STC89C52，放置引脚时按Tab键，在管脚属性对话框中对引脚的标号进行编辑，在“标识”栏输入1，单击鼠标左键就可以将该引脚放置到图纸上，此时连续放置引脚时，引脚号按顺序排列，采用该方法可以避免多放引脚。放置引脚时特别注意，有电气捕捉标志即带四个点的一端朝外，按空格键可以翻转引脚。由于引脚较多，逐一单击各引脚编辑属性太烦琐，所以对引脚属性进行统一编辑。在SCH Library工作面板中双击元件名称，在弹出的库元件属性对话框中单击左下角的Edit Pins，弹出元件管脚编辑器，在名称列依次对各元件的引脚进行编辑[3]。库元件绘制完成单击SCH Library工作面板中的“放置”按钮，即可将其放置到电路原理图中。

3 PCB元件库的创建及元件封装的绘制

原理图绘制完成，接下来要对元件进行封装，Altium Designer软件自带PCB元件库，库中包含一些基本元件的封裝，但对于一些特殊元件的封装还需要自己绘制。在绘制PCB元件封装前，首先新建PCB元件库，之后把该库添加到绘制原理图前新建的工程中。之后确定元件的封装信息，若没有相应的信息，一般采用游标卡尺对实际元器件进行测量，以确保元件封装信息的准确性。需要注意，绘制元件封装之前先放置一个参考点，一般把第1个引脚放置到参考点的位置，这样可避免导入到PCB图中的元件不能正常移动，这是初学者容易忽略的一个问题。在绘制元件封装时，在英文模式下按Ctrl+Q键，可实现测量长度单位mil与mm的切换。对于直插件，焊盘孔径要大于实际元件引脚直径0.1mm，这样焊接时方便元件的安装;对于贴装元件，焊盘长度要大于实际引脚0.5mm，方便焊接。元件封装绘制完成即可使用。在原理图中双击元件，在弹出的原理图元件属性对话框右下角的“Models模型”列表框中，单击“Add”按钮，选择“Footprint”，即可为该元件添加PCB封装模型。

4 PCB设计

原理图元件封装添加完毕，之后开始PCB设计，PCB设计是整个项目设计的核心环节，重点包括元件布局和布线两部分内容，合理的布局不仅给布线带来方便，还可提高PCB的电气性能。布局首先以电路图为依据，尽可能将相连的元件放在一起，IC之间要留有足够的空间，避免给后续的布线带来不必要的麻烦。一些位置固定的元件要先摆放，如开关、显示器等，放置好后进行锁定，可避免不经意的移动。单片机时钟电路中晶振、电容尽可能靠近单片机，以防干扰。对于一些接口要放置到板子的边缘，以方便连接。布线时，一般选择手动布线方式，先布重要的信号网络和电源网络，信号线要尽量短以防干扰;电源线一般要加宽，先布线将为后续带来便利。布线一般用大于90度的折线，避免走直角，以防板变形后断线。最后进行覆铜处理，一般把覆的铜与地相连，所以覆铜也叫作铺地，屏蔽信号，增加导电性。设计完成的万年历PCB为双面板，如图2所示。

5 结束语

实践教学证明，基于新工科评价体系的“项目导向，任务驱动，理实一体”的教学模式，能够较好地激发学生的学习兴趣，为学生学科竞赛中PCB的制作提供了一些实际的经验和技巧，也为学生日后从事相关工作奠定了一定的基础，契合了我校以培养应用型人才为宗旨的办学定位。

【参考文献】

[1]刘明志.新工科背景下物联网工程专业《计算机辅助电路设计》教学模式探究[J].福建电脑，2018（11）：79-80，93.

[2]苏玉香，叶继英.基于工程项目式的计算机辅助设计课程教学与实践改革[J].科技视界，2014（35）：13，30.

[3]李瑞，耿立明.Altium Designer 14电路设计与仿真从入门到精通[M].北京：人民邮电出版社，2014.