KiCAD软件在《汽车电器课程设计》中的应用

蒋彦，谢静，田红艳，蒋碧如

（1.南华大学电气工程学院，湖南衡阳，421001；2.南华大学机械工程学院，湖南衡阳，421001）

《汽车电器课程设计》是车辆工程专业教学计划的一个中间环节，是学生学习完《汽车电器与电子技术》等理论课程的理论知识之后进行实践应用能力培养的一个过程，不仅要求学生掌握汽车电器设备的结构原理及其特性，而且要求掌握汽车电器系统在设计、生产、安装及使用中的技术问题，以适应汽车电器与电子技术发展的要求，为今后工作打好基础。

近年来，我校尝试在车辆工程等非电类专业中的《汽车电器课程设计》教学中引入EDA技术进行应用训练，这对于增强车辆工程专业学生的电路设计能力，提高实践教学质量，培养创新和实用人才具有重要的意义。

1 在《汽车电器课程设计》中引入EDA软件的必要性

《汽车电器课程设计》属于实践教学环节，要给学生充分发挥动手能力的实践空间，由于课程设计周期短(一般两周时间)，且车辆工程专业的学生前修的电路课程偏少，更缺乏实际设计经验，设计过程中感觉困惑的地方很难及时解决，会极大的打击学生的创作积极性，导致实际效果并不是太好。引入EDA软件之后，通过计算机强大的辅助设计能力，可以大大提高电路设计的效率和准确性，极大提高学生的学习兴趣和实践教学的教学效果。

2 KiCAD简介[1]

KiCAD是一个跨平台的开源EDA软件套件，用于电路原理图和印刷电路板(PCB)设计，遵循GNU GPL v3开源协议，可运行在Linux、Windows和macOS等操作系统上，主要开发语言为C++、Python，最初由法国人Jean-Pierre Charras于1992年发布，现在由KiCAD开发团队维护。

KiCAD目前最新的稳定版本是5.1.10，支持英语、法语、中文、日语等22多种语言，包含项目管理器、原理图编辑器、元件符号编辑器、PCB编辑器、封装编辑器、Gerber浏览器、PCB计算器、位图转换为元件或封装、图框布局编辑器等工具模块。

3 KiCAD主要功能[1]

原理图设计：KiCAD具有高效设计电路原理图的所有工具。在内存允许的情况下，对元件、元件引脚、连接或图纸的数量没有实际限制，在多张图纸的情况下，可以通过分层原理图图纸表达。提供PDF、SVG、HPGL、DXF、Postscript等导出格式。

电气规则检查(ERC)：ERC自动检查原理图的连接，检查输出引脚冲突、缺少驱动器、未连接的引脚、未连接的分层符号、短路输出等。

导出网表：可导出PCBnew、OrCADPCB2、Spice、CADStar等网表格式。

物料清单(BOM)：可通过Python或XSLT或任何其他能够将XML作为输入的工具来进行扩展生成BOM。

综合库：KiCAD自带的库包含了大量的元件符号、封装和匹配的3D模型，并一直在不断增加和完善库的内容。也可以通过元件符号编辑器、封装编辑器自行制作库。

PCB设计：KiCAD可开发和维护复杂的电路板。KiCAD对电路板的大小不做限制，可以设计多达32个铜层、14个技术层和4个辅助层的PCB，还可以创建制造PCB所需的所有文件、用于照片绘图仪的Gerber文件、钻孔文件、元件位置文件等。

交互式布线：当绘制的布线与PCB上的其他项目相冲突，可通过推挤或绕走实现快速有效的布线，以保证电气设计规则检查(DRC)约束得到遵守。

布线长度调整：可以使用专用工具调整高频电路设计的走线长度。

3D视图：在设计PCB时，通过交互式3D视图旋转和平移PCB，可以比2D视图显示更多细节。

4 设计实例

电路设计的一般步骤是：明确设计任务要求，方案选择，单元电路设计、参数计算和器件选择，电路图绘制，PCB制板，电路的组装及焊接，程序开发，系统软硬件调试。在整个课程设计中，要求学生独立完成绝大部分的设计工作，关键是掌握电路的设计思想和设计流程。

以《汽车电器课程设计》中的“混合动力汽车电池箱体进风口温度检测”为例[2]，系统硬件由DS18B20数字温度传感器、STC89C52单片机、1602液晶显示、PL2303串口转USB及计算机组成。数字温度传感器可将测量出的温度值直接转换成数字量，单片机对温度信号进行采集和处理，并在液晶上显示检测温度，同时利用串口转USB接口芯片，通过USB接口将数据送给计算机，计算机通过LabVIEW软件接收数据进行处理并显示结果。系统组成框图如图1所示。

图1 系统框图

运用KiCAD软件进行电路原理图和PCB这两部分的设计，借助KiCAD的帮助文档手册，学生可以很快掌握软件的使用，利用软件的快捷键操作，可以极大的提高绘图效率。具体实现过程概述如下：

(1)绘制原理图：启动KiCAD软件，创建一个新项目，打开原理图编辑器Eeschema并进行图框设置，放置元器件(KiCAD提供了大量的库和器件，可在筛选框中进行搜索过滤)，改变元器件的位置及旋转角度，设置元器件的属性，重复以上步骤直至把所需要的元器件都放置在原理图纸上，合理组织原理图纸上的所有元件，接下来将所有元器件进行电气连接，批注原理图符号，执行电气规则检查(ERC)，直至无错误则原理图绘制完毕。

(2)绘制PCB：进行PCB设计前，需要对每个元器件的封装进行分配，可以在绘制原理图时通过设置元器件的属性这一步来分配封装，也可以在原理图绘制完毕后，通过分配PCB封装到原理图符号这一功能，对原理图中所有元器件的封装进行集中分配。在上述工程中，打开PCB编辑器，先进行图框设置和电路板设计规则设置，通过从原理图更新PCB功能，将所有的封装及飞线放置在PCB中，改变元器件封装的位置及旋转角度，直到最小化飞线交叉的数量，绘制PCB边框及电气边界，选择合适的层和线宽，完成布线，执行设计规则检查(DRC)，直至无错误则PCB绘制完毕。通过3D查看器可以3D视图观察电路板。

选取一位同学的设计如图2、图3所示。作为车辆工程专业的学生，第一次接触电路设计，在较短的时间内完成了原理图和PCB的绘制并实现了所需要的功能，实属不易，尽管不是很完美，但以后继续加以训练，必然会达到更好的效果。

图2 原理图

图3 PCB 3D视图

PCB图绘制好后，电路板的制作有如下几种方法：(1)利用热转印法进行腐蚀工艺制做。(2)利用PCB雕刻机进行雕刻。(3)送到PCB板加工厂制做。综合考虑，本课程设计采用了第三种方法进行制做，由同学们自行把PCB文件发送给工厂加工。PCB制作好以后，在教师的指导下，学生逐步完成电路板的焊接和调试。在这个过程中，注意对学生实际动手能力的训练，掌握元器件的识别和选取、按电路功能分块焊接和调试等方法。课程设计中的软件设计部分，本文不再赘述。

5 结束语

把KiCAD软件引入车辆工程专业的《汽车电器课程设计》中，让非电类学生掌握了电路系统设计的一般方法和设计流程，熟悉了汽车电子产品设计过程中计算机辅助设计工具KiCAD及其使用方法，实现了实验教学内容和手段的创新。通过KiCAD进行电路图设计的训练，结合单片机C程序和上位机LabVIEW程序的开发调试，使《汽车电器课程设计》的教学拓宽了传统的教学范围，更接近工程实践，学生对汽车电子产品开发、制作和调试的整个过程有了较为全面的了解，也可以更深入的理解《汽车电器与电子技术》课程中相关的理论知识。

在今后的教学实践中，要继续总结经验，开发新的设计内容，力求使以KiCAD为代表的EDA技术的应用训练与《汽车电器课程设计》的具体内容有机结合，为车辆工程等非电类学生在本科学习期间电路设计能力的培养打下坚实的基础[3]。