可持续开发利用的PCB实践课程设计

杜会静，孙彦龙，郭得峰

(燕山大学 a.理学院；b.电气工程学院，河北 秦皇岛 066004)

可持续开发利用的PCB实践课程设计

杜会静a，孙彦龙b，郭得峰a

(燕山大学 a.理学院；b.电气工程学院，河北 秦皇岛 066004)

以燕山大学电子信息科学与技术专业的PCB课程设计实践教学环节为例，介绍了近年来该专业通过以单片机最小系统为载体的PCB电路板设计，将学生自主设计开发出的电路板带入下一级实践环节，充分发挥和扩展每一级实物设计的功能，实现了PCB设计电路板的可持续开发利用，提高了实践教学经费的综合利用效率，使学生的实践活动由被动的模仿式学习转变为主动的创新性实践。

印刷线路板； 单片机； 实践教学； 电子综合实训

0 引 言

印刷线路板(Printed Circuit Board，PCB)是电子元器件的支撑体和电气连接的载体。电子产品的焊接是电子产品制作过程中重要的一环，一名合格的电子工程师如果想开发出一款工艺简单，器件封装合适的产品，必须要了解焊接的全过程，尤其是现代贴片焊接技术的全过程。因此很多高校将PCB电路设计设为电子类相关专业的一门重要的专业技能课[1-4]。

传统的PCB课程设计存在2个主要问题：①该环节往往先以软件学习进行电路的EDA设计开始[5]，由于学生与实际电路接触不多，学生很难将抽象的电路符号与实际的电子元器件联系在一起，影响了PCB设计的预期效果；②PCB设计环节开发的电路板，往往只是为本环节服务，与其他课程设计之间没有关联，造成设计项目完成之时，也是所设计的实物变成电子垃圾的时候。这些电子垃圾，既浪费了宝贵的资源，对环境也造成一定的影响[6-8]。

如何在最大程度的达到PCB课程设计的对学生创新实践能力的培养效果，使该阶段开发的电路板实物能够在今后的其他实践课程环节持续性的利用，实现资源高效利用，是高等学校亟待研究解决的问题[9-11]。

本文以我校电子信息科学与技术专业的PCB课程设计实践教学环节为例，介绍了近年来该专业通过可持续开发利用的PCB电路板设计，将学生自主设计开发出的电路板带入下一级实践环节，充分发挥和扩展每一级实物设计的功能，减少了以实物设计为载体的实践教学成本，实现了实践教学经费的合理支配，使学生由被动的模仿式学习转变为主动的创新性实践，收到了良好的实践效果。

1 可持续开发利用的PCB实践课程设计

电子工程师几乎离不开PCB相关技术，许多大型电子类企业在人才招聘时也明确要求会熟练使用PCB设计相关软件和技术。在我校的电子信息科学与技术专业的教学计划中，将PCB电路设计与焊接设置成了学生的一门必修的专业基础实践课，时长为3周。

电子工程师完成PCB电路设计过程是先利用EDA软件进行电路版的绘制，然后再进行焊接和调试。但是对于没有接触过电路板实践的学生来说，这个电路板绘制的过程又会犹如理论课程一样枯燥无味。因此该阶段的设计，先由教师根据自己多年的经验及教学心得，按照循序渐进式的电路板设计理念，给出电路板的主体架构，然后进行电路板各部分功能讲解、焊接，然后再进行电路板的绘制与仿真。这样的PCB设计流程，可以让学生在EDA软件学习过程中，将一些抽象画的电路符号转化为形象的电路模块，非常方便的帮助学生理解和掌握。课程设计过程中，教师及时对各环节进行总结和关键提示，以便帮助学生快捷地掌握相关知识，缓解学时紧张的问题。整个设计过程由浅入深，各内容既相互独立又前后关联，既有详细的理论学习又有大量的实践内容。该部分内容分三个阶段完成。

1.1电路板功能分析和电子元器件选择

一款产品的电路板设计是从功能分析入手的，只有充分考虑未来的需求功能，才能设计出一块性价比高、利用率高、开发空间大的电路板，这一部分是整个电路板设计的灵魂。我专业所设计的开发板的设计充分考虑了成本与功能这两个矛盾面，再结合循序渐进的实践体系的设计要求，综合考虑STM32高性能、低成本、低功耗的特点，最终设计出基于STM32单片机的多功能开发板(后面以STM32-EVM代替)[12-13]，该板具有4方面特点：①小巧，整个板子尺寸为10 cm×10 cm；②灵活，板上除晶振外的所有的 IO 口全部引出，可以极大的方便学生在后续课程设计以及课外科技活动中扩展及使用；③简单，板载独特的一键下载功能，直接在电脑上一键下载；④资源丰富，板载10多种外设及接口，可以充分挖掘 STM32 的潜质。

STM32-EVM主要有STM32单片机最小系统、串口下载及通信模块、外设模块及电源模块构成。各模块的电路图分别如图1～4所示。其中STM32单片机最小系统，主要是实现单片机的的正常运行，主要包括了STM32单片机、外部时钟电路、RTC时钟电路、复位电路、I/O排针。

图1 串口下载及通信模块电路图

STM32-EVM选择的是 STM32F103RCT6 作为 MCU，相对于51单片机，它拥有丰富的外设资，源包括： 48KB SRAM、 256KB FLASH、 2个基本定时器、 4个通用定时器、 2个高级定时器、2个DMA 控制器(共12个通道)、 3个SPI、 2个IIC、 5个串口、 1个USB、 1个CAN、 3个12 位 ADC、 1个12 位 DAC、 1个 SDIO 接口及 51个通用 IO 口。可以节省大量采购外设模块的资金。

串口下载及通信模块：STM32-EVM板载了USB 转串口芯片CH340，有了这个芯片，就可以实现USB 转串口，下载代码到单片机，实现与电脑的串口通信等功能。

外设模块：STM32-EVM板载了8个LED灯，3个按键，直流电机驱动模块，8路红外检测模块。其中电机驱动模块、红外检测模块和外置的智能小车底盘可以让学生完成智能小车的控制、红外循迹和红外避障功能，培养学生的综合能力。

电源模块：主要为开发板电路供电，该部分分为2部分，①为USB供电及电源转换电路，主要是在该开发板单独使用的时候使用；②为外置锂电池供电及电源转换电路，主要是在该开发板作为控制板，与智能小车底盘共同使用的时候使用。

图2 电动机驱动模块电路图

图3 8路的红外检测模块电路图

(a) 外置电池供电电路

(b) USB供电电路

1.2PCB焊接和调试

该部分主要是完成以下目的：a、实际接触到PCB板，对电路板有直观的认识；b、了解和掌握常用电子元器件的大小、形状和封装；c、了解和掌握电路板焊接的技能，其中包括元器件的贴片焊接和直插孔焊接，尤其对现代工业最常使用的贴片焊接的流程有清楚的认识；d、了解和掌握焊接工具的使用，比如钢网、回流焊机、电烙铁、热吹风等；e、掌握电路板的测试过程和操作。学生根据图5所示流程进行PCB设计和焊接操作。

图5 PCB焊接和调试流程图

1.3PCB板的绘制

经过PCB功能分析与焊接之后，学生对电路板设计有了初步的了解。接下来是EDA设计软件Altium Designer15的学习。该软件是主流的EDA设计软件，可实现PCB设计与绘制。此过程，教师负责进行绘制方法演示、指导、规则检查以及验收。通过此过程，学生可以通过原理图绘制和封装设置，电气法则测试、导入网络表、设计绘制PCB图，掌握 PCB工程及完整的电路图建立的过程。图6是学生自主焊接和绘制的PCB电路板图。

1.4电路板的调试——单片机程序设计与开发基础入门阶段

该阶段为了提升学生的成就感，必须让学生自己焊接出的电路板工作起来，因此在完成电路板的设计后，结合单片机程序设计，完成电路板功能的进一步开发，引发学生的学习热情，快速上手STM32。从 STM32 固件库、新建工程、编译和下载程序出发，学习STM32单片机的基础功能和常用外设。通过流水灯和按键实验掌握STM32的GPIO的原理和控制方法；通过中断实验，掌握EXTI外部中断输入方法；通过串口通信实验掌握单片机和电脑的信息交互的方法。

2 PCB实践课程设计产品的可持续开发利用

PCB实践课程设计的电路板功能的进一步开发和价值提升，可在后续的单片机程序设计和电子综合实训环节等课程设计中逐渐发挥出来。想要成为一名合格的电子工程师，仅仅能够进行硬件开发是不够的，因此在完成电路板的绘制和焊接后，需要使用该电路板进一步开发。

图6 焊接完成后的电路板及学生绘制的电路版图

2.1单片机程序设计阶段

由于前期PCB设计的是一个预留了很多外设接口的单片机最小系统，因此可以在电脑端使用移动的开发工具进行编程，并将程序写入到单片机中，进而完成单片机程序设计，实现一定的功能开发[14-15]。本阶段的课程设计，使用学生自制的基于STM32单片机的开发板，以C语言为基础，以uVision5 IDE 集成开发环境作为开发工具，以调用方便用户开发的STM32 固件库桥梁。在本阶段，学生主要完成以下内容：

(1) 高级功能扩展阶段。该阶段学生应掌握 STM32 的高级外设和常用的通信协议，通过使用 ADC和DAC实验掌握信号采集和输出的功能，通过器件DHT11、AT24C02、W25Q64掌握电子设计中常用单总线协议、IIC协议和SPI协议。

(2) 传感器模块学习阶段。该阶段利用自制开发板板载的10多种外设及接口，使学生了解和使用各种传感器模块，如红外感应模块、声音检测模块等十几款信息采集传感器，如步进电动机、蜂鸣器模块、继电器模块 等输出执行传感器，还有一些高级辅助模块，如无线传输模块NRF24L01，WiFi模块ESP8266 ，三轴加速度/陀螺仪模块MPU6050，液晶显示模块OLED12864等，为后续综合性自主设计与开发打下基础。

(3) 综合性自主设计与开发阶段。在学生掌握了基于STM32的软件编程和常用传感器模块的使用的基础上，进一步通过创新设计大赛充分发挥学生的主观能动性，培养学生的创新性精神、团队协作意识，及电子产品的设计开发能力。采用抽签形式将学生进行分组，每组3人。小组根据现有的STM32开发板和传感器模块，在4天时间内完成：项目及创新点提出；作品原型制作、软件开发、联合调试、答辩。最终以比赛形式进行项目作品验收。课设进行过程中，学生的参与性和主动性得到了充分发挥，创新实践能力得到了很大的提高。在该阶段涌现了大量的创新性题目，图7给出了学生的设计作品之一：基于超声波检测的儿童坐姿矫正仪，学生所做的十多个作品中，有3个作品被选中参加2016年在我校举办的CDIO亚洲区域会议作品展。

图7 学生课设作品——基于超声波的儿童坐姿矫正仪

2.2电子设计综合实训

经过前面PCB焊接与测试、单片机设计与应用两个实践性的训练，学生已经可以进行独立的开发和设计。为进一步巩固学习成果，继续提高学生的电子设计能力，在第5学期，设计了电子设计综合实训环节，利用学生自主设计的开发板，进行逐步增容，完成一个智能循迹小车的开发设计[16-17]，最终设计完成的智能小车实物如图8所示。

智能循迹小车作为一种融合自动控制、传感器检测、信息处理、计算机软硬件设计等多学科知识，集机电与一体的综合系统，是很好的电子设计综合实训项目。该智能小车以学生自主设计和焊接的STM32开发板为控制核心，集成红外传感器模块和超声波传感器，利用单片机的高速运算处理能力处理8路红外传感器信息，控制单片机的PWM输出占空比来调节左右直流减速电动机的转速，进而实现小车智能循迹行走，并通过超声波传感器实现躲避障碍物的功能。学生需要克服小车的直行、左转、右转、直道加速、S弯、虚线赛道处理、十字路口处理和自动停车等难题，该项目的完成，可以实现电路设计、程序设计、检测控制及信号处理等多方面专业知识的综合利用，提升学生的整体创新实践能力。

图8 基于PCB设计的智能小车实物

2.3课外实践科技活动

学生利用PCB课程设计阶段开发出的电路板，以及在后续课程设计中学到的编程能力、设备使用和调试能力，可以在课外实践活动中自主开发一些科技作品。3年来以学生为主体，以课程设计项目为依托，获批发明专利和软件注册权4项，国家级大学生创新训练计划9项，省级以上竞赛奖项20余项。以实物设计为载体的实践教学在节省资金的同时，充分激发了学生的投入热情，收到了很好的实践效果。

3 结 语

通过以单片机最小系统为载体的PCB电路设计，最大程度地与后续实践课程对接，通过单片机程序设计与开发、电子设计综合实训、以及课外科技活动等实践环节，充分发挥PCB课程设计的电路板的功能，使其具有可持续的利用价值，可以变身为多种创新实践项目。各实践环节既相互独立又前后关联，既有详细的理论又有大量的实践，充分发挥了学生的主观能动性，使学生具有独立的电路设计、计算机程序设计、电子产品设计能力。该可持续开发利用的PCB实践课程设计，经过4年的实践教学检验，具有提高实践教学经费的综合使用效率，和学生创新能力提高的双重目的，在高校电子类相关专业具有一定的推广价值。

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The PCB Practical Course Design with Sustainable Exploitation and Utilization

DUHuijinga，SUNYanlongb，GUODefenga

(a． College of Science， b． College of Electrical Engineering; Yanshan University,Qinhuangdao 066004， Hebei,China)

In this paper we take the PCB practical course design of electronic information science and technology major in Yanshan University as an example,and introduce the PCB practical courses based on the single chip minimal system design.By this course design,the circuit board designed by students themselves in this stage can be applied to the next practical segment.This can realize sustainable exploitation and utilization of the designed circuit,and optimize the integrated utilization efficiency for teaching funds and promote the transformation of the student’s practice from the passive imitation to initiative innovation.

printed circuit board(PCB); singlechip; practical teaching; electronic comprehensive training

2016-05-26

河北省高等教育教学改革研究与实践项目(2015GJJG029)

杜会静(1976-)，女，河北保定人,博士，副教授，硕士生导师；电子信息科学与技术系系主任，主要从事半导体及其相关器件研究。主持河北省教学改革项目一项，发表论文20余篇。

Tel.：18633594315；E-mail：hjdu@ysu.edu.cn

TN 41；G 642

：B

1006-7167(2017)07-0214-06