基于Altium designer的单片机最小系统项目教学实践

【摘要】在《电子线路CAD》课程中运用项目教学法，通过完成“单片机最小系统设计”这一工作任务，有机地将理论与实践相结合，突破陈旧软件教学模式和版本，实现“教学做一体化”，达到学生对知识点的掌握和对能力的提升的目标。

【关键词】Altium designer；单片机最小系统；原理图；PCB；项目教学

《电子线路CAD》是职业院校电子类专业的必修课程，该课程一般通过学习Protel这款电子业界流行的线路设计软件的操作方法和步骤，对学生进行电子线路计算机辅助设计的知识学习和技能培养。

传统上该门课程所使用的软件版本为99SE，近一些年Protel软件在持续更新，陆陆续续有DXP、Altium designer（改变了软件名称，但仍被认作是Protel的后续）等重要的版本出现。新版本的软件集成了世界领先的EDA特性和技术，主要包括原理图设计、PCB设计、Spice仿真、VHDL仿真与综合、信号完整性分析等功能。在一定程度上，打破了传统的设计工具模式，提供了以项目为中心的设计环境，包括强大的导航功能、源代码控制、对象管理、设计变量和多通道设计等高级设计方法。该系列软件开发者Altium公司强力推荐新的版本，业界也慢慢减少99SE的使用，逐渐采用新版本的软件。例如2012年教育部举办的全国职业院校技能大赛--电子产品设计及制作（基于FPGA技术）项目所使用的配套软件为Altium designer软件，第七届全国信息技术应用水平大赛—PCB设计项目要求使用Altium Designer软件（以下简称AD）。

一般来说《电子线路CAD》课程的教学重注对知识的归类、分层、细化，对Protel软件的基本命令和操作方法按照知识的层次学科性而由易到难、从浅入深、逐次推进、面面俱到地罗列，整个内容类似软件的说明书般。这样子教授下去缺乏对学生主动学习与实践能力的关注。学生们只能被动学习，难以真正动手实践，不能掌握职业技能。

高职教育的理念强调教学过程与工作过程相一致，强调培养高端技能型人才。计算机辅助电子线路设计应针对岗位职业行动能力设计教学内容，利用新版本的软件从设计一个原理图文件到加工制作成电子线路板，形成一个完整的工作过程。《电子线路CAD》课程应以培养学生电子线路板设计的能力为核心将项目案例作为载体引入到教学过程中，基于工作过程构建教学过程。

但是项目化教学不仅仅是一种理念，还需要专业教学的老师去认真分析该项目化教学中的某个具体项目在社会实际工作中的实用性、广泛性以及普通学生水平的接受程度。最终项目才能经过专业的论证而进行推广试用。而市面上所见一般该课程的教材所采用的项目既有单管放大电路，信号发生电路；也有U盘、鼠标等内容。对于编写一本书而言任何项目都是可以采用的，但是老师在教学中必须要有所取舍。

笔者担任本院《电子线路CAD》的教学项目已经5年，我院的《电子线路CAD》在第三学期开设，开设的时间同《单片机原理及应用》、《电子产品工艺》等课程同步。在实践中发现，经过第一学年基础课程的学习，学生们知道一些专业基础知识，进入到一个专业发展的瓶颈区域。大家普遍存在着“知道自己不知道”或者“不知道自己知道”这样一种迷惘的状态。为了改变这样子的状态，需要老师结合与社会生产中实际相关或者课程相关的项目给学生一个实际演练的机会。通过接近真实产品的生产过程训练，学生们可以说一下子豁然开朗，明白本专业到底是干什么的了，我到底可以做些什么。

单片机最小系统是一个很好的实训项目。本学期同学们做单片机的实习经常接触到单片机的实验箱和扩展开发板，成绩好的学生不免会发生这样子的疑问：这一些东西是怎么做出来的？老师在《电子线路CAD》课时，应当及时的讲解相关PCB的知识，回答疑问，同时可以视条件带领学生把PCB给做出来，同样在《电子产品工艺》课程上也应带领学生把产品焊接出来，这样子由原理图到设计PCB到实际生产，与实际相连一条龙进行真正落实高职培养的内涵。

该项目可以在讲解完简单的PCB制作后进行，这时学生不但对软件AD而且对单片机的知识也应有相当的理解。

一、确定项目任务

首先是确立项目任务分解及考核标准，如表1所示。

接着是工作流程分解，如图1所示。一般印制电路板按照以下流程进行设计。

二、项目实施

1.原理图设计

原理图设计是完成整个项目的基础。课程目标是要训练学生使用AD软件的技能，培养学生的标准意识、规范意识、质量意识、协作意识等职业素养。单片机最小系统原理图设计，学生需要达到项目任务分解的“能力目标”。学生操作过程中，强调建立工程项目概念，如图2所示，强调导线Wire的电气特性及相同网络标号（NetLable）表示电气性能相互连接。

如果感觉某学生的水平层次还行，可以进一步要求在最小系统图的基础上增加电路，如在不同的P口处加入电机、喇叭、LED等等。

不同的学校采用的单片机芯片可能不同，需要新建一个对应相关的芯片的集成库，集成库的后缀名为.Intlib，集成库所需要的源文件包括：原理图元器件库文件、PCB封装库文件以及仿真模块和完整性分析模块等。生成新的集成库文件的操作是先新建.LibPkg文件，再添加.Schlib和.Pcblib文件。一般单片机芯片都采用51类型的，大部分封装为DIP40，一般在现有的封装上进行修改这样操作就比较方便。原理图绘制完成后需要进行电气检查，生成网络表，整个原理设计工作才算完成。

2.PCB设计

对于单片机最小系统PCB设计，学生需要达到按照项目任务分解的能力目标。

首先是规划PCB的尺寸，实际上就是定义PCB的机械轮廓和电气轮廓。机械轮廓定义在机械层上，指的是PCB板的物理外形和尺寸。电气轮廓定义在禁止布线层上，指的是PCB板上放置元件和布线的范围。具体操作就不再赘述。

接着就是载入网络表，只要原理图绘制正确，封装成功，一般没有什么问题。

对于PCB设计，布局和布线是最为关键的一步。对于同一功能块的元件应该尽量放置在一起。体积大、重量重的元件宜根据板子的承受能力确定摆放位置。发热元件应远离关键芯片等，时钟电路应远离输入信号等敏感电路。

实际布局过程中，可指导学生按照信号的流程各个安排不同功能电路单元，以功能电路的核心元件为中心进行布局，尽量减小和缩短元件之间的引线和连接。元件的布局应遵照信号的流通，使信号尽可能保持一致的方向。多数情况下，信号的流向安排为从左到右或从上到下，与输入、输出端直接相连的元件应当放在靠近输入、输出接插件或连接器的附近。

布线一般采用自动布线方法，线宽一般设置在10Mil，电源和较大电路的地线位20Mil。布线在元器件多的情况下偶尔不能成功，或者布线弯绕很远，明显有问题。这个时候需要老师对学生进行走线拓扑方面的指导，对于布线交叉的位置多采用“钻”、“绕”的方法，特别是在大体积元件的引脚之间摆放元件，往往有奇效。

补泪滴、覆铜等方面知识也是需要了解的。最后绘制的PCB图如图3所示。

3.PCB板的制作

PCB板的制作一般采用人工腐蚀的方法，用的最多的是热转印法。将绘制好的电路板用热转印纸打印出来，然后经过热转印至PCB板、FeCl3溶液腐蚀电路板、电路板钻孔、焊接和调试等几个步骤，就可以制作一个完整的模拟叫声电路板。制作时FeCl3溶液腐蚀性很大，需小心注意安全。

如果要进行装配，老师可以弄好元器件清单并指导学生先检查所有元器件质量，对照电路原理图，在PCB板上根据丝印层标号进行焊接。装配完毕后分段对各部分电路进行通电检测然后进行总的测试。

三、结论

在本课程中采用项目教学法打破知识体系的局限，利用业界流行的AD软件，采用理实一体化的教学模式。使学生在完成完整的典型工作任务的过程中，形成对整体课程的认识体验，实现与岗位零距离接触，利于学生系统掌握课程的知识和技能，取得更好的教学效果。

参考文献

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