Лабораторная работа. Проектирование печатной платы в программе KiCad для целей автоматической локомотивной сигнализации.


Чтобы посмотреть презентацию с оформлением и слайдами, скачайте ее файл и откройте в PowerPoint на своем компьютере.
Текстовое содержимое слайдов:

Федеральное агентство железнодорожного транспортаФилиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования«Сибирский государственный университет путей сообщения» в г.Новоалтайске Лабораторная работа №1. Проектирование печатной платы в программе KiCad для целей автоматической локомотивной сигнализации.Автор: преподаватель информатики и схемотехники Чебан Олег ОлеговичДата создания: 2016, г. НовоалтайскЦель работы: Формирование профессиональных умений и навыков по освоению конструкторского проектирования печатных плат. Оборудование: Система автоматизированного проектирования KiCad http://kicad-pcb.org/ Краткие теоретические сведения.Автоматическая локомотивная сигнализация (АЛС) представляет собой комплекс устройств, автоматически повторяющих в кабине машиниста показания светофоров, к которым приближается поезд, независимо от профиля пути и погодных условий (см. Рис.1.).Рис. 1. Автоматическая локомотивная сигнализация.В системах АЛС для передачи сигналов с пути на локомотив используется рельсовая цепь, а сама передача сигналов осуществляется индуктивным способом (см. Рис. 2.). Рис. 2. Аналоговые импульсы локомотивной сигнализации. Для того, чтобы спроектировать дискретную интегральную схему нам потребуется преобразовать аналоговые импульсы в двоичные числа. Преобразование временного интервала в двоичный код осуществляется путем подсчета числа импульсов фиксированной частоты, укладывающихся в этот интервал (см. Рис. 3.). Рис. 3. Дискретный преобразователь импульсов. В нашем случае интервал определили в 0.1 сек. (для более точного результата интервал необходимо уменьшить в 2 раза, т.е. до 0.05 сек), синхроимпульс (серый) определяем по нижнему фронту дискретный сигнал 1 или 0. В итоге мы получили следующие двоичные коды:Зеленый – двоичное число 11101000 или десятичное 232Желтый – двоичное число 11010000 или 208Красный – число 10001000 или 136В качестве решения можно использовать два варианта: 1. статичную память хранящую коды цветов, плюс три компаратора (схемы сравнения) определяющие какой цвет должен загореться в кабине машиниста; 2. либо оптимизировать коды цветов отбросив первый бит и три последние, что позволит использовать стандартную микросхему дешифратора 4-16 (реализовать процедуру «обрезки» не управляющих кодов можно сдвигающим регистром). Остановимся на втором варианте, в итоге получим: Зеленый – двоичное число 1101 или десятичное 13Желтый – двоичное число 1010 или десятичное 10Красный – двоичное число 0001 или десятичная 1Осталось спроектировать печатную плату с одним входом (последовательный код цвета) и тремя выходами - локомотивный светофор. Описание САПР KiCad: САПР KiCAD предназначена для проектирования типовых элементов замены печатных плат средств вычислительной техники и радиоэлектроники. САПР KiCAD состоит из инструментов разработки плат, см. Таб. 1: Bitmap2Component Программа создания компонентов или посадочных мест из растрового образа *.lib, *.kicad_mod, *. kicad_wks PCB Calculator Расчёт параметров компонентов, ширины дорожек, зазоров между дорожками, номиналов элементов по цветовому коду и прочего… Нет Pl Editor Редактор оформления листа (создание и редактирование рамок) *.kicad_wksТаблица 1. Модули KiCad. *.kicad_wks Редактор оформления листа Pl Editor --- Расчёт параметров компонентов, ширины дорожек, зазоров между дорожками, номиналов элементов по цветовому коду и пр. PCB Calculator *.lib, *.kicad_mod, *. kicad_wks Программа создания компонентов или посадочных мест из растрового образа Bitmap2Component Все основные форматы Gerber (для фотоплоттеров) Обозреватель файлов формата GerbView *.kicad_pcb Редактор топологии печатных плат Pcbnew *.net Программа выбора посадочных мест для компонентов CvPcb *.sch, *.lib, *.net Редактор электрических схем Eeschema *.pro Менеджер проектов KiCad Типы файлов Описание Название программы САПР KiCAD поддерживает следующие расширения файлов: pro – проекты, sch – принципиальные схемы, brd – печатные платы, net – списки соединений контактов, lib – компоненты библиотек.1. Создание электрической схемы.1.1. Создайте новый проект: Файл → Новый проект → Новый проект. Запустите редактор схем Eeschema.1.2. Нажмите кнопку «Настройки страницы» . Установите «Размер» страницы «А4» и введите «Урок 1» в поле «Наименование», «Филиал СГУПС» в поле «Организация», ФИО в поле «Разработал», ФИО преподавателя в поле «Проверил». Результат: 1.3. Нажмите кнопку «Разместить компонент» . Нажмите левой кнопкой мыши в середине листа схемы. Появится окно Выбора компонента. Выберите дешифратор 4 *16 (decoder 4*16) 74LS154. Расположите компонент.Нажмите кнопку «Разместить компонент» и в поиске укажите R. Чтобы повернуть резистор нажмите кнопку клавиатуры R.Внимание! Список горячих клавиш вызывается по символу “?”/Напоминаю, что по условию задачи в кабине машиниста должен гореть только один сигнал светофора в зависимости от постоянно-получаемого сигнала считываемого с рельсовой цепи. Поэтому из 16 выходов дешифратора используем только 3, в зависимости от кода цвета. 1.4. Вставьте компанент LED. Для поворота компонента по часовой стрелке используйте контекстно-зависимое меню (вызывается правой кнопкой мыши).Чтобы создать копию компонента, имеющегося на листе, расположите над ним указатель мыши нажав клавишу «c». По правой кнопке мыши «Правка компонента» – «Обозначение» - задайте цвета светодиодов: RED – красный,YELLOW – желтыйGREEN – зеленый Переместить обозначение можно также по правой кнопке мыши – «Переместить обозначение»Светодиоды развернем в противоположном направлении, т.к. если на разрешающие входы (Е0, Е1) микросхемы 74LS154 подается напряжение низкого уровня, то на соответствующем выходе (на который указывает адресный вход А0, А1, А2, А3) устанавливается напряжение низкого уровня (цепь замкнется), а на остальных выходах — высокого. 1.5. Нажмите на кнопку Разместить порт питания в правой панели инструментов. В окне выбора компонента выберите VCC из библиотеки power.1.6. Прежде чем разместить резистор рассчитаем сопротивление R = Uгасящее / Iсветодиода Uгасящее = Uпитания – Uсветодиода Uпитания = 5 В, Uсветодиода = 3 ВIсветодиода = 20 мА = 0.02 АR =(5-3)/0.02= 100 Ом = 0.1 кОм То есть, надо взять резистор сопротивлением 100 ОмЗададим значение сопротивления: По правой кнопке мыши – Правка компонента – Значение – 1001.7. Далее соедините все компоненты проводниками. Нажмите кнопку Разместить проводник на правой панели инструментов.Нажмите кнопку Разместить флаг «не соединено» на правой панели инструментов. Результат: 1.8. Теперь необходимо добавить символы Power Flag, которые укажут KiCad’у, что питание подаётся от них. Нажмите клавишу p и отыщите PWR_FLAG. Подсоедините их к выводу VCC, тоже проделайте для GND.1.9. Как мы указали выше, для кода цветов оставим 4 бита. Для преобразования последовательного кода в параллельный используем 4 D-триггера.На схеме ограничимся коннектором на 4 входа - CONN_01*04.1.10. Для задания уникальных обозначений воспользуемся командой автоматического именования по кнопке Обозначить схему 1.11. Выполним проверку электрических правил проектирования .Если ошибки, то проверьте схему с образцом.1.12. Создать файл списка цепей схемы «Netlist», в котором ещё нужно будет присвоить посадочные места для всех компонентов. Нажмите кнопку «Сформировать список цепей» - «Сформировать».

Лабораторная работа №1. Проектирование печатной платы в программе KiCad для целей автоматической локомотивной сигнализации.
Цель работы: Формирование профессиональных умений и навыков по освоению конструкторского проектирования печатных плат.
Оборудование: САПР KiCad.
Краткие теоретические сведения.
Автоматическая локомотивная сигнализация (АЛС) представляет собой комплекс устройств, автоматически повторяющих в кабине машиниста показания светофоров, к которым приближается поезд, независимо от профиля пути и погодных условий (см. Рис.1.).
Рис. 1. Автоматическая локомотивная сигнализация.

В системах АЛС для передачи сигналов с пути на локомотив используется рельсовая цепь, а сама передача сигналов осуществляется индуктивным способом (см. Рис. 2.).
Рис. 2. Аналоговые импульсы локомотивной сигнализации.

Для того, чтобы спроектировать дискретную интегральную схему нам потребуется преобразовать аналоговые импульсы в двоичные числа. Преобразование временного интервала в двоичный код осуществляется путем подсчета числа импульсов фиксированной частоты, укладывающихся в этот интервал (см. Рис. 3.).
Рис. 3. Дискретный преобразователь импульсов.

В нашем случае интервал определили в 0.1 сек. (для более точного результата интервал необходимо уменьшить в 2 раза, т.е. до 0.05 сек), синхроимпульс (серый) определяем по нижнему фронту дискретный сигнал 1 или 0. В итоге мы получили следующие двоичные коды:
Зеленый – двоичное число 11101000 или десятичное 232
Желтый – двоичное число 11010000 или 208
Красный – число 10001000 или 136
В качестве решения можно использовать два варианта:
статичную память хранящую коды цветов, плюс три компаратора (схемы сравнения) определяющие какой цвет должен загореться в кабине машиниста;
либо оптимизировать коды цветов отбросив первый бит и три последние, что позволит использовать стандартную микросхему дешифратора 4-16 (реализовать процедуру «обрезки» не управляющих кодов можно сдвигающим регистром).
Остановимся на втором варианте, в итоге получим:
Зеленый – двоичное число 1101 или десятичное 13
Желтый – двоичное число 1010 или десятичное 10
Красный – двоичное число 0001 или десятичная 1
Осталось спроектировать печатную плату с одним входом (последовательный код цвета) и тремя выходами - локомотивный светофор.

Описание САПР KiCad:

САПР KiCAD предназначена для проектирования типовых элементов замены печатных плат средств вычислительной техники и радиоэлектроники. САПР KiCAD состоит из инструментов разработки плат, см. Таб. 1:

Bitmap2Component Программа создания компонентов или посадочных мест из растрового образа *.lib, *.kicad_mod, *. kicad_wks PCB Calculator Расчёт параметров компонентов, ширины дорожек, зазоров между дорожками, номиналов элементов по цветовому коду и прочего Нет Pl Editor Редактор оформления листа (создание и редактирование рамок) *.kicad_wks
Таблица 1. Модули KiCad.
Название программы
Описание
Типы файлов

KiCad
Менеджер проектов
*.pro

Eeschema
Редактор электрических схем
*.sch, *.lib, *.net

CvPcb
Программа выбора посадочных мест для компонентов
*.net

Pcbnew
Редактор топологии печатных плат
*.kicad_pcb

GerbView
Обозреватель файлов формата
Все основные форматы Gerber (для фотоплоттеров)

Bitmap2Component
Программа создания компонентов или посадочных мест из растрового образа
*.lib, *.kicad_mod, *. kicad_wks

PCB Calculator
Расчёт параметров компонентов, ширины дорожек, зазоров между дорожками, номиналов элементов по цветовому коду и пр.
---

Pl Editor
Редактор оформления листа
*.kicad_wks


САПР KiCAD поддерживает следующие расширения файлов: pro – п
·роекты, sch – принципиальные схемы, brd – печатные платы, net – списки соединений контактов, lib – компоненты библиотек.
Создание электрической схемы.
1.1. Создайте новый проект: Файл Новый проект Новый проект.


Запустите редактор схем Eeschema.
1.2. Нажмите кнопку «Настройки страницы» . Установите «Размер» страницы «А4» и введите «Урок 1» в поле «Наименование», «Филиал СГУПС» в поле «Организация», ФИО в поле «Разработал», ФИО преподавателя в поле «Проверил».
Результат:

1.3. Нажмите кнопку «Разместить компонент» . Нажмите левой кнопкой мыши в середине листа схемы. Появится окно Выбора компонента. Выберите дешифратор 4 *16 (decoder 4*16) 74LS154.

Расположите компонент.
Нажмите кнопку «Разместить компонент» и в поиске укажите R. Чтобы повернуть резистор нажмите кнопку клавиатуры R.
Внимание! Список горячих клавиш вызывается по символу “?”/

Напоминаю, что по условию задачи в кабине машиниста должен гореть только один сигнал светофора в зависимости от постоянно-получаемого сигнала считываемого с рельсовой цепи. Поэтому из 16 выходов дешифратора используем только 3, в зависимости от кода цвета.
1.4. Вставьте компанент LED. Для поворота компонента по часовой стрелке используйте контекстно-зависимое меню (вызывается правой кнопкой мыши).

Чтобы создать копию компонента, имеющегося на листе, расположите над ним указатель мыши нажав клавишу «c».
По правой кнопке мыши «Правка компонента» – «Обозначение» - задайте цвета светодиодов:
RED – красный,
YELLOW – желтый
GREEN – зеленый
Переместить обозначение можно также по правой кнопке мыши – «Переместить обозначение»
Светодиоды развернем в противоположном направлении, т.к. если на разрешающие входы (Е0, Е1) микросхемы 74LS154 подается напряжение низкого уровня, то на соответствующем выходе (на который указывает адресный вход А0, А1, А2, А3) устанавливается напряжение низкого уровня (цепь замкнется), а на остальных выходах высокого.
1.5. Нажмите на кнопку Разместить порт питания в правой панели инструментов. В окне выбора компонента выберите VCC из библиотеки power.
1.6. Прежде чем разместить резистор рассчитаем сопротивление
R = Uгасящее / Iсветодиода Uгасящее = Uпитания – Uсветодиода Uпитания = 5 В Uсветодиода = 3 В Iсветодиода = 20 мА = 0.02 А R =(5-3)/0.02= 100 Ом = 0.1 кОм
То есть, надо взять резистор сопротивлением 100 Ом
Зададим значение сопротивления: По правой кнопке мыши – Правка компонента – Значение - 100
1.7. Далее соедините все компоненты проводниками. Нажмите кнопку Разместить проводник на правой панели инструментов.
Нажмите кнопку Разместить флаг «не соединено» на правой панели инструментов.
Результат:

1.8. Теперь необходимо добавить символы Power Flag, которые укажут KiCad’у, что питание подаётся от них. Нажмите клавишу p и отыщите PWR_FLAG. Подсоедините их к выводу VCC, тоже проделайте для GND.
1.9. Как мы указали выше, для кода цветов оставим 4 бита. Для преобразования последовательного кода в параллельный используем 4 D-триггера.

На схеме ограничимся коннектором на 4 входа - CONN_01*04.
1.10. Для задания уникальных обозначений воспользуемся командой автоматического именования по кнопке Обозначить схему
1.11. Выполним проверку электрических правил проектирования . Если ошибки, то проверьте схему с образцом.
1.12. Создать файл списка цепей схемы «Netlist», в котором ещё нужно будет присвоить посадочные места для всех компонентов. Нажмите кнопку «Сформировать список цепей» - «Сформировать».


HYPER15Основной шрифт абзаца

Приложенные файлы

  • ppt KICAD1
    Чебан О. О.
    Размер файла: 299 kB Загрузок: 11
  • doc KiCad01
    Размер файла: 275 kB Загрузок: 11