《汽車電路CAD》課程的項(xiàng)目式教學(xué)方法

王吉華　曲金玉　劉秀清

【摘 要】根據(jù)《汽車電路CAD》課程教學(xué)大綱和各部分內(nèi)容的緊密關(guān)系，基于Protel 99se軟件，將一個(gè)項(xiàng)目作為例子，闡述課程的項(xiàng)目式教學(xué)方法。根據(jù)課堂實(shí)踐，能較好地將教學(xué)大綱內(nèi)容融合到項(xiàng)目實(shí)踐中，完成教學(xué)任務(wù)，使學(xué)生在興趣驅(qū)動(dòng)下，提高了學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力，改善了教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】教學(xué)；項(xiàng)目式方法；實(shí)踐；融合；Protel 99se軟件

0 引言

項(xiàng)目式教學(xué)是在教學(xué)過程中，根據(jù)課程教學(xué)大綱目的和任務(wù)，教師為學(xué)生選擇合適項(xiàng)目，學(xué)生在教師引導(dǎo)下，通過完成項(xiàng)目來達(dá)到課程教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的目的[1]。項(xiàng)目式教學(xué)可讓學(xué)生在項(xiàng)目中充分掌握基本概念和主要知識點(diǎn)，能較大程度地提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性，并發(fā)揮主觀能動(dòng)性[2]。

根據(jù)《汽車電路CAD》（Computer Aided Design，，CAD）課程教學(xué)大綱要求，課程主要包括原理圖、原理圖庫元件、印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）、PCB庫元件等四個(gè)模塊的內(nèi)容，而且四個(gè)模塊內(nèi)容是緊密相關(guān)的一個(gè)整體，原理圖庫元件為原理圖設(shè)計(jì)服務(wù)，PCB庫元件為PCB設(shè)計(jì)服務(wù)，而原理圖設(shè)計(jì)又是為PCB設(shè)計(jì)服務(wù)，最終目的是完成電路原理圖和PCB的設(shè)計(jì)[3]。因此，不論在內(nèi)容上還是在學(xué)習(xí)的先后順序上，《汽車電路CAD》課程均適合應(yīng)用項(xiàng)目式教學(xué)方法。將利用一個(gè)項(xiàng)目作為例子，使其貫穿于整個(gè)課程，介紹項(xiàng)目式教學(xué)方法的實(shí)行過程；教師在項(xiàng)目的各個(gè)階段作適當(dāng)引導(dǎo)[4]，并根據(jù)需要調(diào)整階段性任務(wù)；學(xué)生通過實(shí)踐項(xiàng)目，完成課程學(xué)習(xí)，帶著探索精神和濃厚興趣，對整個(gè)課程形成一個(gè)完整的知識體系，達(dá)到較好的教學(xué)效果。

1 項(xiàng)目基本任務(wù)、要求和參考

項(xiàng)目式教學(xué)首先是項(xiàng)目內(nèi)容要覆蓋大綱要求的各部分，其次是內(nèi)容編排要適合教材內(nèi)容的順序，便于學(xué)生學(xué)習(xí)和完成項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)?！镀囯娐稢AD》課程是結(jié)合汽車電路進(jìn)行CAD，結(jié)合這個(gè)特點(diǎn)，舉出一個(gè)具體項(xiàng)目來闡述項(xiàng)目式教學(xué)方法。

在汽車上常使用各種光報(bào)警裝置，項(xiàng)目基本任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)由單片機(jī)控制一個(gè)雙色發(fā)光二極管進(jìn)行閃光報(bào)警的光報(bào)警電路，具體要求是：1）繪制出電路圖；2）打印出元件列表；3）生成網(wǎng)絡(luò)表；4）設(shè)計(jì)PCB。提供參考的電路圖如圖1，包含四個(gè)虛線框，各自對應(yīng)項(xiàng)目的四個(gè)功能模塊，分別是單片機(jī)、單片機(jī)復(fù)位電路、單片機(jī)晶體振蕩電路（簡稱晶振電路）和雙色發(fā)光二極管等。

原理圖中包含的元件信息如表1。表中列出了原理圖中所需的單片機(jī)、雙色放光二極管、電阻、電解電容、雙極性電容、晶振和按鈕等七類元件，包含其名稱、原理圖庫中的名稱（簡稱SCH名）和PCB庫中的名稱（即封裝名，簡稱PCB名）。其中，在Protel99 se軟件自帶的庫中沒有雙色二極管的原理圖元件和PCB元件，需要自行設(shè)計(jì)，而教材和大綱要求的先后學(xué)習(xí)順序是先原理圖后原理圖庫元件設(shè)計(jì)和先PCB后PCB庫元件設(shè)計(jì)，所以在項(xiàng)目進(jìn)行的各個(gè)階段，根據(jù)項(xiàng)目總內(nèi)容和要求，教師需適當(dāng)調(diào)整各階段具體要求和任務(wù)，并作出引導(dǎo)，以保證項(xiàng)目的順利進(jìn)行。

2 項(xiàng)目各階段實(shí)現(xiàn)

2.1 原理圖設(shè)計(jì)

學(xué)生剛接觸這門課程，第一次課的教師引導(dǎo)作用尤為重要。首先，需介紹本課程作用和地位、Protel軟件的發(fā)展、課程學(xué)習(xí)內(nèi)容和方法、Protel 99se軟件安裝和打開方法、文件組織管理以及課程包含的四個(gè)模塊內(nèi)容的相互銜接關(guān)系等；其次，介紹四個(gè)模塊的內(nèi)容所對應(yīng)文件建立方法；最后落實(shí)到項(xiàng)目上，介紹原理圖編輯界面組成、功能、主要菜單和工具條的使用，分析項(xiàng)目要求和原理圖1的功能，解釋表1中元件、SCH名和PCB名的含義。

由于Protel自帶庫中無雙色發(fā)光二極管元件，本階段用兩個(gè)放光二極管D1和D2來代替，如圖2，其SCH名為LED，封裝可以用PCB名為AXIAL-0.3的元件來代替；

圖2 兩個(gè)發(fā)光二極管替代一個(gè)雙色發(fā)光二極管

教師引導(dǎo)時(shí)，可使用Protel 99se軟件邊操作邊講解，學(xué)生打開電腦跟著老師操作，這樣在項(xiàng)目的最初始階段，學(xué)生能在理解課程和項(xiàng)目任務(wù)的基礎(chǔ)上，較好地熟悉原理圖文件建立方法以及編輯器菜單和工具條的使用，便于本階段項(xiàng)目原理圖設(shè)計(jì)。

在原理圖設(shè)計(jì)階段的項(xiàng)目要求下，學(xué)生根據(jù)SCH名查找元件，添加必要的原理圖庫，放置原理圖元件和進(jìn)行元件屬性設(shè)置，并進(jìn)行原理圖布局和布線。放置的元件除了表1列出的7類元件外，還包含電源、接地和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號等對象，并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號名稱和電源式樣的設(shè)置。元件屬性中，要設(shè)置元件的設(shè)計(jì)序號、封裝；有的要設(shè)置名稱，例如8051A，有的要設(shè)置屬性值，例如電阻值、電容值和晶振頻率等。

完成電路圖設(shè)計(jì)后，根據(jù)菜單生成電路圖的網(wǎng)絡(luò)表和元件列表清單，并可連接打印機(jī)打印。本階段項(xiàng)目設(shè)計(jì)內(nèi)容，基本覆蓋了大綱要求的內(nèi)容，學(xué)生在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中需參考教材，實(shí)時(shí)向老師提問，鍛煉了學(xué)生的自學(xué)和創(chuàng)新能力。

2.2 層次電路圖設(shè)計(jì)

進(jìn)行大項(xiàng)目開發(fā)時(shí)，電路的功能復(fù)雜，元件數(shù)目較大，利用層次電路圖可使設(shè)計(jì)條理清晰，模塊化程度增加。這個(gè)階段要求將圖1中的四個(gè)虛線框分別作為四個(gè)子電路，設(shè)計(jì)圖1電路的層次電路圖。

在2.1中原理圖設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，教師介紹層次電路圖的子電路和主電路文件組織；分析主電路中各子電路的連接關(guān)系，以單片機(jī)和晶振兩個(gè)子電路為例，如圖3所示，在主電路中，二者的方塊電路之間是靠方塊電路端口X1、X2和GND進(jìn)行連接，在各自對應(yīng)的子電路文件單片機(jī).sch和晶振電路.sch中是依據(jù)同名的電路端口進(jìn)行連接；最后介紹自上而下和自下而上兩種設(shè)計(jì)方法的步驟。

學(xué)生參考圖1中四個(gè)子電路的劃分，分析各子電路的連接關(guān)系，設(shè)計(jì)相應(yīng)子電路端口或方塊電路端口，進(jìn)行自上而下或自下而上的層次電路圖設(shè)計(jì)，并利用文件管理器或菜單來切換和瀏覽主電路和子電路。

2.3 原理圖庫元件設(shè)計(jì)

前兩階段中，雖然完成了基本原理圖設(shè)計(jì)，但還沒有真正完成項(xiàng)目所要求的前三項(xiàng)內(nèi)容，因?yàn)閳D1和表1中雙色發(fā)光二極管庫元件及其封裝都是暫時(shí)替代元件，而沒有自行設(shè)計(jì)，本階段將先進(jìn)行雙色發(fā)光二極管的原理圖庫元件設(shè)計(jì)，封裝暫時(shí)換成DIP-4來代替，其實(shí)際封裝需在后面的PCB庫元件階段設(shè)計(jì)完成。

教師分析原理圖庫元件的外形、引腳和屬性三部分功能和作用，強(qiáng)調(diào)唯有引腳具有電氣連接特性；介紹外形繪制方法和引腳屬性設(shè)置；分析復(fù)合元件原理和繪制方法。雙色放光二極管可作為由兩個(gè)發(fā)光二極管組成的復(fù)合元件，可制作成如圖1中DL1的整體形式或兩個(gè)LED元件的獨(dú)立形式。介紹復(fù)合元件由各部分元件獨(dú)立組成的原理和利用New Part菜單設(shè)計(jì)的方法。

學(xué)生充分理解和掌握了以上基本知識后，可自行設(shè)計(jì)雙色發(fā)光二極管的原理圖庫元件，并將庫元件所在數(shù)據(jù)庫加載，然后在原理圖中放置該元件并將其屬性中的封裝修改為DIP-4，替代圖2中的兩個(gè)放光二極管，并重新生成網(wǎng)絡(luò)表和元件清單列表。

2.4 PCB設(shè)計(jì)

以上完成了雙色發(fā)光二極管原理圖庫元件設(shè)計(jì)并添加到項(xiàng)目原理圖中，但其封裝仍是替代元件DIP-4，本階段利用已設(shè)計(jì)的原理圖和網(wǎng)絡(luò)表來初步完成項(xiàng)目的PCB設(shè)計(jì)。

教師介紹電路板的種類和概念、層的概念和作用、電路板的常用對象、PCB編輯器常用菜單和工具欄使用；分析電路板設(shè)計(jì)步驟、網(wǎng)絡(luò)表和元件加載方法、元件布局方法、自動(dòng)布線和手動(dòng)布線的方法和區(qū)別；手動(dòng)和利用向?qū)陆≒CB文件和完成電路板規(guī)劃方法。

學(xué)生選擇相應(yīng)方法生成PCB文件和規(guī)劃電路板；加載2.3中生成的原理圖網(wǎng)絡(luò)表和元件，若有錯(cuò)誤需進(jìn)行電路圖修改，并重新生成和加載網(wǎng)絡(luò)表，直到?jīng)]有錯(cuò)誤后執(zhí)行加載；進(jìn)行元件布局和自動(dòng)布線以及手工布線調(diào)整；覆銅和補(bǔ)淚滴，初步完成項(xiàng)目的PCB設(shè)計(jì)。

2.5 PCB庫元件設(shè)計(jì)

以上PCB設(shè)計(jì)時(shí)，雙色發(fā)光二極管封裝仍是暫時(shí)替代元件DIP-4，本階段將自行設(shè)計(jì)，并修改PCB，最終完成項(xiàng)目任務(wù)。雙色發(fā)光二極管的封裝如圖4，PCB名為DUALLED，四個(gè)引腳的中心點(diǎn)構(gòu)成邊長為100mil的正方形，外形為200mil的正方形，+號和1、2引腳的方形焊盤均為內(nèi)部兩個(gè)LED陽極標(biāo)志，3、4引腳為圓形焊盤，四個(gè)引腳的孔直徑均為35mil，方形焊盤邊長和圓形焊盤直徑均為62mil。

教師介紹PCB庫元件設(shè)計(jì)編輯器、庫元件設(shè)計(jì)方法和步驟、外形繪制以及焊盤添加及其屬性設(shè)置；分析圖1中雙色發(fā)光二極管的SCH元件和圖4中PCB元件的引腳對應(yīng)關(guān)系，使學(xué)生深入理解實(shí)際電路中元件外形和引腳與電路原理圖元件的內(nèi)在聯(lián)系和區(qū)別。

學(xué)生在PCB設(shè)計(jì)階段對層概念理解的基礎(chǔ)上，在PCB編輯器中新建一個(gè)元件并命名為DUALLED，選擇頂層絲印層和綜合層分別繪制要求的外形和焊盤。

重新打開2.3中修改后的原理圖，在雙色發(fā)光二極管的屬性中將封裝改為DUALLED，重新生成網(wǎng)絡(luò)表。接下來是徹底完成項(xiàng)目的任務(wù)，有兩種方法，一是，按2.4中的方法重新設(shè)計(jì)項(xiàng)目的PCB；另一種方法是修改2.4中設(shè)計(jì)的PCB，打開這個(gè)PCB的文件，刪除覆銅和發(fā)光二極管的替代封裝DIP-4，加載圖4庫元件所在的數(shù)據(jù)庫，加載重新生成的網(wǎng)絡(luò)表，由于網(wǎng)絡(luò)表中僅將雙色發(fā)光二極管封裝DIP-4改為DUALLED并對其進(jìn)行了連接，所以加載網(wǎng)絡(luò)表后，PCB中其它元件的原始布線不會(huì)改變，只需將圖4的封裝移到合適位置，并手動(dòng)調(diào)整和修改導(dǎo)線的連接，從而完成項(xiàng)目任務(wù)。

3 總結(jié)

使用項(xiàng)目式教學(xué)方法，將一個(gè)項(xiàng)目貫穿于課程教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)。教師在項(xiàng)目設(shè)計(jì)的各個(gè)階段作必要引導(dǎo)，根據(jù)大綱和教材內(nèi)容及編排順序，適當(dāng)調(diào)整項(xiàng)目要求，學(xué)生依次完成項(xiàng)目各階段任務(wù)，最終完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)。通過項(xiàng)目實(shí)踐，完成了課程教學(xué)任務(wù)，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力，達(dá)到較好的教學(xué)效果。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：田吉捷]