KICAD: projektowanie płytki PCB

W poprzednich odcinkach narysowaliśmy schemat i przypisaliśmy obudowy. Tym sposobem mamy w projekcie pliki sonda.sch oraz sonda.net. Aby zacząć projektować płytkę, otwieramy edytor PCBNEW - klikamy trzecią ikonę od lewej.

W programie PCBNEW zamiast słowa obudowa, używa się określenia moduł, a czasami można też spotkać określenie footprint.

Po prawej stronie okna program jest Menedżer warstw. Służy do pokazywania i ukrywania napisów, ścieżek na warstwie górnej, dolnej, komentarzy, itp. Przydaje się w bardziej zaawansowanych projektach, kiedy robimy płytkę dwustronną i chcemy ukryć niepotrzebne rzeczy, by nie zaciemniały rysunku. Nasz przykładowy projekt jest jednak na tyle prosty, że menedżer warstw będzie niepotrzebny. Wyłączamy go, klikając przycisk Pokaż/ukryj pasek menedżera warstw po lewej stronie na dole.

Warstwy można wygodnie zmieniać, korzystając z listy rozwijanej z górnego paska narzędzi. Elementy na ogół umieszcza się na warstwie górnej. Aby szybko przełączyć warstwę górną na dolną lub odwrotnie, naciśnij klawisz V.

Identycznie jak w programie EESCHEMA, aby powiększyć widok używamy kółka od myszki. Odpowiednio zmniejszając i powiększając można szybko przesunąć widok w żądane miejsce. Kręcąc kółkiem jednocześnie trzymając klawisz CTRL lub SHIFT przesuwamy widok w pionie i w poziomie.

Import elementów

Po otwarciu programu, naszym oczom ukazuje się pusty czarny arkusz, na którym nie ma jeszcze żadnych elementów. Wobec tego klikamy przycisk Wczytaj listę sieci, z górnego paska i wczytujemy plik sonda.net. Wszystkie elementy pokazały się w punkcie o współrzędnych 0,0 a przydałoby się je jakoś rozmieścić w taki sposób, aby nie były jeden na drugim. Uwaga, proszę się teraz skupić, bo automatyczne rozmieszczanie elementów zostało zrobione dość dziwnie i nieintuicyjnie!

Klikamy ikonę Tryb ręcznego i automatycznego rozmieszczania modułów na górnym pasku, następnie prawym przyciskiem myszy klikamy na czarne tło i wybieramy Globalne przesuwanie i umieszczanie > Przesuń wszystkie moduły. Elementy rozmieszczą się w sposób bardziej elegancki, choć ciągle daleko do końca projektu. Po wykonaniu tej operacji koniecznie klikamy jeszcze raz na przycisk Tryb ręcznego i automatycznego rozmieszczania modułów, aby go wyłączyć.

Obrys płytki

Jeżeli wiadomo, jakie rozmiary ma mieć płytka, należy zacząć od narysowania jej obrysu. W pasku wyboru warstw (na górze) wybieramy warstwę Krawędziowa i następnie z lewego paska wybieramy narzędzie Dodaj linię lub wielokąt i rysujemy prostokąt o wymiarach 10x50mm. Ale jak? Najpierw musimy przełączyć jednostki na milimetry, a następnie wybieramy siatkę 1,000 (patrz na zdjęcie poniżej). Teraz posłużymy się pomocniczym układem współrzędnych, który znajduje się na samym dole programu, w pasku stanu. Są tam dwa układy - globalny i lokalny, które wskazują pozycję kursora. Lokalny układ można wyzerować po naciśnięciu klawisza spacja. Klikamy gdzieś na czarnym tle i rysujemy prostokąt, tak jak na zdjęciu poniżej.

Możemy jeszcze dodać linie wymiarowe na warstwie rysunkowej. Służy do tego narzędzie Linia wymiarowa w pasku po lewej. Domyślnie liczba przy linii wymiarowej ma trzy miejsca po przecinku, ale nie ma sensu podawać wymiarów z taką precyzją, bo niemożliwe jest cięcie laminatu z dokładnością do mikrometra. Wobec tego klikamy dwukrotnie na linie wymiarowe i zmieniamy wymiary na 10mm i 50mm.

Rozmieszczanie elementów

Skróty klawiaturowe

• M - przesuń element (move)
• G - przesuń element razem ze ścieżkami (grab)
• D - przesuń segment ścieżki (drag)
• T - znajdź element po nazwie
• R - obróć element (rotate)
• F - przenieś element na przeciwną stroną płytki (flip)
• E - edycja elementu/napisu wskazanego kursorem (edit)
• X - rysowanie ścieżki
• V - zmiana warstwy lub dodanie przelotki (via)
• PAGE UP - wybór warstwy górnej
• PAGE DOWN - wybór warstwy dolnej
• HOME - automatyczne dopasowanie powiększenia
• SPACJA - zerowanie układu współrzędnych
• BACKSPACE - anulowanie ostatnio narysowane segmentu ścieżki
• ESCAPE - anulowanie rysowania całej ścieżki

Przejdźmy teraz do właściwego rozmieszczania elementów. Cóż, wymaga to wprawy i wyrobienia sobie pewnego rodzaju wyobraźni. Po wykonaniu kilku, kilkunastu płytek, będziesz widział ścieżki w wyobraźni, nawet zanim je narysujesz. Pomocne są tu pajęczynki, jakie Kicad rysuje między polami lutowniczymi, podpowiadają one co z czym należy połączyć. Przy rozmieszczaniu elementów należy się kierować takimi wskazówkami:

• Wydrukuj sobie schemat, abyś cały czas miał go pod ręką.
• Najpierw rozmieść elementy, które mają ściśle określone miejsce, takie jak wyświetlacze, klawisze, elementy wymagające radiatora i złącza.
• W pobliżu tych wyświetlaczy, klawiszy i złącz poustawiaj inne elementy, które z nimi bezpośrednio się łączą.
• Procesor umieść na środku płytki.
• Staraj się tak rozplanować elementy, aby były rozmieszczone równomiernie, a nie w zbitych ciasnych grupach, gdyż utrudnia to późniejsze modyfikacje.

Aby chwycić element wciśnij klawisz T i wpisz nazwę elementu. Zacznijmy od P1 i P2, które są złączami zasilania oraz P3, do którego będzie podłączona szpilka sondy. Umieszczamy je po przeciwnych stronach płytki. Dalej w kolejności bierzemy R1..R5, układ scalony i resztę, od lewej do prawej. Aby obrócić elementy wciśnij klawisz R (rotate). Jeżeli chcesz przesunąć element wskazany myszką, użyj klawisza M (move). Ponieważ elementy są małe, konieczne jest przestawienie jednostek na mils i ustawienie siatki 10mils. 

Ten etap kursu jest sztuczny, gdyż w praktyce nigdy nie jest tak, że od razu wiem, jak rozmieścić wszystkie elementy. Naprzemiennie przesuwam elementy i rysuje połączenia. Nierzadko trzeba kasować połączenia, znów coś przesunąć i rysować ścieżki od nowa. Jest to proces dość czasochłonny, wymagający wielokrotnego cofania się i poprawiania. No cóż, nie da się inaczej! 

Aby było łatwiej, zamieszczam dokładne rysunki elementów po rozmieszczeniu. Zwróć uwagę, że siatka jest ustawiona na 10mils. Odstęp w pionie między polami lutowniczymi sąsiednich elementów 1206 wynosi 40mils, czyli cztery punkty siatki, a odstęp w poziomie zaledwie 20mils (tylko w tej płytce! to nie jest jakaś ogólna reguła). Zwróć też uwagę na kierunek elementu! Fakt, że rozmieszczenie elementów jest bardzo gęste - chciałem pokazać, że odpowiednio rozmieszczając elementy można nawet dość skomplikowane rzeczy upchnąć na małą płytkę jednostronną.

Trasowanie ścieżek

Zanim zaczniemy rysować ścieżki, trzeba zdefiniować ich grubość oraz pozostałe reguły projektowe, mające na celu automatyczny dobór parametrów ścieżki podczas projektowania. Wybieramy z menu Reguły projektowe > Edytor reguł projektowych i pozostajemy przy zakładce Edytor klas połączeń. 

Domyślnie już mamy jedną klasę ścieżek o nazwie Default. Nas obecnie interesuje szerokość ścieżki, która domyślnie ustawiona na 0,008 cala, czyli 8mils. Jest to dość cienka ścieżka. Zmieńmy ją na 0,012. W moich projektach najczęściej stosuje grubości 12mils, 15mils, 20mils i 25mils. Nie ma sensu popadać w manię miniaturyzacji, gdyż może to nadszarpnąć nasz budżet oraz nerwy.

Zdefiniowaliśmy szerokość wszystkich ścieżek na 12mils, ale ścieżki zasilania powinny być grubsze od pozostałych. W tym celu zrobimy sobie nową klasę, do której zaliczymy linie zasilające. Klikamy Dodaj i podajemy nazwę klasy Zasilanie. Ustawiamy szerokość ścieżki na 0,015 cala. Teraz trzeba zdefiniować, które ścieżki mają należeć do nowej klasy. Po prawej stronie jest lista rozwijalna, z której należy wybrać klasę Zasilanie, a po lewej powinno być * (Any). Z lewej strony wybieramy sieć GND i przyciskiem >>> przerzucamy ją do klasy Zasilanie. Podobnie robimy z Vcc. Sieci te już nie będą widoczne w klasie Default.

Automatyczne dobieranie szerości ścieżek z klas jest bardzo wygodne, ale czasami musimy zrobić wyjątek i zmienić szerokość wbrew regułom. Do tego celu służy pole Własna szerokość ścieżki na karcie Reguły globalne. Podczas trasowania ścieżek będzie można wybierać grubości zdefiniowane w tym miejscu. To tyle na temat reguł projektowych, klikamy OK i zamykamy to okno.

Płytka domyślnie ma dwie strony. Strona górna, po której powinny być elementy oznaczona jest kolorem czerwonym. Strona dolna oznaczona jest kolorem zielonym. Jeżeli zamierzasz zrobić płytkę wielowarstwową, wybierz Reguły projektowe > Opcje warstw.

Przejdźmy wreszcie do rysowania ścieżek. W górnym pasku narzędzi wybieramy warstwę górną lub naciskamy klawisz V. Rozpoczynamy rysowanie ścieżki klawiszem X lub po kliknięciu przycisku Dodaj ścieżki i przelotki. Podwójne kliknięcie kończy rysowanie ścieżki. Klawisz DELETE kasuje istniejącą ścieżkę, ESCAPE anuluje rysowanie, a BACKSPACE kasuje ostatnio utworzone zagięcie ścieżki. Aby dodać przelotkę naciśnij V podczas rysowania ścieżki, ale w tym projekcie nie trzeba robić przelotek, a wszystkie ścieżki da się rozplanować na warstwie górnej.

Obecnie grubość ścieżek dobiera się automatycznie, ale jeżeli trzeba złamać reguły, to można wybrać inną grubość z listy rozwijanej w lewym górnym rogu ekranu. Podobnie można wybierać rozmiary przelotek. Dostępne są rozmiary zdefiniowane w regułach projektowych, o czym pisałem kilka akapitów wyżej. Jeżeli chcemy zmienić grubość już istniejącej ścieżki, wystarczy ją kliknąć prawym przyciskiem myszy i wybrać Zmień szerokość ścieżki lub Zmień szerokość segmentu. Można to zrobić szybciej po wciśnięciu klawisza E.

Może okazać się konieczne, aby odwrócić niektóre elementy klawiszem R. Zaprojektuj ścieżki tak, jak na poniższym rysunku. Zwróć uwagę, że Kicad podświetla pola, które mają być połączone oraz wyświetla pajęczynki ułatwiające trasowanie. Jeżeli chcesz, możesz sobie podświetlić wybrane sieci przyciskiem Podświetlanie sieci lub Pokaż lokalne połączenia z paska narzędzi po prawej. 

Wszytko ładnie, ale pola P1, P2, P3 wyglądają kiepsko. W przypadku programu Eagle, należałby zmodyfikować ich biblioteki, ale Kicad może edytować każdy elementy bezpośrednio w edytorze płytek. Zmienimy pole P3 tak, aby miało rozmiary elementu 1206. Klikamy pole prawym przyciskiem myszy i wybieramy Pad [1] (Górna) z P3 > Edytuj. Rozmiar X pola ustawiamy na 0,19 cala, natomiast rozmiar Y na 0,08 cala i klikamy OK. Jeżeli to konieczne, przesuń obudowę P3 przyciskiem G (grab) i popraw ścieżki. Podobnie postępujemy z polami P1 i P2 - ustawiamy ich rozmiar x na 0,15 cala, a rozmiar y 0,08 cala. 

Ostatnie poprawki

Trzeba zrobić jeszcze małą poprawkę do obrysu płytki - jest za gruby i nachodzi na niektóre ścieżki. Klikamy dwukrotnie na krawędź i pojawi się okienko, w którym można zmieniać parametry linii. Zmieniamy item thickness na 0,005 cala i klikamy OK. Zmień w ten sposób wszystkie odcinki krawędzi.

Dobrze jest wypełnić puste miejsca na płytce obszarami miedzi połączonymi do masy. Obszar miedzi ma obejmować całą naszą płytkę i musimy go narysować na żółtych krawędziach. Obecnie nie możemy na nich nic narysować, bo ustawiona jest siatka calowa 10mils, a żółte krawędzi zostały narysowane na siatce milimetrowej. Przełączmy zatem jednostki na milimetry i wybierzmy siatkę 1mm. Klikamy na przycisk Dodaj strefy z paska po prawej, a następnie wybieramy jeden z narożników płytki. Pola miedzi mają być na warstwie górnej i mają był połączone z masą, czyli z GND. Z pozostałymi opcjami można poeksperymentować i dobrać doświadczalnie najlepsze rezultaty. Po kliknięciu OK przechodzimy do rysowania obrysu strefy, pokrywającego się z obrysem płytki. Podwójne kliknięcie kończy rysowanie. Następnie należy kliknąć prawym przyciskiem na obrys i wybrać Strefy > Wypełnij strefę.

W tym przypadku efekt zalania wolnych obszarów miedzią jest bardzo mizerny, gdyż rozmieściliśmy elementy tak gęsto, że nie ma już czego zalewać :) Stwierdziłem, że płytka będzie wyglądać bardziej profesjonalnie bez takich pól miedzi i tym razem z nich zrezygnuję. Klikamy prawym przyciskiem na obrys, a następnie Strefy > Usuń obrys strefy.

Wszystko już wygląda na gotowe... aby mieć absolutną pewność, że nigdzie nie ma jakiegoś błędu, trzeba uruchomić kontrolę DRC, podobnie jak w przypadku rysowania schematu. Na górnym pasku znajduje się przycisk Kontrola reguł projektowych DRC. Wykonujemy kontrolę DRC i sprawdzamy, czy coś przez przypadek nie pozostało niepodłączone. W razie błędów, program wyświetli na płytce odpowiednie znaczniki i wyświetli ostrzeżenia.

Możemy sobie popatrzeć na nasze dzieło w przeglądarce 3D. Z menu głównego wybieramy Widok > Widok 3D i podziwiamy naszą radosną twórczość. Obrazy 3D można zapisać z JPG lub PNG.

Dokumentacja montażowa

Zacznijmy od schematu montażowego. Prawidłowe i czytelne przygotowanie takiego schematu zdecydowanie skraca czas przygotowania produkcji płytki. Niestety zdarza się, że nawet profesjonalni projektanci nie potrafią przygotować dokumentacji montażowej, co później skutkuje tym, że ludzie zajmujący się montażem długo gapią się w schematy i zgadują, co artysta-inżynier miał na myśli. Tak być nie może, nasza sonda logiczna musi być dopieszczona we wszystkich szczegółach! 

Na początek przesuń płytkę w lewy górny narożnik arkusza. Zaznacz ją, klikając i przeciągając myszkę po ukosie, zaznacz wszystkie możliwe opcja jakie się pojawią i przeciągnij płytkę w lewy górny narożnik arkusza. Po co? W obecnej wersji Kicada jest jakiś błąd, który powoduje, że przy powiększeniu nie działa automatyczne środkowanie schematu i trzeba na ślepo trafić płytką w środek kartki. Na pewno zostanie to poprawione w następnych wersjach.

Kliknij przycisk Drukuj na górnym pasu i wybierz warstwy Opisową górną, rysunkową, komentarzy, powiększenie 4x, a w polu Wydruk strony wybierz Pojedyncza strona i ostatecznie kliknij Podgląd. Jeżeli wszystko pójdzie dobrze, to zobaczysz rysunek taki jak poniżej.

Wszystko jest idealne, z wyjątkiem etykiet T1 i T2 - zachodzą na linie elementów. Ich przesunięcie jest bardzo proste. Wracamy do edycji płytki i wskazujemy etykietę T1, po czym wciskamy klawisz M (move) i przesuwamy ją kawałek w prawo. Tak samo robimy z T2. Teraz już wszystko wygląda doskonale i nikt nie ma wątpliwości, gdzie jaki element powinien być. 

Jeżeli trzeba na płytce umieścić jakieś napisy, można to zrobić wstawiając tekst na warstwie Opis górny/dolny albo na warstwie komentarzy. 

Kicad niestety nie ma możliwości wygenerowania pliku PDF, ale są na to sposoby. Trzeba zainstalować darmowy PDF Creator, który działa jak wirtualna drukarka. Klikamy Drukuj i w oknie, gdzie wybiera się dostępne drukarki, trzeba wybrać PDF Creator. Otrzymamy w ten sposób plik PDF zdatny do odczytu na każdym komputerze.

Produkcja płytki

Jeżeli zamierzasz wykonać tę płytkę domowymi sposobami, np. według mojej instrukcji Płytki drukowanie PCB w domu to warto skopiować płytkę i wydrukować kilka sztuk na jednej kartce. Robi się to bardzo prosto - trzymając wciśnięty klawisz SHIFT zaznaczamy płytkę i przeciągamy w inne miejsce. W ten sposób można płytkę skopiować wiele razy i rozsądniej wykorzystać papier. Można na jednym arkuszu wydrukować kilka płytek jednocześnie. Robię wtedy osobny plik BRD i wrzucam do niego płytki korzystając z polecania Plik > Dołącz płytkę.

Drukowanie płytki jest bardzo proste. Otwieramy opcję Drukuj, tak samo jak przy dokumentacji i tym razem wybieramy warstwę Górną, a wszelkie warstwy opisowe odznaczamy. Powiększenie ustawiamy na Dokładna skala 1, a Opcja wiercenia wybieramy Rzeczywiste otwory. Jeżeli korzystamy z metody termotransferu to warstwa górna powinna być drukowana w lustrzanym odbiciu, a warstwa dolna bez odbicia! 

W internecie można znaleźć różne sposoby drukowania płytek z Kicada poprzez generowanie plików PostScript, przenoszenie ich do Corela i jakieś inne cudowanie. Jest to całkowicie bez sensu!!! Narzędzie wbudowane w Kicada wystarczą do wydrukowania mozaiki ścieżek na papierze kredowym i wykonania płytki metodą termotransferu.

Kicad ma możliwość generowania plików do profesjonalnej produkcji w zakładce Plik > Pliki produkcyjne. Można wygenerować pliki Gerber dla płytkarni, pliki z pozycjami elemntów dla maszyn montażowych oraz różne inne rzeczy.

Podsumowanie

W praktyce nigdy nie jest tak, że przechodzimy między kolejnymi etapami projektowania nigdy nie wracając do poprzednich. Jest to wręcz nieuniknione, że elementy będziemy wielokrotnie przesuwać, kasować ścieżki i rysować na nowo. Zdarza się zmieniać schemat w połowie projektowania płytki lub zmienić niektóre obudowy. Niekiedy nie da się poprowadzić ścieżek i konieczne jest dodanie rezystorów zerowych jako mostków nad ścieżkami.

Specjalnie nic nie pisałem o automatach projektowych. Istnieje kilka automatów w programie Kicad, jednak żaden nie jest godny polecenia. O autoplacerach i autorouterach prawda jest taka, że dobry automat kosztuje więcej niż Twój komputer, a być może więcej niż Twój samochód. Samo skonfigurowanie takiego automatu jest sztuką. Automaty często potrzebują płytek minimum dwustronnych lub wielowarstwowych, aby uzyskać sensowne efekty. Doświadczenie moje oraz ekspertów Kicada z elektrody dowodzi, że trzeba umieć projektować płytki ręcznie, bo całkowite zautomatyzowanie procesu projektowania jest po prostu niemożliwe.