KiCad - Σχεδίαση θεωρητικού και πλακέτας Μέρος 2

ΧΡΗΣΗ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΩΝ KiCad

Δημιουργία project

Με την εκτέλεση του προγράμματος KiCad εμφανίζεται ο διαχειριστής έργων (project manager). Από εδώ καλούμε τα διάφορα προγράμματα για σχεδίαση θεωρητικού κυκλώματος (EESchema), μετατροπή συνδέσεων θεωρητικού για την πλακέτα με αντιστοίχιση ιχνών (footprints) στα εξαρτήματα (CVpcb), σχεδίαση πλακέτας (PCBnew) και έλεγχο αρχείων Gerber (GerbView)

Για καλύτερη οργάνωση των έργων (projects) δημιουργήστε ένα φάκελο /kicad_projects/ και μέσα σε αυτόν ένα φάκελλο για κάθε έργο με όνομα ίδιο με το έργο όπως και στα αρχεία που θα δημιουργήσετε. Τα αρχεία θα διαφέρουν μόνο στο επίθεμα:

Λ.χ. για το έργο "dok1" δημιουργήστε τον φάκελλο /kicad_projects/dok1
το αρχείο του έργου (project) θα είναι το /kicad_projects/dok1/dok1.pro
το θεωρητικό κύκλωμα θα είναι το /kicad_projects/dok1/dok1.sch
και το σχέδιο της πλακέτας το /kicad_projects/dok1/dok1.brd
κλπ.



Δημιουργήστε νέο έργο από το μενού "Αρχείο > Νέο", ακολουθήστε τη γνωστή διαδικασία για άνοιγμα νέου φακέλου και αποθηκεύστε το έργο με το όνομά του (λ.χ. "dok1").


Σχεδίαση θεωρητικού κυκλώματος

Πατήστε το πρώτο κουμπί στο KiCad για εκκίνηση του προγράμματος σχεδίασης θεωρητικού κυκλώματος (EESchema). Το αρχικό μήνυμα λάθους ότι "Δεν υπάρχει το αρχείο xyz.sch" είναι γιατί δεν έχει δημιουργηθεί ακόμη αρχείο θεωρητικού κυκλώματος για το νέο έργο. Εφόσον το δημιουργήσετε και το αποθηκεύσετε δεν θα επανεμφανιστεί αυτό το μήνυμα.



Για τη σχεδίαση του θεωρητικού κυκλώματος θα χρησιμοποιήσετε έτοιμα σχέδια εξαρτημάτων και "καλώδια" τα οποία θα συνδέσουν τους ακροδέκτες των εξαρτημάτων. Για τα εκπαιδευτικά παραδείγματα χρησιμοποιήστε εξαρτήματα που προϋπάρχουν στις βιβλιοθήκες του KiCad. Σε επόμενα σχέδια, αν δεν υπάρχει το εξάρτημα που θέλετε να χρησιμοποιήσετε και δεν το βρείτε έτοιμο από άλλους χρήστες του KiCad (ψάχνοντας στο internet) θα χρειαστεί να το δημιουργήσετε. Το σχετικό εργαλείο υπάρχει στο μενού "Tools > Library Editor".

Δίπλα στις επιλογές των μενού σημειώνονται τα πλήκτρα ("Hot Keys") που ενεργοποιούν την κάθε λειτουργία. Αριστερά, πάνω και δεξιά του χώρου σχεδίασης υπάρχουν "κουμπιά" για τις βασικές λειτουργίες. Παρακάτω σημειώνω μερικά χρήσιμα κουμπιά/ενέργειες για τη σχεδίαση του θεωρητικού κυκλώματος:

Zoom
F1: μεγέθυνση με κέντρο τον δείκτη (cursor)
F2: σμίκρυνση με κέντρο τον δείκτη
F4: κεντράρισμα στο σημείο του δείκτη
Home: εμφάνιση στην οθόνη όλου του σχεδίου
ροδάκι mouse: σμίκρυνση/μεγέθυνση

Τοποθέτηση
A: εξαρτήματα
W: καλώδιο (Wire)
J: κόμβος συνδέσεων (Junction)
P: σημείο τροφοδοσίας (Power)
L: ετικέτα (Label)

Διόρθωση/Μετακίνηση/Περιστροφή εξαρτημάτων:
(όταν ο δείκτης είναι επάνω από ένα εξάρτημα πατάμε ένα πλήκτρο)
E: διόρθωση (Edit)
C: αντιγραφή (Copy)
R: περιστροφή (Rotate)
M: μετακίνηση (Move)
Del: διαγραφή

Παράδειγμα: Επιλογή εξαρτήματος για τοποθέτηση με click στο ειδικό εικονίδιο στη δεξιά στήλη ή από το μενού "Τοποθέτηση > Εξάρτημα" ή πατώντας "Α". Από το παράθυρο που ανοίγει μπορούμε να επιλέξουμε "Προβολή όλων" για μια περιήγηση στη βιβλιοθήκη εξαρτημάτων.

Τα απλά εξαρτήματα υπάρχουν στην κατηγορία "device" της βιβλιοθήκης εξαρτημάτων. Υπάρχουν πολλαπλές επιλογές για κάποια εξαρτήματα (λ.χ. πυκνωτές με πολικότητα). Βρείτε ποιο σας ταιριάζει και χρησιμοποιείστε ένα σχέδιο για το ίδιο είδος υλικού. Η "τοποθέτηση εξαρτήματος" ("Α") σας δείχνει πια σχήματα έχετε ήδη χρησιμοποιήσει για να επιλέγετε τα ίδια για παρόμοιο εξάρτημα.

Διάλεξα ως "αντιπροσωπευτικά" τα παρακάτω:

R - αντίσταση
C - πυκνωτής χωρίς πολικότητα
CP1 - πυκνωτής με πολικότητα
POT - ποτενσιόμετρο
DIODE - απλή δίοδος
LED - LED
PNP, NPN - transistor
GND - 0V
CONN_1 CONN_2 CONN_3 - διάφορα βύσματα πλακέτας
JUMPER - μονό jumper επιλογής

Υπάρχουν βέβαια και "συγκεκριμένα" εξαρτήματα όπως το PIC12F675. Ανατρέξτε στις βιβλιοθήκες εξαρτημάτων, ψάξτε και στο intarnet για επιπλέον βιβλιοθήκες. "Μαζέψτε3" τα εξαρτήματά σας πριν τη σχεδίαση του θεωρητικού.


Σχεδιάστε το κύκλωμά σας χωρισμένο σε "λειτουργικά μέρη" όπως είσοδοι, τροφοδοσία, έξοδοι, κλπ. Βάλτε σε κάθε είσοδο και έξοδο ένα βύσμα. Τα πρώτα κυκλώματα ας είναι μικρά για να χωρέσουν σε ένα φύλλο σχεδίασης.

Εκτενέστατες οδηγίες με παραδείγματα θα βρείτε από το μενού "Βοήθεια - Περιεχόμενα".


Παράδειγμα σχεδίασης

Σε κάθε περίπτωση χρησιμοποιήστε τα πλήκτρα F1-F2-F4-Home για zoom και κεντράρισμα.
Το πλήκτρο F3 ξανασχεδιάζει την οθόνη (διώχνει πιθανά σκουπίδια από διαγραφές).

Τοποθέτηση εξαρτημάτων
- με τον δείκτη (cursor) εντός του χώρου σχεδίασης πατήστε το πλήκτρο Α
- πληκτρολογήστε CONN_2 στο "όνομα" επιλογής υλικού και μετά το πλήκτρο <ENTER>



- στο δείκτη εμφανίζεται το σύμβολο του βύσματος 2 ακροδεκτών
- μετακινήστε το δείκτη με το εξάρτημα επάνω αριστερά στο χώρο σχεδίασης
- πατήστε 2 φορές το πλήκτρο R για περιστροφή του εξαρτήματος (οι ακροδέκτες να είναι προς τα δεξιά και μετά κάντε click στο ποντίκι (ή χτύπημα στο touchpad) για τοποθέτηση
- μετακινήστε το δείκτη δεξιά του βύσματος, πατήστε το πλήκτρο Α
- πληκτρολογήστε DIODE στο "όνομα" επιλογής υλικού και πατήστε το <ENTER>
- μετακινήστε τη δίοδο δίπλα από τον επάνω ακροδέκτη του βύσματος και τοποθετήστε τη με click στο ποντίκι ή χτύπημα στο touchpad
- πατήστε Α, πληκτρολογήστε CP1 και <ENTER>



- μετακινήστε τον πυκνωτή δεξιά της διόδου, δεν είναι απαραίτητο να είναι συνδεδεμένα εξαρτήματα μεταξύ τους
- πατήστε A, πληκτρολογήστε C και <ENTER>, τοποθετήστε (click ή χτύπημα) δεξιότερα
- πατήστε A, πληκτρολογήστε 78L05 και <ENTER>, τοποθετήστε (click ή χτύπημα) δεξιότερα
- πατήστε Α, επιλέξτε C από τη λίστα ιστορικού, τοποθετήστε δεξιότερα του 78L05
- πατήστε Α, επιλέξτε CP1 από τη λίστα ιστορικού, τοποθετήστε δεξιότερα
- πατήστε 2 φορές το πλήκτρο ESC για να είστε σε "ελεύθερο δείκτη"
- μετακινήστε το δείκτη επάνω από κάποιο εξάρτημα και πατήστε το Μ
- μετακινώντας το δείκτη κινείται και το εξάρτημα
- ευθυγραμμίστε τα εξαρτήματα για ευδιάκριτη τοποθέτηση
- πατήστε 2 φορές το πλήκτρο ESC (ελεύθερος δείκτης)

Μετακίνηση μεγάλου τμήματος σχεδίου
Κρατώντας πατημένο το αριστερό πλήκτρο του ποντικιού, το σύρουμε δημιουργώντας ένα παραλληλόγραμμο. Οταν αφήσουμε το πλήκτρο, όλα τα εξαρτήματα εντός του παραλληλόγραμμου επιλέγονται και μετακινούνται μαζί με το δείκτη.

Αναίρεση τελευταίας ενέργειας
Με CTRL-Z αναιρούμε την τελευταία ενέργεια την οποία επαναφέρουμε με CTRL-Y.

Καλωδίωση εξαρτημάτων
Οι μικροί κύκλοι στην άκρη των ακροδεκτών των εξαρτημάτων είναι τα σημεία σύνδεσης. Αν δύο εξαρτήματα εφάπτονται σε αυτά τα σημεία είναι ήδη συνδεδεμένα αλλιώς χρειάζονται σύνδεση με καλώδιο. Είναι προτιμότερο να χρησιμοποιείτε καλώδια για τις συνδέσεις των εξαρτημάτων γιατί εμφανίζονται αυτόματα οι κόμβοι σύνδεσης. Αν παρόλα αυτά σας αρέσει να μη χρησιμοποιείτε πάντα καλώδια, μπορείτε να τοποθετήσετε ένα κόμβο με το πλήκτρο J.

Συνεχίζοντας το παράδειγμα της σχεδίασης:
- με το δείκτη επάνω από ένα ελεύθερο ακροδέκτη πατήστε το W
- μετακινώντας το δείκτη εμφανίζεται το καλώδιο σύνδεσης
- πατήστε click στο ποντίκι ή χτυπήστε το touchpad για να συνδεθεί το καλώδιο



- επαναλάβετε έως να τοποθετηθούν όλα τα καλώδια


Συνδέσεις γειώσεων και τάσεως
- με "ελεύθερο δείκτη" (μετά από ESC-ESC) πατήστε το P (λατινικό Π)
- πληκτρολογήστε GND στο όνομα υλικού και <ENTER>
- τοποθετήστε την γείωση σε ένα πυκνωτή
- με τον δείκτη επάνω από τη γείωση πατήστε το πλήκτρο C για αντιγραφή του εξαρτήματος
- μετακινήστε το δείκτη σε νέο σημείο και τοποθετήστε τη νέα γείωση
- επαναλάβετε για όλες τις γειώσεις, τοποθετώντας τες κατά προτίμηση σε οριζόντια στοίχιση
- καλωδιώστε με W όσες γειώσεις δεν συνδέονται με τα εξαρτήματα (λ.χ στο βύσμα και τον σταθεροποιητή τάσης)
- πατήστε P, πληκτρολογήστε +5V και <ENTER>, τοποθετήστε το σχέδιο της τάσης 5V στα δεξιά όλων των εξαρτημάτων και συνδέστε καλώδιο με το W

Αποθηκεύστε το θεωρητικό με: Αρχείο > Αποθήκευση όλου του σχηματικού έργου
Τακτικά να αποθηκεύετε το σχέδιό σας για αποφυγή απρόοπτων!
Συνεχίζοντας τοποθετούμε τα υπόλοιπα εξαρτήματα πιο χαμηλά ολοκληρώνοντας το θεωρητικό κύκλωμα της σχεδίασής μας. Οπου χρειαζόμαστε σύνδεση με τα +5V τοποθετούμε νέο "εξάρτημα +5V" και εννοείται ότι όλα αυτά συνδέονται μεταξύ τους.


Αρίθμηση εξαρτημάτων και τοποθέτηση τιμών

Για αυτόματη αρίθμηση όλων των εξαρτημάτων επιλέξτε από το μενού:
"Tools > Annotate > Σχολιασμός > ΟΚ > Κλείσιμο"

Αν επιθυμείτε διαφορετική αρίθμηση τοποθετήστε το δείκτη επάνω από το αντίστοιχο εξάρτημα και πατήστε το E (Edit). Μετά διορθώστε όποια παράμετρο θέλετε. Με τον ίδιο τρόπο μπορείτε να δώσετε και τιμές στα εξαρτήματα. Η διαδικασία τοποθέτησης τιμών μπορεί να γίνει ή να αλλάξει και στο επόμενο βήμα της σχεδίασης που είναι η αντιστοίχιση των εξαρτημάτων με συγκεκριμένα ίχνη (footprints) για την τοποθέτηση στην πλακέτα.


Ενα τελειωμένο θεωρητικό κύκλωμα θα μοιάζει με το παρακάτω:




Εξαγωγή λίστας συνδέσεων

Μέσα από το πρόγραμμα σχεδίασης του θεωρητικού (EESchema) και εφόσον έχετε βάλει σχόλια/αρίθμηση στα εξαρτήματα (μενού Tools > Annotate), δημιουργήστε την λίστα συνδέσεων από το μενού: Tools > Generate Netlist
Το παραγόμενο αρχείο έχει κατάληξη .net (για το παράδειγμά μας το dok1.net).


Αντιστοίχιση εξαρτημάτων με ίχνη πλακέτας (footprints)

Στον διαχειριστή έργου (πρόγραμμα KiCad) πατήστε το δεύτερο κουμπί για να τρέξει το πρόγραμμα CvPCB που θα σας βοηθήσει στην αντιστοίχιση των εξαρτημάτων με τα ίχνη τους (footprints). Μη λάβετε υπόψη το αρχικό μήνυμα λάθους μιας και δεν έχει δημιουργηθεί το σχετικό αρχείο.

Εμφανίζεται ένας πίνακας με όλα τα εξαρτήματα και "ζωγραφιστά κουμπιά" για τις ενέργειες/εντολές του προγράμματος. Περνώντας το δείκτη (cursor) επάνω από τα κουμπιά εμφανίζεται η ενέργεια/εντολή που αντιστοιχεί στο κάθε ένα από αυτά.

Στον αριστερό πίνακα εμφανίζονται ο α/α, το σχόλιο/αρίθμηση και η τιμή των εξαρτημάτων. Στην τελευταία στήλη λείπει το όνομα του συγκεκριμένου ίχνους για το εξάρτημα. Με απλό click και τα βέλη επάνω-κάτω ανατρέχετε σε όλα τα εξαρτήματα επιλέγοντας ένα κάθε φορά. Στον δεξί πίνακα υπάρχει η λίστα με τα ίχνη. Με διπλό click επάνω σε ένα όνομα ίχνους γίνεται η αντιστοίχιση αυτού του ίχνους στο επιλεγμένο εξάρτημα. Το όνομα του ίχνους τοποθετείται στην τελευταία στήλη.

Για διευκόλυνση μπορείτε να κάνετε "Προβολή επιλεγμένου ίχνους" σε νέο παράθυρο πατώντας το τέταρτο κουμπί. Ελέγξτε αν το ίχνος που επιλέξατε ταιριάζει στο εξάρτημά σας. Στο κάτω μέρος του παραθύρου προβολής ίχνους υπάρχουν ενδείξεις διαστάσεων ενώ βοηθητικό είναι και το πλέγμα (grid). Ισχύουν τα πλήκτρα για zoom (F1-F2) ή προβολή όλου το σχήματος (Home).




Για να επιλέξετε το κατάλληλο ίχνος υπάρχουν δύο κουμπιά στα δεξιά (πρόγραμμα CvPCB) τα οποία δείχνουν "όλα τα ίχνη" ή μόνο τα "προτεινόμενα φιλτραρισμένα" για το είδος του επιλεγμένου εξαρτήματος. Ετσι αν θέλετε να κάνετε αντιστοίχιση ίχνους σε ένα LED σας εμφανίζει μόνο 6 επιλογές, τις επικρατέστερες για LED.



Παραπάνω φαίνεται ότι για το 5ο εξάρτημα "LED" έχει επιλεγεί το ίχνος "LED-3MM".


Στην περίπτωση του ηλεκτρολυτικού πυκνωτή το "φιλτράρισμα" δεν με κάλυψε! Στα προτεινόμενα ίχνη δεν υπήρχε η περίπτωση ηλεκτρολυτικού πυκνωτή με κάθετη τοποθέτηση και βήμα 5mm οπότε διάλεξα "αφιλτράριστη" λίστα ιχνών (το τελευταίο κουμπί στα δεξιά).

Με περιήγηση στα ίχνη βρήκα το "C2V8" ως πιο "αντιπροσωπευτικό".
Προφανώς C σημαίνει πυκνωτής, 2=βήμα 0.2", V=vertical και 8=διάμετρος 8mm
(καλό παράδειγμα για ονομασία δικών σας ιχνών ή για εύκολη εύρεση άλλων ιχνών).

Δοκιμάστε επίσης και το κουμπί "Εκτέλεση αυτόματης συσχέτισης ιχνών" (το πέμπτο από αριστερά).

Σε κάθε περίπτωση μπορείτε να επιλέξετε πάλι οποιοδήποτε ίχνος:
- "δείξτε" το εξάρτημα (λ.χ. με click επάνω στη γραμμή του εξαρτήματος)
- επιλέξτε "φιλτραρισμένη" ή "αφιλτράριστη" λίστα ιχνών
- ανοίξτε το παράθυρο προβολής ίχνους
- κάντε click σε ένα όνομα ίχνους (δεξιά στήλη)
- το ίχνος θα εμφανιστεί στο παράθυρο προβολής
- με τα βέλη δείτε όλα τα ίχνη μέχρι να βρείτε το κατάλληλο

Αν αργότερα βρείτε ότι το ίχνος που επιλέξατε δεν σας ταιριάζει μπορείτε να το αλλάξετε και μέσα από το πρόγραμμα σχεδίασης πλακέτας(PCBnew). Το καλύτερο είναι να γίνει η αντιστοίχιση εδώ στο CvPCB. Αφιερώστε αρκετό χρόνο για εξοικείωση με τα ίχνη των εξαρτημάτων.

Παρακάτω δείχνω μερικά "αντιπροσωπευτικά" ίχνη:

Αντιστάσεις: R3, R3-LARGE_PADS
Πυκνωτές ΜΚΤ: C2
Μικροί Ηλεκτρολυτικοί: C2V8
Δίοδοι: D3, D4
SMD: SM1206, SM0805
LED: LED-3MM
Τρύπες στήριξης πλακέτας: 1pin
Διάφορα TO92: TO92, TO92-EBC, TO92-CBE, TO92-DGS, TO92-123, ...
Pin headers ("χτενάκια"): SIL2, SIL3, SIL4, ...
Κλέμες βίδας με βήμα 0.2": bornier2, bornier3, bornier4, ...
(σημειώστε ότι ο "εμπνευστής" του KiCad είναι Γάλλος!)

Ψάχνοντας τη βιβλιοθήκη ιχνών θα παρατηρήσετε ότι για μερικά εξαρτήματα δεν λειτουργεί το "φιλτράρισμα" ενώ για άλλα όπως τα τρανζίστορ TO-92 υπάρχουν πολλές επιλογές. Επιλέξτε το ίχνος που είναι ίδιο ή προσεγγίζει αυτό του εξαρτήματός σας. Για παράδειγμα σε ένα 78L05 δεν θα βρείτε "το ίδιο" δηλαδή με τη σωστή ονοματολογία στους ακροδέκτες (Vi, Vo, GND). Χρησιμοποιήστε τον γενικό τύπο "TO92-123" ή το σκέτο "TO92". Στο πρόγραμμα σχεδίασης πλακέτας θα γίνουν οι απαραίτητες αλλαγές από "123" σε "Vi, Vo, GND".

Αποθηκεύστε την λίστα κατά την έξοδο με το προτεινόμενο όνομα.

Συνεχίζεται ...