KiCAD – návrh plošného spoja

V predchádzajúcich článkoch som popísal ako KiCAD nainštalovať i ako si v ňom nakresliť schému, či vytvoriť vlastnú schematickú značku. Keďže však je KiCAD komplexný nástroj, obsahuje aj nástroj pre návrh dosky plošného spoja. V tomto článku popíšem, ako zo schémy takúto dosku plošného spoja vytvoriť.

Pred samotným návrhom dosky plošného spoja je potrebné splniť niekoľko podmienok:

• správne nakreslená schéma;
• vygenerovaný netlist;
• priradené púzdra.

Správne nakreslená schéma je prvým úspešným krokom, ak je v schéme chyba, nemôže dostať ani bezchybný obrazec plošného spoja, preto si ju skontrolujte aj viackrát. Netlist budeme načítať na začiatku návrhu plošného spoja, takže bez neho a bez príslušných rozmerov súčiastok to iste nepôjde tiež... O samotný návrh obrazca plošného spoja sa potom postará program pcbnew, ktorý je súčasťou KiCAD. Takže sa možno dať do práce.

Spustenie pcbnew

Program pcbnew možno spustiť jednak zo základného okna KiCAD, kde mu patrí jedno zo štyroch hlavných tlačidiel. Túto možnosť s výhodou využijete vtedy, keď sa budete vracať k rozpracovanému návrhu alebo budete chcieť svoj návrh upraviť, či zmeniť. Program pcbnew však možno spustiť aj pomocou ikony priamo v rozhraní eeschema, teda programu na kreslenie schém, tak ako to vidno na obrázku vpravo.

Po spustení pcbnew sa otvorí nové okno s grafickým rozhraním návrhára obrazcov plošných spojov. Keď si pracovné prostredie dobre prezriete, zistíte, že je veľmi podobné prostrediu eeschema. Ak v oboch prostrediach existuje tlačidlo s rovnakou úlohou, tak má rovnakú i ikonu.

Aj v tomto prípade je pracovné prostredie obkolesené tromi panelmi nástrojov, avšak pribudol panel s niekoľkými rozbaľovacími zoznamami. V nasledujúcom popise ukážem ovládacie prvky, ktoré sú potrebné pre základnú prácu pri návrhu plošného spoja.

Na začiatku je dobré nastaviť vlastnosti výkresu, čo môžete urobiť rovnakým spôsobom ako pre výkres so schémou, teda pomocou ikony "Nastavenie strany", ktorá je v hornom paneli nástrojov.

Výber netlistu

Už sme niekoľkokrát spomenuli, že celý popis schémy a priradenia puzdier je uložený v netliste. Prvým krokom teda je, ak sa nenačítal automaticky, načítanie (výber) tohoto súboru. Pre načítanie netlistu slúži ikona v hornom paneli, rovnaká ako na obrázku vpravo. Po kliknutí na ňu sa objaví okno, Dialóg netlistu, pomocou ktorého môžete vybrať jednak netlist nový (na začiatku práce) alebo môžete pomocou rôznych volieb nastaviť správanie a načítať do existujúceho návrhu iný netlist (napríklad po zmene puzdier).

My si vyberieme nový netlist pomocou tlačidla "Prechádzať súbory", ktoré otvorí dialóg pre výber súboru, v ktorom teda vyberieme príslušný súbor .net. Ak Vás zaujíma význam jednotlivých ďalších volieb, stačí premiestniť nad príslušný ovládací prvok myš a prečítať si poskytnutý tooltip, ktorý je dosť popisný a výstižný. Pre nový návrh obrazca plošného spoja plne vyhovujú východzie voľby, takže možno použiť tlačidlo "Načítať netlist", pomocou ktorého vlastne zvolený netlist vložíme do programu pcbnew.

Ako prvý výsledok načítania netlistu je kpa puzdier (tzv. modulov) nad ľavým horným rohom hranice výkresu. Zatiaľ ich tam necháme bez povšimnutia a najprv si nastavím parametre dosky.

Nastavenie dosky

Ďalším krokom v poradí je nastavenie samotnej dosky. Pre nastavenie rozmerov dosky je treba vybrať vrstvu okraje dosky v rozbaľovacom menu v hornom paneli nástrojov. Ak sa neviete zorientovať, je to jediný rozbaľovací zoznam v paneli priamo pod hlavným menu. Ja som v tomto zozname mal pri otvorení nápis "Meď (Page Up)".

Po výbere vrstvy okrajov dosky ich už možno nakresliť, a to pomocou nástroja "Pridať čiaru alebo mnohouholník", ktorý je v pravom bočnom menu a vyzerá ak na obrázku vľavo. Nedajte sa zmýliť názvom, aj mnohouholník je treba nakresliť pomocou jednotlivých čiar. Ak vrstvu nezmeníte, respektíve, zmeníte ju zle, objaví sa chybová správa, podobnej tej vpravo.

Toto nastavovanie veľkosti dosky na začiatku je trochu kontroverzné. Na začiatku návrhu plošného spoja môže byť trochu problematické odhadnutie rozmerov dosky. Veľkosť dosky možno nastaviť (zmeniť) aj neskôr, ale ak chcete využiť možnosť automatického rozmiestnenia modulov (puzdier), tak pcbnew potrebuje vedieť kam ich má rozmiestniť. Aj preto popisujem toto nastavenie ako prvé. Ak automatické funkcie využiť neplánujete, tak môžete najprv vykonať aj iné kroky.

Rozmiestňovanie modulov

Ako som už spomínal, po priradení netlistu sú všetky moduly umiestnené vedľa ľavého horného rohu výkresu. Sú umiestnené neprehľadne, všetky na sebe, aj preto je potrebné, ako prvý krok návrhu, ich rozmiestnenie. Rozmiestnenie modulov možno vykonať manuálne alebo automaticky. Ako som už spomenul, pre automatické rozmiestňovanie je potrebné nastavenie rozmerov dosky.

Ručné rozmiestňovanie

Pre ručné rozmiestňovanie nie je potrebné nič meniť, je to východzie nastavenie programu pcbnew. Prosto stačí premiestniť kurzor myši nad modul, kliknúť pravým tlačidlom a vybrať z kontextového menu voľbu "Presunúť" alebo "Ťahať". Vlastne celé manuálne rozmiestňovanie je rovnaké ako pri premiestňovaní schematických značiek pri kreslení schémy. Všimnite si, že rovnaké sú aj všetky dostupné klávesové skratky, čím sa stáva ovládanie pcbnew ľahšie, rýchlejšie naučiteľné.

Pribudla aj jedna nová voľba, ktorou je "Vybrať a presunúť púzdro", ktorého význam nie je samovysvetľujúci, pretože by som očakával že rovno začne presun modulu, na ktorý som klikol. Voľba ale otvorí dialóg pre zadanie mena puzdra, ktoré má byť vybraté a následne presúvané.

Okrem kontextového menu púzdra (modulu) sa objavia aj ďalšie bežné voľby kontextového menu, čím sa z neho stáva mocný nástroj pre ovládanie programu.

Umiestnenie všetkých modulov nad seba so sebou môže priniesť aj problém, že nie je celkom jasné, ktorý modul ste pri kliknutí chceli vybrať, pcbnew vtedy otvorí menu, ktoré dovolí presne vybrať, ktorý modul ste mali na mysli. Niektorých môže takéto menu prekvapiť, ja by som očakával že je automaticky vybratý najvrchnejší, ale toto riešenie má tiež niečo do seba...

Takže jednoducho povyberáme jeden modul po druhom a premiestnime ho na miesto, ktoré pre neho považujeme za vhodné. Vhodnému umiestneniu napomáha aj zobrazenie "spojov" (prepojenia) k ostatným modulom. Ak toto zobrazenie ruší, možno ho v paneli nástrojov vypnúť.

Automatické rozmiestnenie

Do režimu automatického rozmiestňovania modulov je treba pcbnew najprv prepnúť. Slúži na to tlačidlo v hornom paneli nástrojov. Jedným jeho zatlačením automatický režim zapnete a druhým zase vypnete. Aj v automatickom režime možno moduly premiestňovať ručne, a to rovnako ako som písal vyššie.

Po jeho zapnutí pribudne v kontextovom menu podmenu "Hromadné presunutie" a položka "Automaticky umiestniť". V podmenu hromadného premiestnenia možno nájsť viaceré položky, za všetky tu spomeniem "Automaticky umiestniť všetky" a "Premiestniť všetky"

Položka premiestnenia všetkých modulov prehľadne umiestni všetky moduly do pracovnej plochy programu (výkresu). Tým nám umožní ich pohodlné ručné rozmiestnenie. Položka automatického umiestnenia zase spustí automatické umiestňovanie všetkých modulov v doske plošného spoja. V tomto prípade sa program pokúša nájsť najvhodnejšie miesto a celý proces môžete sledovať na obrazovke. V závislosti od výkonu počítača a zložitosti schémy to nejaký čas trvá.

Dôležitou možnosťou automatického rozmiestňovania je uzamknutie modulov. Táto vlastnosť je užitočná, keď chcete mať niektoré súčiastky na určitom "pevnom" mieste a ostatné chcete rozmiestniť automaticky. V takom prípade nebudú uzamknuté moduly premiestňované.

Kreslenie spojov

Aj kreslenie spojov možno robiť ručne alebo automaticky. Prepínanie režimu kreslenia spojov je možné tlačidlom hneď vedľa tlačidla na prepínanie režimov umiestňovania modulov. Pred kreslením samotných spojov je dobré zvoliť si počet vrstiev. Východzie nastavenie je pre použitie dvoch vrstiev. Môžete však použiť až šestnásť. Zmenu počtu vrstiev možno urobiť z menu Nastavenia -> Všeobecné. Po výbere tejto voľby sa zobrazí dosť veľké dialógové okno s mnohými nastaveniami, z ktorých je väčšina dostupná z panelov nástrojov, takže tu ukážem len časť, ktorá nastavuje počet vrstiev:

Automatické spájanie

Po zapnutí automatického spájanie je v kontextovom menu k dispozícii zase niekoľko nových možností. Prvou ja podmenu "Hromadne prepojiť". Obdobne ako pri rozmiestňovaní modulov umožňuje vykonávať hromadné operácie, a to najmä Automaticky prepojiť všetky moduly. Pomocou tejto voľby sa pcbnew pokúsi vytvoriť všetky spojenia, a to na všetkých nastavených vrstvách.

Druhou voľbou je Automatické prepojenie siete a Automatické prepojenie plošiek, pričom tieto voľby sa zobrazia len pri kliknutí na plošku. Rozdiel medzi týmito nástrojmi spočíva v tom, aká časť bude prepojená. Pri prepojení plošiek budú vytvorené spoje len so susednými ploškami. Pri prepojení siete bude vytvorený spoj pre všetky plôšky, ktoré majú byť spojené.

Je tu ešte jedna možnosť, ktorá sa zobrazí pri kliknutí na modul – Automaticky prepojiť. Táto voľba vytvorí spoje pre všetky vývody zvoleného modulu.

O kvalite tohoto nástroja možno diskutovať. Podľa mňa je až veľmi náchylný na vytváranie drôtových prepojení, avšak nemám dostatočne otestované jeho schopnosti v poslednej verzii a tak je možno už lepší. Predchádzajúca kritika však vôbec neznamená, že je to zlý nástroj. V mnohých prípadoch je úspešný a tak je obrazec plošného spoja vytvorený s minimom námahy. 

Ručné spájanie

Vytváranie spojov ručne je oveľa prácnejší spôsob. Aj pri kreslení spojov je možné využiť ručné kreslenie bez ohľadu na to, či je režim automatického spájania zapnutý alebo vypnutý. Na ručné kreslenie spojov slúži nástroj Pridať spoj a prechod, ktorý je v pravom paneli nástrojov. Ako naznačuje názov, pomocou tohoto nástroja možno jednak kresliť spoje, ale aj (pri viacvrstvových plošných spojoch) aj vytvorenie prechodov z jednej vrstvy do druhej.

Kreslenie spojov pomocou tohoto nástroja nie je nijako zložité. Prosto zvolíte nástroj, kliknete na niektorú plošku a ťaháte spoj. Ak potrebujete alebo chcete vytvoriť zlom spoja, prosto kliknete znova a tak postupujete, až sa dostanete k cieľovej ploške. A potom znova s ďalšou a ďalšou, až kým nenakreslíte všetky spoje. Ak by ste sa pokúsili nakresliť spoj krížom cez iný alebo cez inú plošku, program Vám to nedovolí.

Záver

Ak ste došli až sem, tak si viete nakresliť obrázok dosky plošného spoja. Dokážete pri tom využiť automatický alebo ručný režim. Ja som však najčastejšie dospel k riešenie pomocou ich kombinácií. Teda nie ručne, niečo iné zase automaticky. Predstavenými možnosťami však program pcbnew ani zďaleka nekončí. Len námatkovo vymenujem možnosti pridávania textu, hromadné mazanie, či export do SVG alebo 3D zobrazenia, ale o tom zase niekedy nabudúce...