Программа моделирования плат Sprint Layout

муниципальное бюджетное учреждение

дополнительного образования «Станция юных техников»

города Каменск-Шахтинский

Принята на методическом совете

Протокол №______ от «___» _________ 20___г

(Для учащихся 2 - 3 года обучения робототехнических объединений учреждений дополнительного образования)

Автор: Барышев Е. В.

педагог дополнительного образования.

2022

Пояснительная записка

Данная методическая разработка предназначена для изучения учащимися 2 и 3 года обучения начальных навыков, при создании печатной платы при помощи Sprint Layout. Содержание методической разработки содержит описание программы и иллюстрирует интерфейс программы в примерах и фрагментах создания печатной платы с пояснениями.

Методическая разработка является приложением к образовательной программе «Робототехника» и направлена на достижение следующих целей и задач:

Образовательные:

• научить основным принципам создания печатной платы;

• ознакомить учащихся с интерфейсом программы;

• создание печатной платы при помощи компьютерной программы Sprint Layout.

Развивающие:

• развитие интереса и склонностей в области радиотехники;

• способствовать развитию креативности, нестандартного мышления и пространственного воображения;

• способствовать развитию творческих способностей, фантазии и эстетического вкуса.

Воспитывающие:

• воспитание всестороннего интереса к радиоэлектроники, творческого отношения к труду;

• воспитание чувства взаимоуважения между кружковцами.

Методическая разработка рассчитана на учащихся 12 – 13 лет. На изучение программы Sprint Layout отведено 2 занятия по 2 часа.

Для освоения руководства по использованию компьютерных технологий в моделировании печатных плат предлагается следующая методика изучения:

• повторение знаний физических основ черчения и рисования в рамках школьного курса;

• использование персонального компьютера;

• самостоятельная работа в программе Sprint-Layout.

Сохраняя общую направленность материала, определяемую предлагаемой методической разработкой, преподаватель, должен иметь свой авторский демонстрационный материал (наглядное пособие, фото и образцы печатных плат). Учащийся может использовать данную методическую разработку как шаблон, для написания своей научно - исследовательской работы.

1. Основная часть

Когда-то создание печатной платы (ПП) для электронного устройства представляло собой всего лишь дополнение, вспомогательную технологию для повышения качества и повторяемости при серийном производстве электроники [1, 23]. Но это было на заре развития электроники. Сейчас же создание печатной платы представляет собой целую отдельную отрасль технического искусства [6].

Главной задачей Sprint - Layout является создание монтажной платы, с различными полупроводниковыми элементами включает в себя весь комплекс задач: от планирования до изготовления. Основная цель данной методической разработки – познакомить обучающихся с возможностями программы Sprint - Layout, научить их профессионально выполнять печатные платы, грамотно подбирать нужные элементы. Полученные навыки работы, в программе обучающиеся могут использовать на уроках производственного обучения, и при дальнейшей работе непосредственно на рабочих местах предприятий.

Сегодня радиолюбителям доступно заводское производство для заказа своих печатных плат. Достаточно подготовить необходимые файлы с рисунком печатной платы и дополнительной информацией об отверстиях и др., отослать на производство, оплатить и получить готовые печатные платы заводского качества с шелкографией, паяльной маской, точно просверленными отверстиями и т.д. А можно по старинке изготавливать в домашних условиях пользуясь ЛУТ и дешевым раствором для травления.

Но прежде, чем изготовить печатную плату её надо как-то нарисовать. В настоящее время для этих целей существуют десятки программ. В них можно спроектировать как однослойную, так и многослойную печатную плату. Наибольшее распространение среди радиолюбителей получила программа Sprint Layout [8]. Рисовать в ней платы можно как в графическом редакторе. Только набор инструментов для рисования свой, специализированный. Эта программа проста, удобна и с неё хорошо начинать свое знакомство с проектированием печатных плат в САПР [2, 130-132].

В сети огромное количество руководств по использованию программы Sprint Layout, поэтому постараюсь рассказать о некоторых полезных функциях, которые действительно нужны при создании печатных плат [7].

Рисунок 1. Общий вид и рабочее поле.

Программа выглядит как обычное windows-приложение, сверху находятся иконки с меню программы (файл, действия, плата, функции, сервис, опции, справка) (рисунок 1). Слева находится панель с инструментами, которые используются при рисовании печатной платы [4, 34-45]. Справа находится окошко, в котором выводятся свойства: рабочего поля, конкретной дорожки, конкретной группы дорожек и т.д. Правее окна с «Свойства» располагается окошко "Макросы". Макросы - это удобный инструмент для группировки ранее нарисованных деталей или частей платы. На них остановимся подробней, так как они несказанно экономят время и снижают количество ошибок на плате.

Черное поле в сеточку - это рабочее поле. Именно там будем расставлять контактные площадки, отверстия для радиодеталей, и проводить между ними дорожки. У поля тоже есть некоторые свойства, длина и ширина. Размер поля определяет максимальный размер печатной платы. При этом ширина и длина задаются в миллиметрах. Это важное уточнение, так как размер клетки сетки задаётся по умолчанию не в миллиметрах, а в mil (т.е. не метрических, а дюймовых ед. измерения) (рисунок 2).

Рисунок 2.

Рисунок 3. Панель инструментов Sprint Layout.

Курсор (Esc) - обычный инструмент, который служит для выделения элемента на ПП: отверстие или часть дорожки.

Масштаб (Z) - служит для увеличения/уменьшения размера рисунка печатной платы. Удобно, когда много тонких дорожек и надо выделить среди них какую-нибудь одну.

Дорожка (L) - используется для рисования проводящей дорожки. У этого инструмента есть несколько режимов работы. О них чуть позже. 

Контакт (P) - инструмент предназначен для рисования переходных отверстий. Можно выбирать форму отверстия, а также задавать радиус самого отверстия и радиус фольги вокруг него.

SMD-контакт (S) - для проектирования ПП с использованием SMD -компонентов. Рисует контактные площадки необходимых размеров.

Круг /Дуга (R) - для обрисовки проводника в форме круга или дуги.

Квадрат (Q), Полигон (F), Спецформы (N) - инструменты для создания площадок и областей определенного вида.

Текст (T) - для написания текста. Можно задавать, как текст будет отображен на плате: нормально или зеркально. Это помогает правильно отобразить на плате, например при использовании ЛУТ.

Маска (O) -- для работы с паяльной маской. По умолчанию, при включении этого инструмента, вся плата, кроме контактных площадок "покрыта" паяльной маской. Можно произвольно открыть/закрыть паяльной маской любой контакт или дорожку, нажав по ним левой кнопкой мыши.

Перемычки (С) - это виртуальная связь, которая сохраняется при любых манипуляциях с контактными дорожками, между которыми она установлена. При печати перемычки никак не отображаются, но они используются для автотрассировки.

Автотрасса (А) - простейший автотрассировщик. Позволяет по расставленным связям проложить контактные дорожки между контактами. Для того чтобы отличить автоматически проложенные дорожки от сделанных вручную, SL рисует вдоль такой дорожки серую линию посередине.

Тест (Х) - простейший инструмент контроля. С его помощью можно подсветить одну конкретную дорожку в слое. Удобно для проверки правильности разводки дорожек.

Измеритель (М) - удобный инструмент для измерения расстояний на чертеже платы. Измеритель показывает, координаты курсора, изменение координат курсора по Х и Y, расстояние между начальной и конечно точками и угол наклона диагонали прямоугольника, построенного по начальной и конечной точкам измерителя.

Фото вид (V) -- показывает, как примерно должна выглядеть твоя плата после изготовления промышленным способом.

Sprint Layout позволяет рисовать многослойные печатные платы (рисунок 4). Всего их семь: два внешних медных слоя (верх и низ), два слоя под шелкографию для внешних слоёв, два внутренних слоя, и один непечатный слой для обрисовки контура платы.

Рисунок 4.

Переключение рабочего слоя и управление видимостью производится в нижней части рабочего поля с помощью вот такого элемента управления:

Каждый слой в SL имеет своё назначение:

• М1 - верхний слой

• К1 - маркировка элементов верхнего слоя

• В1 - внутренний слой

• В2 - ещё один внутренний слой

• М2 - нижний слой

• К2 - маркировка элементов нижнего слоя

• О - слой для обрисовки контуров платы

При создании своей платы следует помнить, что текст и элементы в слое М2 должны быть отраженными. Обычно SL автоматически делает текст отраженным, но все равно следует время от времени проверять.

Во время работы в SL всегда активен только один слой. Именно на этот слой будут расставляться все контактные площадки и дорожки. Во время работы с этим слоем все остальные слои считаются неактивными - дорожки и контакты на них изменить не получится.

По разным причинам иногда требуется закрыть пустое пространство на плате медью так, чтобы она не замыкалась с дорожками платы. В Sprint Layout для этих целей есть кнопочка внизу рабочего поля:

Для того чтобы изменить изгиб дорожки в SL надо просто нажать пробел (выбрав перед этим инструмент рисования дорожек - L). Для рисования доступные вот такие виды изгибов (рисунок 5).

Рисунок 5.

На рисунке 6 изображены «Строка меню» и панель стандартных инструментов. Назначение первых девяти значков панели стандартных инструментов понятны каждому пользователю Windows. Поэтому назначения элементов этой панели подписаны только начиная с десятого значка. Основные команды меню из «Строки меню» дублируются командами Контекстного меню (рисунок 7), которое вызывается нажатием на правую кнопку мыши, если курсор расположен на рабочем поле.

Рисунок 6.

Непосредственно для разводки плат используется Набор специальных инструментов, который расположен в левой части окна программы (рис. 1). Назначение инструментов (кнопок) этого набора показано на рис. 5.

Рисунок 7.

Самую нижнюю строку окна программы Sprint-Layout 4.0 Rus (рисунок 8) в графических редакторах обычно называют Информационной строкой. Над этой строкой можно увидеть закладку чертежа печатной платы. Если проект содержит несколько печатных плат, то чертежей, а значит и закладок, может быть несколько.

Рисунок 8.

Для получения успешного результата при освоении программы, разработаем вместе простенькую печатную плату. Например, плату для сборки индикатора импульса RESET (сброса), описание которого представлено в [3]. Адаптированная принципиальная схема этого индикатора показана на рисунок 10.

Рисунок 9.

Для удобства дальнейшей работы установим сторону ячейки сетки рабочего поля равной 1,27 мм. Перетащим на рабочее поле чертежи всех необходимых деталей схемы. Нам понадобятся всего три детали:

· резистор длиной (вместе с выводами) 7,5 мм,

· конденсатор с расстоянием между выводами 5 мм,

· микросхема в корпусе DIP14. Файл (макрос) этого корпуса DIL-14.lmk находится в папке Dil.

Соответствующие линейные размеры деталей закодированы в названии файла (макроса). Например, R (RM7,5).LMK обозначает, что это макрос резистора с расстоянием между выводами приблизительно 7,5 мм, а El-cap (RM5) – это макрос бочкообразного оксидного (электролитического) конденсатора с расстоянием между выводами около 5 мм. Именно эти файлы и файл светодиода диаметром 5 мм (LED_5MM.LMK) нам необходимо найти, выделить и перетянуть на рабочее поле.

При необходимости чертеж любого элемента можно повернуть на угол кратный 90° (рисунок 10). Для этого нужно выделить этот элемент, щелкнув по нему левой кнопкой мыши. Для поворота его на 90° можно воспользоваться одним из трех способов:

· щелкнуть левой кнопкой мыши по красной круглой стрелке на Панели стандартных инструментов,

· выбрать команду Поворот на 90° в меню Правка платы.

Рисунок 10.

В Наборе специальных инструментов имеется инструмент Текст, использующий шрифт, который генерируется программой Sprint-Layout (рисунок 11). Этот шрифт имеет только латинский алфавит. Он имеет одно неоспоримое достоинство: его можно зеркально отображать так же, как любой иной элемент чертежа. Подпишем на чертеже позиционные номера деталей схемы так, чтобы они вытравились на плате. Для этого необходимо активировать слой Ф2. Выберем в Наборе специальных инструментов инструмент Текст. Откроется диалоговое окно Настройка “Текст”

Рисунок 11.

Выбираем инструмент Дорожка из Набора специальных инструментов и в окошке Ширина дорожек или линии круга устанавливаем толщину линий 0,8 мм. Подводим курсор мыши к контактной площадке обозначенной как (2) и кратковременно нажимаем на левую кнопку мыши. При перемещении мыши за курсором будет тянуться от этой площадки по линиям сетки или по диагонали зеленая линия-проводник. Эту дорожку надо дотянуть до 14 вывода микросхемы DD1. Если проводник в какой-либо точке должен повернуть, то, доведя его до этой точки надо щелкнуть левой кнопкой мыши и далее продолжить его вести до следующего поворота или контактной площадке. Если необходимо закончить вычерчивание проводника, то после щелчка левой кнопкой необходимо произвести щелчок правой кнопкой мыши. Аналогично вычерчиваются и остальные проводники платы. Если какой-то проводник проведен неверно, то его можно удалить тем же способом, каким удаляются любые иные элементы чертежа. В результате получится полный чертеж (рисунок 12).

Рисунок 12.

Собственно на рисунке ниже совмещены два чертежа:

· Чертеж печатных проводников в зеркальном отображении (слой Ф2);

· Чертеж расположения деталей на плате (слой М1).

Если активировать и выбрать для показа в этом чертеже только слой М1, то мы получим чертеж расположения деталей, а если – только слой Ф2, то мы получим чертеж печатных проводников в зеркальном отображении.

Для вхождения в режим печати и вывода на принтер чертежа, необходимо щелкнуть левой, кнопкой мыши по значку принтера на Панели стандартных инструментов или выбрать в меню Файл строку Печать. При этом откроется окно рисунок 13.

Рисунок 13.

Давайте разберемся в основных установках этого окна. Верхние четыре строчки позволяют выбрать одну или несколько слоев чертежа печатной платы для последующего вывода на печать. Если галочку установить только в квадратике Ф2, то на печать будут выводиться печатные проводники и надписи, выполненные в слое этих проводников. Если галочку установить только в квадратике М1, то на печать будет выводиться расположение деталей.

Если необходимо использовать чертежи, выполненные в программе Sprint-Layout 4.0, для отчетов или как рисунки для статьи, то программа позволяет экспортировать их в графические форматы *.bmp, *.gif, *.emf. Для этого в меню Файл необходимо выбрать подменю (строку) Экспорт файла, а в нем одну из строк Формат *.bmp, Формат *, gif или Формат *. emf. Что делать дальше подскажет открывшееся диалоговое окно. Кстати, экспорт файла возможен в форматы Gerber и Excellon (Сверловка), используемые профессиональными производителями печатных плат.

1. Заключение

Данная методическая разработка была апробирована в робототехническом объединении учащимися 2 и 3 года обучения.

Использование программы Sprint Layout в образовательном процессе способствует формированию ИКТ компетентности будущих специалистов в области робототехники. Повышает уровень преподавания специальных дисциплин с учетом современных требований ФГОС к учебному процессу.

Данный учебно-методический комплект позволит сформировать формы и приемы организации учебного процесса. Повышает интерес и мотивацию обучающихся, а также реализует воспитательные функции:

формирование культуры создания и чтения схем;

воспитание чувства ответственности.

Источники информации

1. Безверхний И. Как разработать печатную плату? Теперь это очень просто. Радиохобби №4/2002;

2. Безверхний И. Б. Sprint-Layout 3.0R – простая программа для разводки печатных плат. Радиоаматор №12/2002, №1/2003;

3. Кряжев А. Простой индикатор импульса RESET. РЭТ №7-8/2000.

4. Филиппов С. А. Робототехника для детей и родителей. — СПб.: Наука, 2013. 319 с.

5. Sprint Layout для начинающих. http://mp16.ru/blog/sprint-layout-dlya-nachinayuschih

6. Рисуем свой логотип для печатных плат в Sprint Layout https://datagor.ru/practice/diy-tech/2744-risovanie-v-sprint-layout.html

7. Sprint Layout 4 RU http://soundbarrel.ru/softina/sprint4.html

8. Sprint-Layout 6.0 - Описание программы https://www.youtube.com/watch?v=FG-Op2WbJKA

18