王吉華 葛文慶 劉秀清 李瑞先

（山東理工大學交通與車輛工程學院，山東 淄博255049）

汽車電路在汽車安全性、經濟性和排放性的控制上發(fā)揮著越來越重要作用，社會需求更高層次的汽車電路研發(fā)人才，汽車電路計算機輔助設計(Computer Aided Design,，CAD)是其必須具備的重要技能。目前，較為普通使用的電子電路CAD軟件是Protel，印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)制造企業(yè)均接受Protel設計的PCB文件。而關于《汽車電路CAD》課程的專門教材很少，大多選用Protel電路設計的課本作為教材。Protel軟件是專門針對于電子電路設計的，沒有對汽車電路設計方面的內容作論述，而汽車電路設計既屬于電路設計又有著其自身的特點?；诖耍跓o《汽車電路CAD》課程專門教材的條件下，選用Protel電路設計的課本作為教材，并根據車輛和交通運輸等相關專業(yè)的培養(yǎng)目標，將Protel軟件的使用和汽車電路設計相結合，對課程教學內容進行合理規(guī)劃和設計，對教材知識模塊作出適當取舍和補充，希望以此來提高教學效果，增加學生的學習興趣，更好地培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力。

1 Protel軟件功能結構

Protel軟件是專門針對電子電路設計的，目前使用的有Protel 99se和Protel DXP兩個版本，二者在功能結構上基本相同?；赑rotel的電路設計課本對此軟件功能的論述基本上都由原理圖設計、原理圖報表設計、原理圖庫元件設計、層次電路圖設計、原理圖仿真、PCB設計、PCB報表設計和PCB庫元件設計等功能模塊組成，其功能結構如圖1所示。圖1不僅表明了Protel軟件各功能組成，而且給出了各功能之間的關系。

圖1 Protel軟件功能結構圖

在Protel軟件的電路設計中，原理圖設計是基礎，當元器件較多而電路圖復雜時，為了突出清晰的設計思路和明確的層次關系，就要進行層次電路圖設計。當采用仿真原理圖庫中的元器件設計原理圖后，可進行原理圖的仿真。

在電路原理圖和層次電路原理圖設計中，各元器件都設置好相應封裝和進行具有電氣特性的布線后，就完成了元器件之間和各網絡之間的連接，通過生成的網絡表全面記載和反映這種連接關系；在PCB設計中，通過導入網絡表將導入原理圖中的各元器件和各網絡之間的連接關系，同時導入PCB元器件，即原理圖中設置的封裝，于是可以實現自動布線和完成PCB設計。

對完成的原理圖，可設計其網絡表、元器件清單、交叉參考元件列表、網絡元件列表等報表[1]，反映出電路圖所使用的元器件及其連接關系；對完成的PCB，可設計其PCB設計規(guī)則檢查報表、電路板信息報表、元件及其引腳信息報表和鉆孔報表等[1]，反映出PCB中實際電路的布線和連接情況。

電路原理圖和PCB設計實質上都是從相應庫中拖出已有的元器件并進行布線，當已有的所有庫中均沒有需要的元器件時，就需要自己設計相應的原理圖或PCB元器件并進行加載。

2 課程知識結構規(guī)劃

當使用Protel電路設計課本作為《汽車電路CAD》課程的教材時，課程培養(yǎng)目標是使學生能夠運用Protel軟件，根據要求設計出相應的汽車電路原理圖或PCB，并能夠分析和解決汽車電路中遇到的實際問題。根據培養(yǎng)目標，結合Protel軟件的功能結構，課程的知識結構規(guī)劃如圖2所示。對比圖1和圖2可知，二者均包含原理圖和PCB設計、原理圖和PCB的報表和庫元件設計、層次電路圖設計和原理圖仿真等功能模塊，各模塊之間關系也基本相同；但因汽車電路自身特點，其知識結構與Protel軟件又有較大的區(qū)別。

圖2 課程知識結構圖

由圖1可知，Protel軟件針對的純電子電路設計一般是指需要設計原理圖和PCB。汽車整車電路包括諸多控制系統(tǒng)，比如發(fā)動機、車身、制動防抱死、轉向、驅動、電子穩(wěn)定性等，各系統(tǒng)均由傳感器、執(zhí)行器和控制電路等組成，傳感器、執(zhí)行器和控制電路之間以及各系統(tǒng)之間均由導線連接。由此，整車電路或局部模塊電路只需設計其原理圖而不進行PCB設計，只有各系統(tǒng)的控制電路需設計原理圖和PCB。

Protel軟件自帶庫中的元器件主要是針對純電子電路，而無汽車電路的一些專用元器件[2－3]，比如在設計整車電路圖時需使用的雙絲燈泡和特殊功能的繼電器等，在設計PCB時需使用的特殊功能繼電器和大功率驅動模塊等，所以課程中需補充汽車電路原理圖和PCB元器件(封裝)的介紹和分析內容，在此基礎上，以便更好地理解和掌握原理圖和PCB及其庫元件設計部分的知識。

對于電路原理圖仿真模塊，主要是針對電路中不包含微控制器而言，當電路中有微控制器時一般不進行仿真。純電子電路中即可包含微控制器又可不包含微控制器，所以仿真是其重要內容之一，而現在的汽車電路各系統(tǒng)中基本都是由微控制器進行控制，故在課程中原理圖仿真內容可作為選講或不講，視課程的計劃學時和特別需求而定，圖2中用虛線框表示。

3 課程內容設計

由于教材是針對純電子電路設計，根據課程培養(yǎng)目標和知識結構的規(guī)劃，課程講授內容需對教材內容作適當取舍和補充。為了便于學生學習和掌握所學知識，除了補充內容外，課程知識模塊的編排順序最好和所選教材一致。大部分教材的知識模塊總體編排順序是從原理圖到PCB，下面就依據這個順序來設計課程的具體內容。

（1）汽車電路元器件。本部分是教材的補充內容，是Protel軟件純電子電路設計結合汽車電路設計的基礎。內容包括純電子電路常用元器件和常用的汽車電路專用元器件兩部分，其中列舉的每種元器件又可從原理圖符號和PCB封裝兩方面分別闡述。

（2）原理圖設計。內容包括原理圖編輯器的常用菜單和工具欄使用、元件庫的加載和刪除以及庫元件瀏覽、庫元件放置和編輯、非庫對象的放置和編輯、布線和原理圖屬性設置等。需要強調電氣特性和非電氣特性對象的區(qū)別。

（3）原理圖報表設計。內容包括網絡表、元件清單和元件交叉參考等，設計在原理圖編輯器中進行。汽車電路中，控制電路部分必須要設計PCB，本部分內容的網絡表是聯系電路圖和PCB的橋梁，是PCB自動布線的基礎，應作為必講內容，其它內容根據課時和需要可作為選講。

（4）原理圖庫元件設計。內容包括原理圖庫元件編輯器、元器件組成、引腳屬性設置、復合元件設計和添加組的方法等，可對比原理圖設計時元器件屬性設置的各部分內容進行講解。需強調，不是元件外形而是引腳才具有電氣特性。

（5）層次電路圖設計。內容包括自上而下和自下而上兩種設計方法，主要是各自的設計思路和步驟，仍然是在電路原理圖編輯器中進行。應強調的問題是原理圖端口和方塊電路端口的區(qū)別。當設計的電路很復雜時，其是電路原理圖設計的擴展。

（6）電路原理圖仿真。內容包括仿真庫的使用、常用仿真用對象及其屬性設置、電路分析類型和仿真方法等。電路仿真可查看和分析所設計電路的性能，發(fā)現設計中存在的問題。因汽車電路各系統(tǒng)均由微控制器進行控制，除了不包括微控制器的局部電路外，一般不進行電路仿真，故本部分內容可作為課程的選講內容。

（7）PCB設計。內容包括PCB編輯器的常用菜單和工具欄、層的概念和管理、元件庫、網絡表和元器件加載、PCB規(guī)劃、布局、布線設置、布線、手動修改和PCB設置等。應強調各種層的概念、作用和區(qū)別，例如機械層和禁止布線層；并且強調自動布線和手動布線區(qū)別，以及利用向導布局和手動布局的區(qū)別。

（8）PCB報表設計。內容包括PCB設計規(guī)則檢查報表、電路板信息報表、元件及其引腳信息報表和鉆孔報表等，其中鉆孔報表為PCB制造企業(yè)使用，可不講，其它內容可選講。

（9）PCB庫元件設計。內容包括PCB庫元件組成、手工創(chuàng)建元件、利用向導創(chuàng)建元件、對象放置和編輯以及設計步驟等。此模塊應結合原理圖庫元件組成和設計方法的內容，從它們各種對應關系上進行講解。

以上設計了《汽車電路CAD》課程的主要內容，并強調一些區(qū)別和講解方法，目的是使內容的講解思路清晰和重難點突出，便于學生理解，以此來提高教學效果和學生的學習興趣，增加學習主動性和積極性。

4 課程學時分配和實驗安排

《汽車電路CAD》課程是交通運輸、車輛工程、交通工程和熱能工程等與車輛相關專業(yè)的重要專業(yè)基礎課，是《汽車電器與控制》、《交通信息控制》和《汽車單片機原理及應用》等課程的前期基礎課，根據各專業(yè)的實際情況，可作總學時數為32和48兩種安排，其具體學時和實驗安排見表1所示。

表1 課程學時和實驗安排表

當總學時數為32時，電路原理圖仿真可不講，共安排5個實驗；當總學時數為48時，電路原理圖仿真內容將添加進來，并且相應內容的學時數也增加，共安排6個實驗。為突出課程實踐性強的特點和使學生能夠邊學邊做，實驗應穿插在相應內容課堂教學后進行。

5 結束語

基于選用Protel電子電路設計的課本作為教材，規(guī)劃《汽車電路CAD》課程的知識結構，并設計其具體教學內容，旨在提高教學效果和培養(yǎng)學生解決實際問題的能力，并為制定合理的教學大綱打下基礎。為了本課程建設的完整性，最終解決辦法應是編寫本課程的專門教材，并在教學實踐中修訂和完善，這是將要努力做的工作。

［1］王慶,鄭初華,周淇,等.Protel99SEffamp;DXP電路設計教程[M].北京：電子工業(yè)出版社,2011.

［2］張偉.從零開始：Protel99SE基礎培訓教程[M].北京：人民郵電出版社,2009.

［3］魯捷,焦振宇,孟凡文,等.ProtelDXP電路設計基礎教程[M].北京：清華大學出版社,2005.