基于Protel的《汽车电路CAD》教学内容设计

王吉华 葛文庆 刘秀清 李瑞先

（山东理工大学交通与车辆工程学院，山东 淄博255049）

汽车电路在汽车安全性、经济性和排放性的控制上发挥着越来越重要作用，社会需求更高层次的汽车电路研发人才，汽车电路计算机辅助设计(Computer Aided Design,，CAD)是其必须具备的重要技能。目前，较为普通使用的电子电路CAD软件是Protel，印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)制造企业均接受Protel设计的PCB文件。而关于《汽车电路CAD》课程的专门教材很少，大多选用Protel电路设计的课本作为教材。Protel软件是专门针对于电子电路设计的，没有对汽车电路设计方面的内容作论述，而汽车电路设计既属于电路设计又有着其自身的特点。基于此，在无《汽车电路CAD》课程专门教材的条件下，选用Protel电路设计的课本作为教材，并根据车辆和交通运输等相关专业的培养目标，将Protel软件的使用和汽车电路设计相结合，对课程教学内容进行合理规划和设计，对教材知识模块作出适当取舍和补充，希望以此来提高教学效果，增加学生的学习兴趣，更好地培养学生创新实践能力。

1 Protel软件功能结构

Protel软件是专门针对电子电路设计的，目前使用的有Protel 99se和Protel DXP两个版本，二者在功能结构上基本相同。基于Protel的电路设计课本对此软件功能的论述基本上都由原理图设计、原理图报表设计、原理图库元件设计、层次电路图设计、原理图仿真、PCB设计、PCB报表设计和PCB库元件设计等功能模块组成，其功能结构如图1所示。图1不仅表明了Protel软件各功能组成，而且给出了各功能之间的关系。

图1 Protel软件功能结构图

在Protel软件的电路设计中，原理图设计是基础，当元器件较多而电路图复杂时，为了突出清晰的设计思路和明确的层次关系，就要进行层次电路图设计。当采用仿真原理图库中的元器件设计原理图后，可进行原理图的仿真。

在电路原理图和层次电路原理图设计中，各元器件都设置好相应封装和进行具有电气特性的布线后，就完成了元器件之间和各网络之间的连接，通过生成的网络表全面记载和反映这种连接关系；在PCB设计中，通过导入网络表将导入原理图中的各元器件和各网络之间的连接关系，同时导入PCB元器件，即原理图中设置的封装，于是可以实现自动布线和完成PCB设计。

对完成的原理图，可设计其网络表、元器件清单、交叉参考元件列表、网络元件列表等报表[1]，反映出电路图所使用的元器件及其连接关系；对完成的PCB，可设计其PCB设计规则检查报表、电路板信息报表、元件及其引脚信息报表和钻孔报表等[1]，反映出PCB中实际电路的布线和连接情况。

电路原理图和PCB设计实质上都是从相应库中拖出已有的元器件并进行布线，当已有的所有库中均没有需要的元器件时，就需要自己设计相应的原理图或PCB元器件并进行加载。

2 课程知识结构规划

当使用Protel电路设计课本作为《汽车电路CAD》课程的教材时，课程培养目标是使学生能够运用Protel软件，根据要求设计出相应的汽车电路原理图或PCB，并能够分析和解决汽车电路中遇到的实际问题。根据培养目标，结合Protel软件的功能结构，课程的知识结构规划如图2所示。对比图1和图2可知，二者均包含原理图和PCB设计、原理图和PCB的报表和库元件设计、层次电路图设计和原理图仿真等功能模块，各模块之间关系也基本相同；但因汽车电路自身特点，其知识结构与Protel软件又有较大的区别。

图2 课程知识结构图

由图1可知，Protel软件针对的纯电子电路设计一般是指需要设计原理图和PCB。汽车整车电路包括诸多控制系统，比如发动机、车身、制动防抱死、转向、驱动、电子稳定性等，各系统均由传感器、执行器和控制电路等组成，传感器、执行器和控制电路之间以及各系统之间均由导线连接。由此，整车电路或局部模块电路只需设计其原理图而不进行PCB设计，只有各系统的控制电路需设计原理图和PCB。

Protel软件自带库中的元器件主要是针对纯电子电路，而无汽车电路的一些专用元器件[2－3]，比如在设计整车电路图时需使用的双丝灯泡和特殊功能的继电器等，在设计PCB时需使用的特殊功能继电器和大功率驱动模块等，所以课程中需补充汽车电路原理图和PCB元器件(封装)的介绍和分析内容，在此基础上，以便更好地理解和掌握原理图和PCB及其库元件设计部分的知识。

对于电路原理图仿真模块，主要是针对电路中不包含微控制器而言，当电路中有微控制器时一般不进行仿真。纯电子电路中即可包含微控制器又可不包含微控制器，所以仿真是其重要内容之一，而现在的汽车电路各系统中基本都是由微控制器进行控制，故在课程中原理图仿真内容可作为选讲或不讲，视课程的计划学时和特别需求而定，图2中用虚线框表示。

3 课程内容设计

由于教材是针对纯电子电路设计，根据课程培养目标和知识结构的规划，课程讲授内容需对教材内容作适当取舍和补充。为了便于学生学习和掌握所学知识，除了补充内容外，课程知识模块的编排顺序最好和所选教材一致。大部分教材的知识模块总体编排顺序是从原理图到PCB，下面就依据这个顺序来设计课程的具体内容。

（1）汽车电路元器件。本部分是教材的补充内容，是Protel软件纯电子电路设计结合汽车电路设计的基础。内容包括纯电子电路常用元器件和常用的汽车电路专用元器件两部分，其中列举的每种元器件又可从原理图符号和PCB封装两方面分别阐述。

（2）原理图设计。内容包括原理图编辑器的常用菜单和工具栏使用、元件库的加载和删除以及库元件浏览、库元件放置和编辑、非库对象的放置和编辑、布线和原理图属性设置等。需要强调电气特性和非电气特性对象的区别。

（3）原理图报表设计。内容包括网络表、元件清单和元件交叉参考等，设计在原理图编辑器中进行。汽车电路中，控制电路部分必须要设计PCB，本部分内容的网络表是联系电路图和PCB的桥梁，是PCB自动布线的基础，应作为必讲内容，其它内容根据课时和需要可作为选讲。

（4）原理图库元件设计。内容包括原理图库元件编辑器、元器件组成、引脚属性设置、复合元件设计和添加组的方法等，可对比原理图设计时元器件属性设置的各部分内容进行讲解。需强调，不是元件外形而是引脚才具有电气特性。

（5）层次电路图设计。内容包括自上而下和自下而上两种设计方法，主要是各自的设计思路和步骤，仍然是在电路原理图编辑器中进行。应强调的问题是原理图端口和方块电路端口的区别。当设计的电路很复杂时，其是电路原理图设计的扩展。

（6）电路原理图仿真。内容包括仿真库的使用、常用仿真用对象及其属性设置、电路分析类型和仿真方法等。电路仿真可查看和分析所设计电路的性能，发现设计中存在的问题。因汽车电路各系统均由微控制器进行控制，除了不包括微控制器的局部电路外，一般不进行电路仿真，故本部分内容可作为课程的选讲内容。

（7）PCB设计。内容包括PCB编辑器的常用菜单和工具栏、层的概念和管理、元件库、网络表和元器件加载、PCB规划、布局、布线设置、布线、手动修改和PCB设置等。应强调各种层的概念、作用和区别，例如机械层和禁止布线层；并且强调自动布线和手动布线区别，以及利用向导布局和手动布局的区别。

（8）PCB报表设计。内容包括PCB设计规则检查报表、电路板信息报表、元件及其引脚信息报表和钻孔报表等，其中钻孔报表为PCB制造企业使用，可不讲，其它内容可选讲。

（9）PCB库元件设计。内容包括PCB库元件组成、手工创建元件、利用向导创建元件、对象放置和编辑以及设计步骤等。此模块应结合原理图库元件组成和设计方法的内容，从它们各种对应关系上进行讲解。

以上设计了《汽车电路CAD》课程的主要内容，并强调一些区别和讲解方法，目的是使内容的讲解思路清晰和重难点突出，便于学生理解，以此来提高教学效果和学生的学习兴趣，增加学习主动性和积极性。

4 课程学时分配和实验安排

《汽车电路CAD》课程是交通运输、车辆工程、交通工程和热能工程等与车辆相关专业的重要专业基础课，是《汽车电器与控制》、《交通信息控制》和《汽车单片机原理及应用》等课程的前期基础课，根据各专业的实际情况，可作总学时数为32和48两种安排，其具体学时和实验安排见表1所示。

表1 课程学时和实验安排表

当总学时数为32时，电路原理图仿真可不讲，共安排5个实验；当总学时数为48时，电路原理图仿真内容将添加进来，并且相应内容的学时数也增加，共安排6个实验。为突出课程实践性强的特点和使学生能够边学边做，实验应穿插在相应内容课堂教学后进行。

5 结束语

基于选用Protel电子电路设计的课本作为教材，规划《汽车电路CAD》课程的知识结构，并设计其具体教学内容，旨在提高教学效果和培养学生解决实际问题的能力，并为制定合理的教学大纲打下基础。为了本课程建设的完整性，最终解决办法应是编写本课程的专门教材，并在教学实践中修订和完善，这是将要努力做的工作。

［1］王庆,郑初华,周淇,等.Protel99SEffamp;DXP电路设计教程[M].北京：电子工业出版社,2011.

［2］张伟.从零开始：Protel99SE基础培训教程[M].北京：人民邮电出版社,2009.

［3］鲁捷,焦振宇,孟凡文,等.ProtelDXP电路设计基础教程[M].北京：清华大学出版社,2005.