NOTA IMPORTANTE
Lee a sección META para clonar este proxecto.

Qué imos facer? Qué se describe en este documento?

Imos deseñar un shield para Arduino usando KiCad

Daremos unha visión xeral da funcionalidade da suite KiCad pero non vamos a redactar un tutorial detallado nin de deseño de circuitos nin do mesmo KiCad. Daremos as pistas xustiñas para empezar a traballar con KiCad, se queredes un tutorial detallado, en youtube tedes un super recomendable, elaborado por TutoElectro

Tamén comentaremos a nivel xeral os pasos para desenvolver este proxecto.

Qué é KiCad?

KiCad é unha suite de deseño electrónico automatizado [1]. KiCad permite o deseño tanto de esquemas de circuitos como das placas de circuito impreso a nivel profesional. A suite está dispoñible para Windows, Linux e Apple OS X. É un programa gratuito e libre distribuido baixo licencia GNU GPL v2.

Mellor ainda, a suite KiCad é a elexida polo CERN para o desenvolvemento e deseño de electrónica. É de esperar que con este respaldo a suite mellore ainda mais.

Requisitos do shield

Queremos facer un shield que poida servir para iniciarse no mundo da programación con Arduino, especialmente centrado no ensino (tecnoloxía 3º - 4º ESO). Neste eido, traballar sobre breadboard pode ser complexo, moitas veces o material é compartido e isto implica que, cada clase, hai que montar e desmontar o circuito que logo se programará. Isto leva o seu tempo e ocasiona erros de montaxe que son difíciles de detectar, polo que o uso dun shield parece que pode ser unha solución.

Mália isto, empregando un shield xa ensamblada se perde a oportunidade de profundizar os coñecementos de electrónica e circuitos que se adquiren ao facer un mesmo a montaxe, así que un shield na que o alumno/a teña que colocar e soldar el mesmo os compoñentes, segundo avanza na súa aprendizaxe, parécenos a solución de compromiso idónea.

Queremos que o shield sexa escalable, que sirva para traballar cuns poucos compoñentes se non se quere profundizar demasiado, pero que permita tamén chegar a nivéis máis avanzados e con máis compoñentes sen cambiar de shield.

Estes son os compoñentes que se pensan incluír:

3-4 x Botóns
1 x RGB
1 x LDR
1 x Pines servo
1 x sensor temp (dudoso)
2 x potenciómetros
1 x LED vermello
1 x LED amarelo
1 x LED verde
1 x Zoador
1 x Botón de reset

Instalación de KiCad (en Ubuntu)

Para instalar o KiCad en Ubuntu basta con facer o típico ciclo de instalación:

sudo apt-get install kicad

Se queremos estar á última temos o ppa de Monsieur Reynaud dispoñible:

sudo apt-add-repository ppa:js-reynaud/ppa-KiCad
sudo apt-get update
sudo apt-get install kicad

Nos escollimos esta opción.

Se non usades un linux baseado en Debian, teredes que consultar na rede como facer a instalación para o voso sistema operativo. De todolos xeitos a instalación é moi doada, donde podemos atopar algún problemiña é na instalación das bibliotecas de compoñentes que vos contaremos cos mais detalle mais adiante.

Configuración de directorios para este proxecto

Además de desenvolver o proxecto con KiCad queremos ter o proxecto dispoñible en github.

Agora que temos KiCad instalado imos preparar un directorio de traballo ao que chamamos bats.

O directorio bats será o "repositorio" ou depósito do noso proxecto para git. Contén os seguintes subdirectorios:

doc
Contén a documentación do proxecto (o que estás a leer agora mesmo) redactada en Pandoc

kicad
Contén o proxecto KiCad

Unha vez que temos preparado o directorio do proxecto activamos git para iniciar o control de versións.

Describir a configuración de git??

Biblioteca de compoñentes incluindo un shield para Arduino

As bibliotecas de KiCad están organizadas en duas partes:

Un ficheiro que contén os símbolos dos compoñentes para usarse no editor de esquemas electrónicos Eescheme
As pegadas dos compoñentes electrónicos, é dicir, a forma que ten que ter a pista da placa de circuito impreso (PCB) para poder soldar o compoñente.

O KiCad trae por defecto varios templates que permiten o desenrolo de proxectos baseados en diferentes modelos de Arduino.

Nos optamos por outro camiño, instalamos unha nova biblioteca de compoñentes e fixemos o proxecto usando esta biblioteca.

Unha biblioteca moi completa é a de Freetronics que podemos atopar tamén en github en:

https://github.com/freetronics/freetronics_KiCad_library.git

As bibliotecas de KiCad poden estar almacenadas en diferentes directorios do noso ordenador. Poderíamos engadir as bibliotecas que usemos en algún subdirectorio de /usr/share/kicad ou de /usr/local/share. Esta podería ser unha boa estratexia nun servidor compartido por varios usuarios. Tamén poderíamos descarregar todas as bibliotecas a un directorio común do noso home. Pero como estamos facendo un control de versións do noso proxecto con git a propia páxina da biblioteca suxírenos o xeito mais adoitado de facer a instalación: coma un submódulo git do noso proxecto.

A vantaxe de engadir a biblioteca de compoñentes de Freetronics coma un submódulo Git é que o noso proxecto queda "aillado" do proxecto engadido como submódulo. Podemos avanzar no noso proxecto e salvar os cambios feitos con Git, sen afectar aos submódulos, e viceversa.

Por exemplo, unha vez que teñamos o noso directorio de traballo configurado con git, e a libreria de Freetronics engadida como submodulo, poderíamos empezar o desenrolo da nosa placa BATS e ir gardando os nosos avances. Estas operacións non afectarán a librería Freetronics, que de feito ainda que esta descarregada no noso directorio de traballo, non está gardada no git do noso proxecto, soamente está enlazada.

Se no futuro nos interesa actualizarnos a unha versión mais avanzada da librería Freetronics, podemos facer un commit do noso proxecto nunha situación controlada, e despois actualizar o submodulo correspondiente a librería.

Engadir a biblioteca como un submódulo de git

Dende o directorio principal de noso proxecto descarregamos a biblioteca de Freetronics coma un submodulo do noso proxecto:

cd kicad 
git submodule add https://github.com/freetronics/freetronics_kicad_library.git kicad/ftlibrary

Despois de engadir a biblioteca como un submódulo se consultamos o estado git do noso proxecto aparecerán dous novos ficheiros:

$ git status
On branch master
Your branch is up-to-date with 'origin/master'.
Changes to be committed:
  (use "git reset HEAD <file>..." to unstage)

    new file:   .gitmodules
    new file:   kicad/ftlibrary

Git engadíu automáticamente os dous novos ficheiros, o directorio que contén a nosa biblioteca eo ficheiro .gitmodule que levará o control de todolos submódulos que usemos.

En realidade os ficheiros que compoñen a biblioteca non pertencen ao noso depósito de software, git só leva conta da versión da biblioteca de Freetronics que estamos a usar.

Se queres saber mais de esta potente funcionalidade de git podes leer: http://www.git-scm.com/book/en/v2/Git-Tools-Submodules

Configurar Eescheme para usar a nova biblioteca

No menú Preferences -> Component Library sinalamos na fiestra inferior o directorio do noso proxecto. Na fiestra superior engadimos o ficheiro da biblioteca.

No github da biblioteca nos aconsellan poñer a biblioteca de primeira na nosa lista por que definen todo tipo de compoñentes. Nos de momento seguimos o consello de Freetronics, e a puxemos de primeira.

Configurar acceso aos datos de pegadas (footprints) en pcbnew

Configuramos un ficheiro para o noso proxecto declarando os footprint extra que imos a utilizar.

(fp_lib_table
  (lib
   (name FT)
   (type KiCad)
   (uri ${KIPRJMOD}/ftlibrary/freetronics_footprints.pretty)
   (options "")
   (descr "Freetronics Kicad Library")
   )
)

Engadimos o novo ficheiro ao noso repositorio

git add fp-lib-table

Abrimos Pcbnew e no menú Preferences->Footprint Libraries Manager comprobamos que na pestaña Project Specific Libraries figura o noso ficheiro.

Tutorial

Checklist: Pasos a seguir para rematar o proxecto

Abrir o proxecto (e mellor tér un directorio dedicado ao proxecto creado en adianto)
Crear o esquema do circuito (usando Eescheme)
Chequeo de erros (opción Perform Electrical Rules Check)
Asignar as pegadas (footprints) aos compoñentes (opción run CvPcb dende o Eescheme). As pegadas quedan asignadas a cada compoñente no esquema.
Xerar o ficheiro NET (opción Generate netlist)
Abrir o PcbNew e cargar o ficheiro NET xenerado dende o Eescheme
Distribuir os compoñentes do noso proxecto intentado simplificar a topoloxía das pistas o que poidamos.

A pantalla xeral

Pantalla xeral de KiCad opcións, citar a lista de hotkeys

Abrindo un proxecto

Checklist

Usar un directorio adicado ao proxecto
Engadir a información do proxecto ao esquema.

Abrimos un novo proxecto: File::New Project (Ctrl+N) bats

Crear e Editar o esquema do circuito

O primeiro que imos facer é o esquema do circuito. Para isto temos que usar a ferramenta Eeschema que podemos atopar en tres lugares diferentes [2] na barra de iconos de ferramentas, no menú de KiCad no título da fiestra, ou có atallo Ctrl+E.

Abrimos eescheme e creamos un novo ficheiro de esquema.

ERC: comprobación dos erros no circuito

Tips

Falar dos flags
- Power flags
- Not used flag
Falar dos ficheiros de pegadas
Falar da asignación automática de pegadas

As bibliotecas en KiCAD

Esta é sen dúbida a parte de KiCAD mais criticada. Hai varias razóns para isto:

As bibliotecas de KiCAD manteñen separados os símbolos dos compoñentes para usar no esquema do circuito das pegadas (footprints) dos mesmos que son os que se usan no deseño da placa.
Os símbolos dos compoñentes están almacenados en ficheiros con extensión .lib de ahí que con frecuencia se lles chame library (traducido librerias) na xerga de KiCAD
Por contra as pegadas dos compoñentes almacénanse en ficheiros con extensión .mod ou as mais modernas .kicad_mod de ahí que a miudo se lles chame modules (traducido módulos) na xerga de KiCAD
Os menús e diálogos para engadir ficheiros .lib e os ficheiros .mod son completamente diferentes
KiCAD soporta multiples localizacións para as bibliotecas, mesmo localizacións en github.

Dende o noso punto de vista o mais sinxelo e ter un só directorio donde almacenemos as bibliotecas de terceiros que queremos usar con KiCAD. Nos usamos ~/resources/kicad de feito temos:

~/resources/kicad/my_kicad_lib
Para os compoñentes de diseño propio

~/resources/kicad/my_kicad.pretty
para os footprints de diseño propio

~/resources/kicad/kicad_3rd
para librerias de terceiros

Un exemplo: Engadir novas bibliotecas Arduino

Imos ver como engadir unha nova biblioteca de compoñentes de xeito global (quedará dispoñible para todos os proxectos) ou só para un proxecto concreto.

As bibliotecas que imos usar pódense atopar en esta páxina.

Na páxina hai dous ficheiros dispoñibles para descarga. O que contén as plantillas (templates) non o queremos, xa está incluido no github de KiCAD.

Descarregamos o outro e descomprimimos no directorio donde imos ter as bibliotecas de KiCAD, no noso caso: ~/resources/kicad/kicad_3rd

Enlaces útiles

Dende o seguinte enlace podese descarregar unha biblioteca de compoñentes moi currada, ainda que algo anticuada:

git://smisioto.eu/KiCad_libs.git

brico-labs/BATS