gEDA 入门

1 gEDA 是什么，为什么选择它

　　现在不仅流行开源软件，而且开源硬件(这里说的开源硬件主要是和电子和嵌入式系统相关的)也相当流行，在网上可以找到很多开源硬件 hacker 和他们的项目，比如 ladyada.net, Makezine, Tux Graphics, Make SHED 等等。

　　当我们有了一个好的电子方面的想法之后，想把它制作成实物，这个时候可以在多孔实验板上进行原型验证，如果要做得好一些，就要涉及到用软件绘制原理图，画 PCB (Printed Circuit Board，印制电路板)等工作。

　　现在可以找到很多做电子设计的专业软件，大部分都是闭源的商业软件，比如 Protel，Mentor, Candense，德国 cadsoft 公司的 Eagle 等等，我学习的第一个电子设计软件就是 Eagle，它是一个很不错的软件，简单易用，画出的电路十分漂亮，它可以在 Windows, Linux, Mac OS, FreeBSD 上面运行。它有个 Freeware 版本，但是它有限制：尺寸只能 10cm*8cm, 双面板。很多业余电子爱好者都用 Eagle 来设计，即使在 10x8 的限制下，这些 hacker 也做出了很多另人惊讶的作品。当我要画大一些的 PCB 的时候，Eagle Freeware 就满足不了我的要求了，这个时候发现了 gEDA 这个优秀开源 EDA 软件。

　　在 gEDA 的官方网站上这样写到：

　　The gEDA project has produced and continues working on a full GPL'd suite and toolkit of Electronic Design Automation tools. These tools are used for electrical circuit design, schematic capture, simulation, prototyping, and production. Currently, the gEDA project offers a mature suite of free software applications for electronics design, including schematic capture, attribute management, bill of materials (BOM) generation, netlisting into over 20 netlist formats, analog and digital simulation, and printed circuit board (PCB) layout.

　　The gEDA project was started because of the lack of free EDA tools for POSIX systems with the primary purpose of advancing the state of free hardware or open source hardware. The suite is mainly being developed on the GNU/Linux platform with some development effort going into making sure the tools run on other platforms as well.

　　既然是做开源硬件，那当然要用开源的 EDA 软件来做设计，而且，个人也购买不起昂贵的商业 EDA 软件。现在，由于自由软件社区的发展，已经可以在自由的操作系统(如 Linux/*BSD)上面做设计，这是一件相当美妙的事情，做设计的时候会感觉到相当自由，而且设计可以不被保存为私有格式。因此 gEDA 是一个相当好的选择。除了 gEDA 之外，还有一个法国的开源 EDA 软件，叫 KiCAD，也相当不错，它是跨平台的，可以运行在 Windows, Linux 和 FreeBSD 上。

　　gEDA 的一些特点

• 不用花钱(可以考虑捐赠)

• 所有的文件格式都是透明的纯文本文件，方便手工/脚本 hack。

2 用 gEDA 进行设计的流程

　　一张流程图

3 绘制原理图

　　可以先阅读 Bill Wilson 的文章 gschem 初学者热身。

Read system-gafrc file [/usr/local/share/geda/system-gafrc]
Did not find optional ~/.gEDA/gafrc file [/usr/home/atommann/.gEDA/gafrc]
Read local gafrc file [/usr/home/atommann/projects/geda-tuto/gafrc]
Read system-gschemrc file [/usr/local/share/geda/system-gschemrc]
Did not find optional ~/.gEDA/gschemrc file [/usr/home/atommann/.gEDA/gschemrc]
Read local gschemrc file [/usr/home/atommann/projects/geda-tuto/gschemrc]
Read init scm file [/usr/local/share/geda/scheme/gschem.scm]
Loading schematic [/usr/home/atommann/projects/geda-tuto/nibble.sch]
RC file [/usr/home/atommann/projects/geda-tuto/gafrc] already read in.

         
gaf/                 gaf 是 gEDA and Friends 的意思
gaf/gschem-sym/              把自定义的 gschem 符号放在这里
gaf/gschem-sym/transistors/  可以把符号组织到子目录里
gaf/pcb-elements/            把自定义的 PCB footprint 放在这里，footprint 也可以组织进子目录
gaf/myprojects1/             最后，每个项目放在一个独立的目录里
gaf/myprojects2/
...

(component-library "${HOME}/gaf/gschem-sym")
(component-library "${HOME}/gaf/gschem-sym/transistors")

(component-library "../gaf/gschem-sym")
(component-library "../gaf/gschem-sym/transistors")

   ln -s ../pcb-elements packages

elements-dir ./footprints
schematics nibble-clock.sch
output-name nibble-clock

4 一个简单的例子

　　下面用一个简单的例子来说明完整的工作流程。以后的每个项目的工作流程都和这差不多，这个例子只有三个零件：一只普通的 LED，一只 1/4 W, 470 Ohm 的电阻和一个两位排针。

　　在这个例子里，可以了解到怎样创建 PCB，怎样放置器件，怎样布线。

　　在 $HOME 目录里建立一个比如叫 projects 的文件夹，然后在 projects 里面建立一个名为 led 的文件夹来存放这个设计的文件。

　　如果有自定义的符号和 footprint，可以在项目的文件夹里建立本地的符号和封装文件夹，这里的名字是 symbols 和 footprints (文件夹的名字没有限制)。

　　然后得建些文件，这些文件可以告诉 gschem 和 gsch2pcb 在哪里去找符号和封装。先建第一个文件，文件名为 gafrc，内容只有一行，它说本地符号库在当前目录下的 symbols 文件夹中。

       (component-library "./symbols")

　　第二个文件叫 gschemrc，也只有一行：

       (component-library "./symbols")
   

　　第三个是项目(也可以叫工程)文件。gsch2pcb 这个程序可以从项目文件里读取命令，这个项目文件可以告诉 gsch2pcb 封装库在什么地方。我把它命名为 led.prj，文件内容如下：

       elements-dir ./footprints
        schematics led.sch
        output-name led
   

　　看看这个项目文件，第一行告知 gsch2pcb 可以到当前目录下面的 footprints 目录里获取 footprints，第二行告知 gsch2pcb 原理图是哪一个（这个例子里只有一个原理图文件，实际上一个项目可以存到多个原理图文件里），第三行指定各种输出文件的基本名字(base name)。

　　在这个例子里，我们不准备创建自己的符号。

　　下面建立原理图 led.sch，可以在终端中输入命令来建立

         # gschem led.sch
     

　　在原理图中，按 i 键，添加一个电阻(resistor)和一个 led 和 connector2-1.sym，如下图。

　　按自己的喜好摆放好器件，这个时候可以用前面学到的 m(移动), er(旋转), ei(镜像)等命令，非常方便。

　　用器件按下面用 net 连接起来(用 n 键)，如下图。

　　好，我们来修改器件的属性。对于每个器件，选中它，按 ee 键就可以调出它的属性窗口（也可以双击器件）。编辑属性的时候暂时不要修改 refdes，refdes 是器件在每个原理图里的识别号，也是唯一的编号，在后面的操作中可以让零件自动编号，当然，对于零件很多的，可以手工完成。

• 给电阻增加可见的(注意选择 Show value only) value 属性并为其指定一个适当的值(这里是 470R)。用鼠标左键把新的可见属性移动适当的位置。如果不好选择，放大并重复点击左键。

• 给 LED 增加可见的 value 属性并为其指定一个适当的值(这里是 RED)。

• 给 connector 增加可见的 value 属性并为其指定一个适当的值(这里是 5VDC)。

• 给电阻增加不可见的 footprint 属性，值为 ACY400。

• 给 LED 增加不可见的 footprint 属性，值为 RCY100。

• 给 connector 增加不可见的 footprint 属性，值为 HEADER2_1。我是在 /usr/local/share/pcb/pcblib-newlib/geda 目录查找到的。

　　现在属性修改完成了，接下来给原理图中的每个器件指定一个唯一的 refdes。

• 关闭原理图

• 在终端中执行 # grenum led.sch

• 然后再执行 # gschem led.sch打开原理图，你会发前先前的问号已经变成了数字。

　　原理图这个时候就画好了。下面我们执行很关键的一步：把原理图转换成 PCB 文件。这个工作是用 gsch2pcb 来完成的。关闭原理图并执行下面的命令：

         # gsch2pcb led.prj
     

　　瞧，上面就用到了 led.prj 这个文件。

　　执行上面这个命令后，在终端中有一些输入，看看这些输出信息：

atommann# gsch2pcb led.prj

---------------------------------
gEDA/gnetlist pcbpins Backend
This backend is EXPERIMENTAL
Use at your own risk!
---------------------------------

Using the m4 processor for pcb footprints

----------------------------------
Done processing.  Work performed:
0 file elements and 3 m4 elements added to led.pcb.

Next step:
1.  Run pcb on your file led.pcb.
    You will find all your footprints in a bundle ready for you to place
    or disperse with "Select -> Disperse all elements" in PCB.

2.  From within PCB, select "File -> Load netlist file" and select 
    led.net to load the netlist.

3.  From within PCB, enter

           :ExecuteFile(led.cmd)

    to propagate the pin names of all footprints to the layout.

　　输出中明确指出了接下来应该执行的操作。执行下面的命令就可以打开刚才生成的 pcb 文件：

         # pcb led.pcb
     

　　欢迎来到 PCB，这是另一个软件，一个您布线的地方 :)

　　这里可以看到元器件都在左上角挤成一堆，用 Select -> Disperse all elements 菜单操作可以把它们散开。

　　然后执行 File -> load netlist file 并选择 led.net，.net 文件是网表文件，它里面有各个器件的引脚之间的连接关系。这时执行 Connects -> Optimize rats nest(也可以直接按 o 键，更方便)。现在，元器件的引脚和焊盘会根据原理图用橙色的直线连接起来。如果器件很多的话，这些线看起来很凌乱，就像老鼠窝，因此这些线叫做 "rats" 或 "rat line"。

　　然后执行下面的命令：

         :ExecuteFile(led.cmd)
     

　　移动/旋转这些器件，把它放置成你想要的样子，下面是一个例子。

　　摆放好器件之后就可以开始布线了。PCB 软件左边有一系列的工具按钮，pcb 还有图层的概念，选择比如说 solder 图层，选择 line 工具，光标会变成铅笔的样子，对于直线连接，把光标放到一个焊盘的中心点一下，然后移到到与它相连的另一端的焊盘中心双击，一条线就布线了。这时按一下 o 键，一条 rat line 就消失了。一个小提示：用 / 键可以改变线条的方向风格，线的精线可以按左侧的 style style 工具进行修改。OK，继续布其它的线，布好之后像下面这样。另外，请记得保存文件。

　　PCB 有很多使用技巧，请参考它的使用手册获取更多详情，更可以参考 PCB 开人员之一 DJ Delorie 写的 Getting Started With PCB 一文，非常详尽！

　　还有一件重要的事情没做，那就是设置 PCB 的尺寸。

• File -> Preferences...

• Size -> Board Size，这里我把宽设置成 750 mil，高为 450 mil。(1mil = 1/1000 inch = 0.0254 mm)

• 确定

　　OK，PCB 已经画好了。要是想把 PCB 文件发到工厂去做出来应该怎么办呢？非常简单，只要导出 gerber 文件即可： File -> Export Layout... -> gerber< -> 确定。这里你的文件夹会生成几个文件。在我们这个简单的例子中有 6 个 gbr 文件和一个 cnc 文件，它们的名字就说明了它们是什么：

　　这些文件可以使用 gerbv 这个软件来查看：

         # gerbv led.*.gbr led.*.cnc
     

　　如果没有错误，就可以把这些 gerber 文件和 cnc 钻孔文件打包，发给 PCB 工厂，几天之后，新鲜的 PCB 就可以到手了！接下来你可能又要忙上一阵子了：焊接，调试，给单片机编写软件等等。

　　对了，在上面提到 gEDA 的文件都是纯文本文件格式，好，用 vi/emacs 打开它看看吧：

         # gvim led.sch
     

v 20081231 1
C 40000 40000 0 0 0 title-B.sym
C 45700 50100 1 270 0 resistor-1.sym
{
T 46100 49800 5 10 0 0 270 0 1
device=RESISTOR
T 46000 49800 5 10 1 1 0 0 1
refdes=R1
T 46000 49500 5 10 1 1 0 0 1
value=470R
T 45700 50100 5 10 0 0 0 0 1
footprint=ACY400
}
C 46000 47900 1 90 0 led-3.sym
{
T 45350 48850 5 10 0 0 90 0 1
device=LED
T 46050 48450 5 10 1 1 0 0 1
refdes=D1
T 46100 48200 5 10 1 1 0 0 1
value=RED
T 46000 47900 5 10 0 0 0 0 1
footprint=RCY100
}
C 43100 48700 1 0 0 connector2-1.sym
{
T 43300 49700 5 10 0 0 0 0 1
device=CONNECTOR_2
T 43100 49500 5 10 1 1 0 0 1
refdes=CONN1
T 43100 48500 5 10 1 1 0 0 1
value=5VDC
T 43100 48700 5 10 0 0 0 0 1
footprint=HEADER2_1
}
N 44800 49200 44800 50100 4
N 44800 50100 45800 50100 4
N 44800 48900 44800 47900 4
N 44800 47900 45800 47900 4
N 45800 48800 45800 49200 4

　　上面是 led.sch 的内容，如果文件有问题，可以用工修改。

5 从原理图生成 PCB 文件

　　使用 gsch2pcb 命令。

6 PCB 布线

　　开始布线了。

7 修改原理图

　　当发现设计有问题，或者电路图需要修改，怎样把修改后的原理图更新到 PCB 中去。

8 怎样制作器件的 footprint

　　footprint 就是器件的封装。大家在网上共享 symbol 和 footprint 的地方 gedasymbols，John Luciani 用 perl 脚本生成的 footprint。

　　在 PCB 中画好 footprint，按照一定的步骤把它转换成 footprint。

9 把 PCB 做成实物

　　电路板设计好了，接下来选择一家 PCB 打样工厂把它做出来吧。

G04 start of page 2 for group 0 idx 0

G04 Title: (unknown), component *

G04 Creator: pcb 20080202 *

G04 CreationDate: 六 11/15 15:31:08 2008 UTC *

G04 For: atommann *

G04 Format: Gerber/RS-274X *

G04 PCB-Dimensions: 500000 300000 *

G04 PCB-Coordinate-Origin: lower left *

%MOIN*%

%FSLAX24Y24*%

%LNFRONT*%

%ADD11C,0.0200*%

%ADD12C,0.0250*%

%ADD13C,0.0100*%

%ADD14C,0.0080*%

%ADD15C,0.0120*%

%ADD16C,0.0160*%

%ADD17C,0.0600*%
...

10 一些用 gEDA 设计的作品

　　已经有很多硬件 hacker 开始使用 gEDA 来设计他们的作品，下面是一些：

　　Dr. Stefan Salewski 的“数字存储示波器”(DSO, Digital Storage Oscilloscope)。

　　Homepage of Dr. Stefan Salewski

　　DJ 的一些作品，如连接网络的 MP3 闹钟。

　　Levente Kovacs 的回流焊接烤箱项目。

　　ARM 单板计算机。

　　列出网址，照片等

11 修订历史

• 2009-11-11: version 1.0 -- 草稿。

• 2009-11-14: version 1.1 -- 继续编写。

• 2009-11-15: version 1.1 -- 继续编写。

• 2010-06-19: 更正例子中电阻和电容的 footprint。