131. KiCad: плата скриптом и проверка из командной строки

KiCad — бесплатный пакет для схем и плат, и у него есть то, чего нет у большинства коммерческих: плата доступна из Python, а проверки и выпуск файлов для завода — из командной строки. Значит, плату можно собрать, проверить и выпустить так же, как прошивку: скриптом, в контейнере, на сервере.

Здесь так и сделано. Плата с STM32F103C8 — кварц, развязка, разъём SWD, стабилизатор, светодиод — расставлена скриптом pcbnew, проверена DRC и выпущена в Gerber программой kicad-cli из образа kicad/kicad:9.0 (KiCad 9.0.9). Все числа раздела — из этих прогонов; принципы, по которым плата устроена, — в разделе 130.

Плата собрана без схемы — ради того, чтобы её можно было построить и проверить скриптом. В обычной работе детали и цепи приходят из схемы: в редакторе платы — Tools / Update PCB from Schematic (F8, в русском интерфейсе — «Обновить плату со схемы»). И из командной строки тогда проверяют и схему: kicad-cli sch erc — электрические правила, kicad-cli pcb drc --schematic-parity — совпадение платы со схемой.

Как это называется в документации

Оригинал	Перевод
footprint	посадочное место: контактные площадки и контур детали
symbol	условное обозначение на схеме
pad	контактная площадка
track, via	дорожка, переходное отверстие
zone, copper pour	полигон, заливка медью
courtyard	зона, которую деталь занимает на плате
silkscreen	шелкография, надписи на плате
solder mask	паяльная маска
Design Rules Check (DRC)	проверка правил разводки
unconnected items	неразведённые соединения
netclass	класс цепей: ширина дорожек и зазоры
Gerber, drill file	файлы слоёв и сверловки для завода

131.1 Что лежит в проекте

Все файлы — текст в скобочной записи, их удобно хранить в git и сравнивать. Штатные библиотеки ставятся вместе с KiCad: обозначение STM32F103 — в MCU_ST_STM32F1.kicad_sym, корпус — Package_QFP.pretty/LQFP-48_7x7mm_P0.5mm.kicad_mod.

131.2 Плата из Python

Модуль pcbnew — тот же код, что рисует плату в окне. Посадочное место берётся из библиотеки, ставится в точку и получает цепи на выводах:

def place(lib, name, ref, x, y, rot=0, pins=None):
    fp = pcbnew.FootprintLoad(FP + lib + ".pretty", name)
    fp.SetReference(ref)
    fp.SetPosition(VECTOR2I(mm(x), mm(y)))
    fp.SetOrientationDegrees(rot)
    b.Add(fp)
    for pad in fp.Pads():
        n = (pins or {}).get(pad.GetNumber())
        if n:
            pad.SetNet(net(n))
    return fp

Контроллер — одна строка с таблицей выводов: какой вывод к какой цепи. На этой плате 15 посадочных мест и 13 цепей.

131.3 Развязка: по нормали к ряду выводов

Первая расстановка была наивной: конденсатор рядом с выводом, «первый» вывод конденсатора — к питанию, дорожка напрямик. DRC нашёл в ней 20 нарушений, и три из них — короткие замыкания: дорожка от конденсатора к VDD шла наискосок и задевала соседние выводы корпуса — GND и свободный вывод (131.5).

Правильно — поставить конденсатор на нормаль к ряду выводов, наружу, и подключить к VDD ближний к нему вывод конденсатора. Дорожка тогда прямая и проходит мимо соседей, а земляной вывод конденсатора сразу уходит переходным отверстием в сплошную землю нижнего слоя:

    for i, vdd in enumerate(("24", "36", "48", "9"), 1):
        px, py = xy(pad(mcu, vdd))
        dx, dy = px - MCU[0], py - MCU[1]
        if abs(dy) > abs(dx):                         # верхний или нижний ряд: нормаль по Y
            nx, ny, rot = 0.0, (1.0 if dy > 0 else -1.0), 90
        else:                                         # левый или правый ряд: нормаль по X
            nx, ny, rot = (1.0 if dx > 0 else -1.0), 0.0, 0
        c = place("Capacitor_SMD", "C_0603_1608Metric", "C%d" % i, px + nx * 2.8, py + ny * 2.8, rot)

        track((px, py), xy(near), "+3V3")             # прямая дорожка по нормали — мимо соседних выводов
        fx, fy = xy(far)
        v = (fx + nx * 1.0, fy + ny * 1.0)
        track((fx, fy), v, "GND")
        via(v, "GND")                                 # земля конденсатора — сразу в полигон нижнего слоя

Дорожка от каждого вывода VDD до конденсатора — 2,025 мм: центр конденсатора стоит в 2,8 мм от вывода, а площадка корпуса 0603 — в 0,775 мм от его центра, 2,8 − 0,775 = 2,025.

131.4 Земля: полигон и его заливка

Нижний слой целиком — полигон цепи GND. Контур задают точками, а медь внутри рассчитывает отдельный шаг — заливка: она обходит чужие площадки с зазором и соединяет свои через тепловые перемычки.

Здесь ловушка: заливка для платы, собранной скриптом в памяти, в KiCad 9 без окна падает — Segmentation fault внутри ZONE_FILLER.Fill. Работает, если плату сначала сохранить, загрузить из файла и собрать связность:

b = pcbnew.LoadBoard(path)
b.BuildConnectivity()
filler = pcbnew.ZONE_FILLER(b)
ok = filler.Fill(b.Zones())
pcbnew.SaveBoard(path, b)

На готовой плате медь заливки — 1330,2 мм².

131.5 DRC из командной строки

kicad-cli pcb drc --severity-all --format json -o drc.json board.kicad_pcb

Отчёт в JSON делится на две части: нарушения правил и неразведённые соединения. Наивная расстановка из 131.3:

Всего 20 нарушений семи видов и 29 неразведённых соединений. После исправлений из 131.3 и перестановки узла питания — 0 нарушений и 24 неразведённых соединения: это сигнальные цепи, которые остались разводить руками, а не ошибки.

Ключ --exit-code-violations делает код возврата ненулевым — и считает при этом не только нарушения, но и неразведённые соединения. У исправленной платы нарушений 0, неразведённых 24 — и код тот же, 5, что у наивной. Поэтому на сервере сборки (раздел 110) ключ ставят, когда плата разведена целиком; до того DRC пускают без него и проверяют в отчёте JSON число нарушений.

131.6 Файлы для завода

kicad-cli pcb export gerbers --layers F.Cu,B.Cu,F.Mask,B.Mask,F.Silkscreen,B.Silkscreen,F.Paste,Edge.Cuts -o fab/ board.kicad_pcb
kicad-cli pcb export drill -o fab/ board.kicad_pcb

Без списка слоёв export gerbers выпускает все слои платы — 24 слоя и файл задания, 25 файлов, вместе с пользовательскими, сборочными и зонами деталей, которые заводу не нужны. Со списком — ровно то, что нужно для изготовления: восемь слоёв, файл описания задания .gbrjob и сверловка .drl, всего 10 файлов.

131.7 Грабли

131.8 Итоги

• Плата KiCad — текст; pcbnew строит её из Python, kicad-cli проверяет и выпускает файлы — всё в контейнере kicad/kicad:9.0.
• Развязка — на нормали к ряду выводов, ближним выводом к VDD, земля — сразу переходным отверстием: дорожки по 2,025 мм, 0 нарушений.
• Наивная расстановка — 20 нарушений семи видов, из них 3 замыкания.
• Заливку считать у платы, загруженной из файла.
• Gerber — со списком слоёв: 10 файлов вместо 25.

Дальше: раздел 132 «DipTrace» — тот же путь в другой программе.