“輕軌（Light Rail）是一款極簡(jiǎn)風(fēng)格的互動(dòng)式PCB游戲，其模擬列車沿軌道行駛并從站臺(tái)裝卸貨物的過(guò)程。”

Made with KiCad 系列將支持新的展示方式。直接將以下鏈接復(fù)制到瀏覽器中(或點(diǎn)擊“閱讀原文”)：

https://p.eda.cn/d-1328617189850218496

即可動(dòng)態(tài)查看設(shè)計(jì)的原理圖、PCB、3D 及 BOM，查詢?cè)O(shè)計(jì)中器件、走線、焊盤(pán)的屬性詳情。還可以在原理圖中與AI小助手互動(dòng)，幫您更高效地學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)：

概覽Light Rail 是一款簡(jiǎn)約的互動(dòng)式 PCB 游戲，模擬火車沿著軌道行駛，在站臺(tái)上裝卸貨物。軌道由成行排列的黃色 LED 燈組成，這些 LED 燈依次點(diǎn)亮，營(yíng)造出火車沿著軌道行駛的效果。軌道上的八個(gè)岔路口和十字路口旁邊各有一個(gè)按鈕，用于切換其狀態(tài)。電路板上還有一個(gè)三字符七段顯示屏，用于顯示游戲狀態(tài)和/或分?jǐn)?shù)，軌道下方還有四個(gè)按鈕，用于控制游戲。輕軌可使用兩節(jié) LIR2032 電池或通過(guò) USB 供電。

硬件設(shè)計(jì)

主要硬件組件包括

ATMega32u4 8 位微控制器

IS31FL3731 矩陣 LED 驅(qū)動(dòng)器（charliplexing）

AS1115 七段 LED 顯示驅(qū)動(dòng)器

KCSC02-105 七段 LED 顯示器

MIC5219 3.3V LDS 穩(wěn)壓器

黃色 “軌道 ”和紅色 “平臺(tái) ”LED，共 144 個(gè)

IS31FL3731 + LEDs：最終我選擇這個(gè)方案的原因很直白。之前用Adafruit的LED背包模塊時(shí)體驗(yàn)良好，發(fā)現(xiàn)它通過(guò)獨(dú)立PWM控制每顆LED就能輕松實(shí)現(xiàn)流暢動(dòng)畫(huà)效果。雖然考慮過(guò)IS31FL3741這類能控制更多LED的芯片，但覺(jué)得144顆LED的規(guī)模恰到好處。紅黃雙色作為高對(duì)比度的基礎(chǔ)暖色調(diào)是自然之選。

Kingbright七段數(shù)碼管 + AS1115：選擇Kingbright數(shù)碼管因其微型尺寸完美契合"元件即建筑"的板面美學(xué)。AS1115驅(qū)動(dòng)芯片沒(méi)有特別設(shè)計(jì)考量，只是剛好找到這款支持I2C通信、封裝尺寸適配的七段管驅(qū)動(dòng)IC。

ATMega32u4：選擇主控芯片主要基于兩點(diǎn)——這是其他設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的AVR芯片，且自帶USB功能。雖然我本人從未用過(guò)該型號(hào)，但有其他AVR芯片開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，其USB調(diào)試功能對(duì)開(kāi)發(fā)及未來(lái)擴(kuò)展頗具吸引力。更現(xiàn)實(shí)的好處是方便親友燒錄程序，直接給個(gè)腳本就能搞定，無(wú)需額外USB轉(zhuǎn)串口芯片。不過(guò)$5/片的售價(jià)實(shí)在高昂，若非出于學(xué)習(xí)目的斷不會(huì)選擇。

電源電路：這部分設(shè)計(jì)主要參考其他開(kāi)發(fā)板方案。通過(guò)粗略估算板載最大電流需求，最終選型的LDO穩(wěn)壓器留有充足余量。

壓電蜂鳴器：直接沿用ACK1編碼套件中的同款蜂鳴器。選擇關(guān)鍵點(diǎn)在于其尺寸既能填補(bǔ)PCB空白區(qū)域，又符合"芯片即建筑"的設(shè)計(jì)隱喻。盡管體型較常規(guī)壓電片偏大，但直連MCU引腳即可驅(qū)動(dòng)的簡(jiǎn)潔性頗具優(yōu)勢(shì)。

Layout

布局設(shè)計(jì)無(wú)疑耗費(fèi)了最多時(shí)間。我首先粗略排布LED燈珠構(gòu)成軌道外環(huán)，隨后勾勒出PCB輪廓。KiCad的光線追蹤渲染功能在此階段極為實(shí)用，幫助我直觀調(diào)整LED間距與整體比例。為獲得更真實(shí)的觀感，我甚至找來(lái)與PCB尺寸相仿的平面物體舉在顯示器前比對(duì)。外環(huán)確定后，以手稿草圖為基礎(chǔ)繪制內(nèi)部軌道與道岔。當(dāng)基礎(chǔ)軌道布局初現(xiàn)雛形時(shí)，欣喜地發(fā)現(xiàn)仍有充足LED可用于站臺(tái)設(shè)計(jì)，遂在各軌道區(qū)段添加集群式燈珠。

隨后，我將設(shè)計(jì)樂(lè)高軌道時(shí)積累的經(jīng)驗(yàn)遷移至此，重點(diǎn)調(diào)整三個(gè)參數(shù)：

道岔/交叉口間的軌道區(qū)段長(zhǎng)度

道岔在軌道中的延伸方向

各軌道區(qū)段內(nèi)站臺(tái)分布與區(qū)段長(zhǎng)度的比例關(guān)系

軌道布局敲定后，開(kāi)始排布其他元件。將ATMega32u4置于底部靠近電源電路與USB接口；IS31FL3731居中放置以縮短LED走線；頂部的Kingbright數(shù)碼管與AS1115驅(qū)動(dòng)構(gòu)成游戲狀態(tài)/計(jì)分屏；道岔旁設(shè)置切換按鈕，底部布置四個(gè)控制鍵。

走線前已預(yù)判需要四層板應(yīng)對(duì)LED矩陣的復(fù)雜布線。遂將中間兩層定義為電源層與地層，此舉實(shí)質(zhì)將整板轉(zhuǎn)化為平行板電容器——理論上可協(xié)同板載陶瓷電容提升電壓穩(wěn)定性。

IS31FL3731以兩個(gè)獨(dú)立9×8矩陣驅(qū)動(dòng)144顆LED，布局時(shí)嚴(yán)格遵循分組原則。但完成頂層布線后，發(fā)現(xiàn)走線失衡問(wèn)題。盡管PWM工作在kHz頻段，仍不愿冒險(xiǎn)承受走線電容差異帶來(lái)的潛在干擾。于是重構(gòu)布局，將之視為邏輯謎題：通過(guò)調(diào)整LED位置優(yōu)化共陽(yáng)極/陰極分組，實(shí)現(xiàn)總走線長(zhǎng)度/數(shù)量最小化。

中途嘗試自動(dòng)布線并通宵運(yùn)行。關(guān)于自動(dòng)布線器，我就說(shuō)這么多。

KiCad在此過(guò)程中也暴露出些許設(shè)計(jì)痛點(diǎn)。例如試圖通過(guò)單焊盤(pán)接地簡(jiǎn)化按鈕走線（因其他焊盤(pán)已內(nèi)部連通），卻始終無(wú)法通過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)則檢查。似乎無(wú)法優(yōu)雅定義封裝內(nèi)隱式連接，除非采用比直接修改封裝更取巧的變通方案。

布局完成后，沉迷于繪制絲印道路與微型停車位。盡管尺寸微小，我承認(rèn)自己有點(diǎn)過(guò)分糾結(jié)于線條寬度和間距的一致性。所幸最終效果超預(yù)期（以我的美術(shù)功底而言），故僅有輕微悔意。當(dāng)向家人展示效果圖時(shí)，立即收獲"元件宛如城市建筑"的評(píng)價(jià)，這正是設(shè)計(jì)理念的最佳印證。

原理圖 & PCB

聲明：本文由華秋·開(kāi)源硬件社區(qū)發(fā)布，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明以上來(lái)源。如需平臺(tái)合作及入群交流，請(qǐng)咨詢18925255684（微信同號(hào)：elecfans123），謝謝！