Как я спроектировал печатную плату для LED матрицы с помощью кода вместо традиционных EDA-инструментов

Анализ крипторынка

Проектирование печатных плат традиционно ассоциируется с использованием специализированных электронных систем автоматизированного проектирования (EDA), таких как KiCad, Altium Designer или Eagle. Однако с развитием технологий появились альтернативные подходы, позволяющие создавать электронные схемы и платы с помощью программного кода. Одним из таких современных инструментов является tscircuit — платформа, которая позволяет проектировать схемы и печатные платы через декларативный код. Этот подход выгодно отличается от классического графического интерфейса и открывает новые возможности для разработчиков и инженеров. В своей работе над проектом LED матрицы я решил отказаться от традиционных EDA-инструментов и сосредоточиться на программном способе создания схемы и разработке PCB.

Такой выбор был обусловлен не только интересом к новым технологиям, но и желанием упростить управление проектом, сделать его более повторяемым и легко модифицируемым в дальнейшем. В этой статье я расскажу о моём опыте, основных этапах создания LED матрицы с помощью кода с использованием платформы tscircuit, а также поделюсь практическими советами и особенностями данного метода проектирования. LED матрица — популярный комбинаторный проект, который нравится многим разработчикам, поскольку из неё можно сделать не только яркое визуальное устройство, но и обучающий пример управления светодиодами, работы с микроконтроллерами и даже коммуникаций по WiFi. В моём случае я выбрал модуль Raspberry Pi Pico W для управления матрицей из 15 RGB-светодиодов WS2812B, сгруппированных в сетку 3 на 5. Прежде всего, для начала работы нужно было импортировать основные компоненты в среду tscircuit: микроконтроллер Pico с поддержкой WiFi и сами светодиоды, которые имеют встроенный контроллер.

WS2812B — идеальный выбор для матрицы, учитывая их упрощённое питание и управление по единому шине данных. Каждый светодиод имеет всего четыре контакта: питание (VDD), земля (GND), вход данных (DI) и выход данных (DO), что значительно упрощает разводку по сравнению с традиционными RGB-LED. Далее я последовательно объединял светодиоды в цепочку, связывая DO одного LED с DI следующего. Этот подход позволяет по одному выводу с микроконтроллера управлять всей матрицей, что существенно упрощает используемые GPIO и экономит микроконтроллерные ресурсы. С помощью tscircuit на языке программирования можно описать эти связи декларативно, что избавляет от необходимости ручного рисования каждой трассы в EDA-инструменте.

Следующий важный шаг — разметка матрицы. Вместо ручного позиционирования элементов по координатам я использовал встроенную функцию grid для создания сетки из 3 столбцов и 5 строк с равномерным расстоянием по горизонтали и вертикали. Это обеспечило аккуратное и равномерное расположение компонентов на плате и одновременно помогло оптимизировать трассировку. При изменении размеров или количества светодиодов можно легко скорректировать параметры функции, а схема автоматически перестроится. Такой подход существенно экономит время и снижает вероятность ошибок.

После того как была определена электрическая схема и логика подключения, я перешёл к проектированию самой печатной платы. Поскольку tscircuit позволяет задать физические координаты (pcbX, pcbY) и ориентацию компонентов (pcbRotation), можно с легкостью совместить электрические связи с реальным расположением. Для моего проекта Pico расположился с поворотом на 90 градусов, а LED-матрица заняла остальное пространство с цветовой зоной, соответствующей сетке. Проект PCB с помощью кода имеет несколько сильных преимуществ. В первую очередь — полнота контроля.

Каждый элемент и каждый проводник можно точно задавать и изменять программно, создавать шаблоны и параметры, что весьма удобно при повторяющихся проектах. Кроме того, такое описание архивируется как текстовый файл, что облегчает версионирование, отслеживание изменений и совместную работу с коллегами через Git. Кроме удобств работы на этапе разработки, данный метод позволяет интегрировать экспорт fabrication файлов (например, Gerber, Drill) в автоматизированные пайплайны для заказа плат на заводах, таких как JLCPCB. Это помогает ускорить процесс и минимизировать человеческий фактор при подготовке производственных данных. Важным фактором является также возможность быстрого внесения изменений.

Если в процессе тестирования или эксплуатации LED-матрица требует перестановки элементов или изменения маршрута линий питания, все это можно сделать, отредактировав всего пару строк кода и пересобрав проект. Такой подход значительно сокращает время отклика и повышает гибкость. Когда аппаратная часть была готова, оставалась задача управления LED матрицей. Благодаря интеграции с микроконтроллером Raspberry Pi Pico W и его поддержкой WiFi, я реализовал веб-интерфейс для управления каждым светодиодом отдельно. Визуальная сетка, доступная через любой браузер, позволяла переключать цвета светодиодов и регулировать яркость.

Это удобное решение для создания уведомлений или визуализации данных в реальном времени. Контроль по сети предоставлял возможность интеграции матрицы с другими сервисами и автоматизацией. Например, можно было настроить отображение статуса почты, социальных сетей или погодных условий, что превращает простую LED матрицу в мощный инструмент информационной поддержки. Опираясь на свой опыт, могу отметить, что программный подход к проектированию печатных плат особенно выгоден для тех, кто знаком с программированием и хочет упростить свои проекты, повысить повторяемость и масштабируемость. Кроме того, он даёт новые возможности для обучения электронному дизайну, снижая барьер входа, связанный с освоением традиционных сложных EDA-систем.

Конечно, такой метод имеет и свои вызовы. Некоторым инженерам привычнее визуальный подход с графическим редактором, а отладка и визуализация при помощи кода требует соответствующего инструментария и навыков. По этой причине важно, чтобы платформа была максимально удобна, поддерживала визуализацию в реальном времени и предоставляла понятные ошибки и предупреждения. Тем не менее, будущее проектирования печатных плат за интеграцией программирования и автоматизации. Это не только сокращает сроки реализации и снижает количество ошибок, но и открывает возможность для креативных и нестандартных решений, которые трудно добиться классическими методами.

В заключение хочу подчеркнуть, что создание PCB для LED матрицы с помощью кода оказалось увлекательным и результативным процессом. Он продемонстрировал, насколько можно эффективно использовать современные технологии для оптимизации разработки электроники. Если вы ищете новые пути улучшения своих проектов или хотите расширить свои навыки, эксперимент с кодом вместо традиционных EDA-инструментов станет отличным решением и вдохновением для творчества в области аппаратного обеспечения.