Dans cet article précédent, nous avions étudié en détail le fonctionnement d’une carte qui permettait de relier votre Raspberry au monde extérieur avec des entrées tout ou rien en 0-24V. Je vous explique ici, étape par étape, comment effectuer la réalisation de votre schéma électronique avec KICAD en fonction de tout ce qui a été expliqué précédemment.

C’est un chouette exemple pour vous apprendre à concevoir une carte électronique.

Nous allons reprendre chacune des différentes parties et les dessiner avec le logiciel KICAD (version 5.1.2). Le logiciel Kicad est un outil très puissant et open source pour Windows, Linux et MacOS. Vous pouvez le télécharger à l’adresse suivant.

Vous pourrez bien sûr transposer toutes les techniques pour vos propres schémas. Il est clair également que ce n’est pas la seule manière d’utiliser ce logiciel, certains d’entre vous qui connaissez Kicad auront certainement leur propre manière de faire. C’est le principe de tout logiciel, il n’y a pas qu’un seul chemin pour arriver au but !Une fois le programme installé, il suffit de cliquer sur cette icône.

Toute création dans Kicad commence pour la création d’un nouveau projet :

Dans Kicad, vous avez possibilités lors de la création d’un nouveau projet, soit de partir d’un projet vierge ou un projet modèle basé sur différentes cartes bien connues. Je trouve cela très bien lorsque vous voulez développer votre propre shield, les différents connecteurs sont bien positionnés en fonction de la carte mère.

Dans notre cas, nous allons partir sur un projet vierge.

Donnez-lui un nom et un endroit pour le sauvegarder.

Voilà, vous être prêts, vous avez deux fichiers vierges pour démarrer votre projet : un pour la partie schéma (celle qui nous intéresse) et l’autre pour la partie PCB.

Comme j’en parle dans mon livre, j’ai choisi depuis plusieurs années de construire pas à pas ma propre libraire avec tous les composants que j’ai l’habitude d’utiliser et que je connais bien. Il est clair que j’en ajoute très souvent des nouveaux.

Le choix vous appartient. De toute façon, si c’est votre premier design, le travail sera plus ou moins le même.

Je vous invite à aller revoir toute la partie gestion des librairies dans mon livre pour vous remémorer un peu le principe.

La dernière chose que je dirais, dans mon livre, j’aborde principalement l’outil Eagle, la philosophie ici est un peut différente. Dans Kicad, il n’y pas la notion de « Device » (qui regroupe « Symbol » et « Package »), il y a seulement des « Symbol » et des « Package ». Ce n’est pas très grave.

Nous allons donc énumérer tous les composants que nous allons utiliser.

Pour ce faire, je vous invite à vous replonger dans toute l’étude théorique de cette carte. Accessible en cliquant ici.

Commençons par le bornier 40 pins qui permettra de connecter le Raspberry.à la carte à l’aide d’un câble plat.

Double cliquez sur ce fichier pour l’ouvrir.

Ouvrir l’éditeur de symbole accessible dans la fenêtre générale de Kicad :

Donnez-lui un nom et un endroit de sauvegarde :

Choisir « Global »

Une nouvelle librairie s’est ajoutée à la liste des librairies déjà présentes dans Kicad.

Le but maintenant est faire grandir celle-ci au fur et à mesure de vos design’s, c’est l’option que j’ai choisie comme expliqué dans mon livre.

Nous allons donc rechercher tous les composants nécessaires à la réalisation de la carte. Le principe est le suivant vous faite une recherche du composant à importer, vous le copier et le coller dans votre librairie.

Les débuts risquent d’être un peu difficiles, il n’est pas toujours aisé de connaitre la dénomination à rechercher, j’en suis bien conscient, mais avec un peu de temps, vous parviendrez à retrouver vos marques, soyez un peu patient.

Dans le cas du connecteur 40 pins, je me suis rendu compte que Kicad possédait déjà celui adapté au Raspberry.

Tapez dans le champ filtre « Raspberry ».

Vous pouvez de cette manière le retrouver dans la librairie « Connector ».

Vous avez bien sûr une représentation du symbole avec une dénomination exacte des pins:

 

Un clic droit sur le composant vous permettra de le copier.

Un clic droit sur votre librairie vous permettre facilement de l’ajouter à celle-ci.

Attention, il vous faudra effacer le filtre pour pouvoir voir votre librairie dans la liste !!

Et voilà, votre librairie contient son premier composant !

Nous allons poursuivre avec le reste des symboles.

Résistance, réseau de résistance, connecteur deux pines, diode, transistor NPN, opto coupleur 4N25, driver ULN2803, fusible.

Pour la recherche, il faut utiliser les mots anglais !

Allons-y pour la résistance :

Avec un mot aussi général que « Resistor », vous allez avoir beaucoup de résultats :

Je vous propose d’aller voir dans la librairie « Device » et de parcourir la liste des composants.

Vous avez la possibilité de choisir le symbole « R » ou « R_US », pour ma part, j’aime bien la représentation « R_US ».

Pour le réseau de résistance pour les « résistances de pulldown », il faut faire attention de bien choisir celui avec les 8 résistances et le point commun.

Je continue pour le reste des composants.

Pour la diode 1N4148, vous pouvez rechercher cette référence spécifique ou prendre le symbole général.

Librairie « Diode »

Librairie « Device ».

Attention, lorsque vous ajoutez le composant « 1N4148 » dans votre librairie, la liste de composants ajoutés est longue, c’est la notion d’alias dans Kidad, ce sont en quelque sorte des variantes au composant 1N4148, des composants qui peuvent avoir des caractéristiques électriques proches, qui utilise le même symbole, le même boitier, etc. Je ne vais pas pouvoir m’attarder sur ce point ici.

Transistor « BC547 ».

Il y a également des alias pour ce composant, mais ce n’est pas grave !

L’optocoupleur « 4N25 ».

Le driver « ULN2803 ».

Et le fusible.

Nous avons normalement la liste des composants nécessaire pour commencer le travail. Lors des débuts de création de sa librairie, c’est un peu fastidieux, mais à force de croitre, vous devrez y ajouter de moins en moins de composants.

Attention de bien sauver votre librairie !!!

Vous pouvez maintenant fermer l’éditeur de composants.

Commençons sans plus attendre le dessin du schéma de principe.

Double cliquer sur le fichier avec l’extension « sch ».

Vous retrouvez un cartouche vide, il ne reste plus qu’à ajouter les différents composants conformément au schéma de la carte étudiée.

Cliquer sur cette icône qui se trouve sur la partie droite.

Taper « My » dans la zone du filtre, cela vous permettra d’accéder directement à votre librairie.

Commençons par le connecteur 40 pins, un double clic permet de l’ajouter à votre schéma.

Je vous propose dans cet exercice de travailler sur une seule page, le mieux est de travailler en A3 pour pouvoir placer facilement les composants.

Réalisation du schéma pour une entrée.

Pour les explications électriques, je vous propose de vous référer à l’article concernant l’étude.

Le principe reste le même que pour le connecteur.

Je vous invite à utiliser le filtre pour retrouver rapidement le composant à placer.

Le « My » recherche votre librairie et le « R » précédé d’un espace recherche le composant au sein de votre librairie, c’est très pratique.

Une fois le composant sélectionné, utiliser la touche « R » de votre clavier pour l’orienter correctement dans votre schéma.

Le raccourci clavier pour le placement d’un composant est le touche « A » Je vous invite à découvrir la liste des touches de raccourcis, cela peut vous faire gagner du temps.

Il faut ajouter un symbole pour l’alimentation 3V3 du Rasberry.

Voici un exemple de ce que vous devriez obtenir.

Il reste maintenant à réaliser les différentes connexions électriques entre les composants. Cette partie est très importante, une erreur dans cette phase pourrait compromettre tout le reste de votre design !!

Placez votre curseur sur la borne d’un composant, appuyez sur la touche « W », il suffit ensuite de cliquer sur une autre borne pour réaliser la liaison entre les deux éléments.

Pour terminer un dans le « vide » vous devez double cliquer à l’endroit où vous voulez  terminer le fil.

Votre schéma devrait ressembler à ceci :

Il reste à placer un « label » sur le net (le fil) relié à la borne 4 du 4N25, cela vous permettra de réaliser facilement une connexion électrique sur une des pins du connecteur 40 broches.

Pour terminer, je vous propose de donner une valeur à la résistance, au vu de l’étude de la carte, cette valeur est de 2K7.

Un double clic sur « R_US » pour permet de modifier la valeur.

Attention, ne pas changer la dénomination des composants, nous verrons plus tard comment le faire automatiquement !

Pour les 7 autres entrées, je vous propose de dupliquer votre partie de schéma réalisé plus haut. Il suffit de sélectionner l’entièreté de votre schéma, faire un « CTRL C » et un « CTRL V » pour le duplique autant de fois que vous le voulez, dans notre cas, il en faut 8 au total.

Attention, il faut absolument modifier toutes les étiquettes de la borne 4 du 4N25 avant de continuer le schéma. Vous l’avez deviné, les modifier par « IN2, IN3, .., IN8 ».

Ajouter maintenant 8 connexions au connecteur 40 broches pour pouvoir relier les 8 entrées à votre Raspberry.

Ajouter rigoureusement les étiquettes comme sur la figure ci-dessous :

Placer ensuite un réseau de résistance de 4K7 pour placer une « pull down » sur chacun des signaux des entrées. Ne pas oublier bien sûr le symbole de masse à la pin numéro 1.

Réalisation des 8 sorties.

Je pense que vous avez maintenant compris le principe, réalisez le schéma pour une sortie et dupliquer le ensuite 7 fois.

Voici ce que vous devriez obtenir pour une sortie :

Attention, au nom du net « OUT1 » et « OUT_1 », ils doivent être bien sûr différents ! Comme vous pouvez le constater, j’ai ajouté une petite croix bleue sur la pin 6 du 4N25, c’est pour informer Kicad que cette pine ne sera pas reliée, ça lui permet lorsqu’il fera une vérification électrique à la fin, de ne pas générer de message d’erreur. Il suffit pour cela d’utiliser l’icône ci-dessous.

Je devais bien sûr le faire pour toutes les entrées.

Il vous reste maintenant à dupliquer 7 fois ce schéma en n’oubliant pas de modifier les étiquettes !!

Ajouter bien sûr les connexions au connecteur 40 broches. Attention soyez fort vigilant au niveau de la sélection des pins.

Ajout du driver de sortie, le « ULB2803 » et des 8 connecteurs de sortie.

Voilà ce à quoi devrait ressembler la dernière partie.

Ne pas oublier les étiquettes OUT_1, …OUT_8.

Deux fils qui se croisent sans petit point vert ne sont pas connectés ensemble contrairement à ceux avec un petit point vert (jonction).

Comme vous pouvez le constater, le GND du ULN2803 n’est pas relié au GND du Raspberry, c’est tout le principe même de l’isolation galvanique !

Ajouter les différents alimentations et points de masse au niveau du connecteur 40 broches.

Ajouter également les petites croix bleues sur toutes les pines non utilisées.

Voilà, la schématique est terminée, il reste une dernière étape avant de poursuivre, c’est la numérotation des composants et la génération de la « net list ».

Numérotation des composants :

Vous pouvez laisser toutes les options par défaut.

Tous les composants ont maintenant un numéro différent.

En deux mots, une « net list » est un fichier qui reprend tous les composants et toutes les connexions électriques du schéma. Ce fichier sera bien sûr utile pour le routage de la carte.

Enregistrer ce fichier dans le même répertoire que votre projet.

Voilà, félicitation, votre schéma de principe est terminé, je vais tout de même vous demander de revérifier toutes les connexions pour être sûr que vous n’avez laissé aucune erreur. Croyez-moi, ce sont des choses qui arrivent très fréquemment. Si une erreur s’est glissée dans votre schématique, cela peut entrainer beaucoup de problèmes au moment du test final de votre circuit. Une fois le PCB gravé, il est trop tard !

Nous aborderons dans des prochains articles, la suite du travail, càd :

• L’association de tous les symboles du schéma à un composant physique réel. (Voir étape N°5 de mon livre)
• Réalisation de tout le routage du PCB

Nous arrivons à la fin ce cet article, toutes mes félicitations pour être arrivé jusqu’au bout.

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A bientôt,

Denis.

Lien pour le téléchargement KICAD