“輕軌（Light Rail）是一款極簡風格的互動式PCB游戲，其模擬列車沿軌道行駛并從站臺裝卸貨物的過程。”

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

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

即可動態(tài)查看設(shè)計的原理圖、PCB、3D 及 BOM，查詢設(shè)計中器件、走線、焊盤的屬性詳情。還可以在原理圖中與AI小助手互動，幫您更高效地學習設(shè)計細節(jié)：

概覽Light Rail 是一款簡約的互動式 PCB 游戲，模擬火車沿著軌道行駛，在站臺上裝卸貨物。軌道由成行排列的黃色 LED 燈組成，這些 LED 燈依次點亮，營造出火車沿著軌道行駛的效果。軌道上的八個岔路口和十字路口旁邊各有一個按鈕，用于切換其狀態(tài)。電路板上還有一個三字符七段顯示屏，用于顯示游戲狀態(tài)和/或分數(shù)，軌道下方還有四個按鈕，用于控制游戲。輕軌可使用兩節(jié) LIR2032 電池或通過 USB 供電。

硬件設(shè)計

主要硬件組件包括

ATMega32u4 8 位微控制器

IS31FL3731 矩陣 LED 驅(qū)動器（charliplexing）

AS1115 七段 LED 顯示驅(qū)動器

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 ”LED，共 144 個

IS31FL3731 + LEDs：最終我選擇這個方案的原因很直白。之前用Adafruit的LED背包模塊時體驗良好，發(fā)現(xiàn)它通過獨立PWM控制每顆LED就能輕松實現(xiàn)流暢動畫效果。雖然考慮過IS31FL3741這類能控制更多LED的芯片，但覺得144顆LED的規(guī)模恰到好處。紅黃雙色作為高對比度的基礎(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。AS1115驅(qū)動芯片沒有特別設(shè)計考量，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IC。

ATMega32u4：選擇主控芯片主要基于兩點——這是其他設(shè)計中常見的AVR芯片，且自帶USB功能。雖然我本人從未用過該型號，但有其他AVR芯片開發(fā)經(jīng)驗，其USB調(diào)試功能對開發(fā)及未來擴展頗具吸引力。更現(xiàn)實的好處是方便親友燒錄程序，直接給個腳本就能搞定，無需額外USB轉(zhuǎn)串口芯片。不過$5/片的售價實在高昂，若非出于學習目的斷不會選擇。

電源電路：這部分設(shè)計主要參考其他開發(fā)板方案。通過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)鍵點在于其尺寸既能填補PCB空白區(qū)域，又符合"芯片即建筑"的設(shè)計隱喻。盡管體型較常規(guī)壓電片偏大，但直連MCU引腳即可驅(qū)動的簡潔性頗具優(yōu)勢。

Layout

布局設(shè)計無疑耗費了最多時間。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用，幫助我直觀調(diào)整LED間距與整體比例。為獲得更真實的觀感，我甚至找來與PCB尺寸相仿的平面物體舉在顯示器前比對。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。當基礎(chǔ)軌道布局初現(xiàn)雛形時，欣喜地發(fā)現(xiàn)仍有充足LED可用于站臺設(shè)計，遂在各軌道區(qū)段添加集群式燈珠。

隨后，我將設(shè)計樂高軌道時積累的經(jīng)驗遷移至此，重點調(diào)整三個參數(shù)：

道岔/交叉口間的軌道區(qū)段長度

道岔在軌道中的延伸方向

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

軌道布局敲定后，開始排布其他元件。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)動構(gòu)成游戲狀態(tài)/計分屏；道岔旁設(shè)置切換按鈕，底部布置四個控制鍵。

走線前已預判需要四層板應對LED矩陣的復雜布線。遂將中間兩層定義為電源層與地層，此舉實質(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以兩個獨立9×8矩陣驅(qū)動144顆LED，布局時嚴格遵循分組原則。但完成頂層布線后，發(fā)現(xiàn)走線失衡問題。盡管PWM工作在kHz頻段，仍不愿冒險承受走線電容差異帶來的潛在干擾。于是重構(gòu)布局，將之視為邏輯謎題：通過調(diào)整LED位置優(yōu)化共陽極/陰極分組，實現(xiàn)總走線長度/數(shù)量最小化。

中途嘗試自動布線并通宵運行。關(guān)于自動布線器，我就說這么多。

KiCad在此過程中也暴露出些許設(shè)計痛點。例如試圖通過單焊盤接地簡化按鈕走線（因其他焊盤已內(nèi)部連通），卻始終無法通過設(shè)計規(guī)則檢查。似乎無法優(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，我承認自己有點過分糾結(jié)于線條寬度和間距的一致性。所幸最終效果超預期（以我的美術(shù)功底而言），故僅有輕微悔意。當向家人展示效果圖時，立即收獲"元件宛如城市建筑"的評價，這正是設(shè)計理念的最佳印證。

原理圖 & PCB

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