【干货分享】模拟火车运行——Light Rail PCB 互动游戏

“轻轨（Light Rail）是一款极简风格的互动式PCB游戏，其模拟列车沿轨道行驶并从站台装卸货物的过程。”

Made with KiCad 系列将支持新的展示方式。直接将以下链接复制到浏览器中(或点击“阅读原文”)：

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

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概览Light Rail 是一款简约的互动式 PCB 游戏，模拟火车沿着轨道行驶，在站台上装卸货物。轨道由成行排列的黄色 LED 灯组成，这些 LED 灯依次点亮，营造出火车沿着轨道行驶的效果。轨道上的八个岔路口和十字路口旁边各有一个按钮，用于切换其状态。电路板上还有一个三字符七段显示屏，用于显示游戏状态和/或分数，轨道下方还有四个按钮，用于控制游戏。轻轨可使用两节 LIR2032 电池或通过 USB 供电。

硬件设计

主要硬件组件包括

ATMega32u4 8 位微控制器

IS31FL3731 矩阵 LED 驱动器（charliplexing）

AS1115 七段 LED 显示驱动器

KCSC02-105 七段 LED 显示器

MIC5219 3.3V LDS 稳压器

黄色 “轨道 ”和红色 “平台 ”LED，共 144 个

IS31FL3731 + LEDs：最终我选择这个方案的原因很直白。之前用Adafruit的LED背包模块时体验良好，发现它通过独立PWM控制每颗LED就能轻松实现流畅动画效果。虽然考虑过IS31FL3741这类能控制更多LED的芯片，但觉得144颗LED的规模恰到好处。红黄双色作为高对比度的基础暖色调是自然之选。

Kingbright七段数码管 + AS1115：选择Kingbright数码管因其微型尺寸完美契合"元件即建筑"的板面美学。AS1115驱动芯片没有特别设计考量，只是刚好找到这款支持I2C通信、封装尺寸适配的七段管驱动IC。

ATMega32u4：选择主控芯片主要基于两点——这是其他设计中常见的AVR芯片，且自带USB功能。虽然我本人从未用过该型号，但有其他AVR芯片开发经验，其USB调试功能对开发及未来扩展颇具吸引力。更现实的好处是方便亲友烧录程序，直接给个脚本就能搞定，无需额外USB转串口芯片。不过$5/片的售价实在高昂，若非出于学习目的断不会选择。

电源电路：这部分设计主要参考其他开发板方案。通过粗略估算板载最大电流需求，最终选型的LDO稳压器留有充足余量。

压电蜂鸣器：直接沿用ACK1编码套件中的同款蜂鸣器。选择关键点在于其尺寸既能填补PCB空白区域，又符合"芯片即建筑"的设计隐喻。尽管体型较常规压电片偏大，但直连MCU引脚即可驱动的简洁性颇具优势。

Layout

布局设计无疑耗费了最多时间。我首先粗略排布LED灯珠构成轨道外环，随后勾勒出PCB轮廓。KiCad的光线追踪渲染功能在此阶段极为实用，帮助我直观调整LED间距与整体比例。为获得更真实的观感，我甚至找来与PCB尺寸相仿的平面物体举在显示器前比对。外环确定后，以手稿草图为基础绘制内部轨道与道岔。当基础轨道布局初现雏形时，欣喜地发现仍有充足LED可用于站台设计，遂在各轨道区段添加集群式灯珠。

随后，我将设计乐高轨道时积累的经验迁移至此，重点调整三个参数：

道岔/交叉口间的轨道区段长度

道岔在轨道中的延伸方向

各轨道区段内站台分布与区段长度的比例关系

轨道布局敲定后，开始排布其他元件。将ATMega32u4置于底部靠近电源电路与USB接口；IS31FL3731居中放置以缩短LED走线；顶部的Kingbright数码管与AS1115驱动构成游戏状态/计分屏；道岔旁设置切换按钮，底部布置四个控制键。

走线前已预判需要四层板应对LED矩阵的复杂布线。遂将中间两层定义为电源层与地层，此举实质将整板转化为平行板电容器——理论上可协同板载陶瓷电容提升电压稳定性。

IS31FL3731以两个独立9×8矩阵驱动144颗LED，布局时严格遵循分组原则。但完成顶层布线后，发现走线失衡问题。尽管PWM工作在kHz频段，仍不愿冒险承受走线电容差异带来的潜在干扰。于是重构布局，将之视为逻辑谜题：通过调整LED位置优化共阳极/阴极分组，实现总走线长度/数量最小化。

中途尝试自动布线并通宵运行。关于自动布线器，我就说这么多。

KiCad在此过程中也暴露出些许设计痛点。例如试图通过单焊盘接地简化按钮走线（因其他焊盘已内部连通），却始终无法通过设计规则检查。似乎无法优雅定义封装内隐式连接，除非采用比直接修改封装更取巧的变通方案。

布局完成后，沉迷于绘制丝印道路与微型停车位。尽管尺寸微小，我承认自己有点过分纠结于线条宽度和间距的一致性。所幸最终效果超预期（以我的美术功底而言），故仅有轻微悔意。当向家人展示效果图时，立即收获"元件宛如城市建筑"的评价，这正是设计理念的最佳印证。

原理图 & PCB

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