Алгоритмы проектирования проводных и печатных соединений (методы трассировки)

Основное назначение лекции - показать работу алгоритмов трассировки на конкретных примерах для лучшего усвоения материала.

21.1. Постановка задачи. Разновидности задач трассировки

Трассировка монтажных соединений - это задача геометрического построения на КП всех цепей данной конструкции, координаты начала и конца которых определены при размещении элементов. Следовательно, задача трассировки состоит в отыскании геометрически определенного способа соединений эквипотенциальных выводов схемы.

При этом необходимо учитывать различные конструктивно-технические ограничения: допускаются пересечения или нет, возможен ли переход с одного слоя на другой, сколько слоев отводится для трассировки, допустимые ширина проводников и расстояния между ними и т. д.

Алгоритмы трассировки существенно зависят от принятой конструкции и технологии изготовления РЭС.

Задачи трассировки можно разделить на две группы: трассировка проводных соединений и трассировка печатных (пленочных) соединений.

Трассировка проводных соединений в целом относительно более проста, поскольку отдельные сигнальные цепи электрически изолированы друг от друга. Поэтому в большинстве случаев она может быть сведена к оптимизации трасс соединений отдельных цепей. Наиболее распространенный подход к оптимизации трасс проводных соединений основан на использовании алгоритмов построения минимальных связывающих деревьев. Но и при проводном монтаже возникают проблемы совместной оптимизации соединений монтажных схем, определяемые такими факторами, как, например, электромагнитная совместимость проводов, наличие жгутов заданной формы и размера и другие. В подобных ситуациях задачи трассировки проводных соединений становятся по сложности и постановке близкими к задачам трассировки печатного монтажа.

Трассировка печатных и пленочных соединений непосредственно связана с согласованием метрических и топологических параметров схемы соединений и соответствующих параметров коммутационного поля (КП).

К метрическим параметрам схемы можно отнести размеры элементов, ширину проводников и допустимые расстояния между ними, предельно допустимые длины соединений и т. д.

Топологические параметры схемы определяются такими ее структурными свойствами, как планарность, т. е. возможность расположения на плоскости без пересечений, минимальное число пересечений и другие. Топологические параметры коммутационного поля КП определяются принятыми конструктивными способами устранения пересечений.

21.2. Общая характеристика методов трассировки

Проектирование схем соединений, иначе трассировка соединений, является одной из наиболее трудных задач в общей проблеме автоматизации проектирования электронных устройств. Прежде всего, это связано с многообразием способов конструктивно-технологической реализации соединений, каждый из которых обуславливает использование специфических критериев оптимизации при алгоритмическом решении задачи трассировки.

Исходной информацией для решения задач трассировки соединений являются список цепей, параметры конструкции элементов и коммутационного поля, а также данные по размещению элементов. Перед трассировкой соединений для каждой цепи схемы могут быть рассчитаны координаты расположения выводов на КП.

При алгоритмическом решении задача трассировки состоит в построении для всех цепей схемы оптимальных монтажных соединений.

Как уже отмечалось, задача трассировки имеет метрический и топологический аспекты.

Метрический аспект предполагает учет конструктивных размеров элементов, соединений и КП.

Топологический аспект связан с выбором допустимого пространственного расположения отдельных монтажных соединений на КП при ограничениях на число пересечений соединений, число слоев коммутационной схемы.

Алгоритмические методы проводных и печатных соединений существенно различаются.

Для проводного монтажа трассировка осуществляется с помощью алгоритмов построения минимальных деревьев соединений. Полная монтажная схема (таблица проводов) получается при последовательном применении указанных алгоритмов для отдельных цепей схемы. Далее, на основании анализа паразитных связей, в полученной монтажной схеме трассы отдельных соединений могут быть скорректированы.

Алгоритмические методы трассировки печатных (пленочных) соединений зависят от конструкции коммутационного поля и могут быть разделены на две основные группы.

К первой группе относятся так называемые топографические методы, в которых приоритет отдается метрическому аспекту задачи.

Вторая группа основана на графо-метрическом подходе задачи трассировки.

Для трассировки соединений предложено много алгоритмов, отличающихся скоростью и требуемым объемом памяти при реализации его на ЭВМ, а также качеством результата: волновой алгоритм и его модификации, алгоритмы трассировки по магистралям и каналам и ряд комбинированных алгоритмов. Эффективность применения каждого из них определяется рядом факторов: конструкцией коммутационного поля, ресурсами машинного времени и памяти ЭВМ, сложностью схемы соединений.

Для ряда конструкций электронных устройств разделение общей задачи проектирования топологии на два этапа - размещение элементов и трассировку соединений - не оправдано. Характерными особенностями таких конструкций являются нерегулярность расположения элементов и соединений, их разнотипность, наличие одного слоя коммутации.

Примерами могут служить односторонние печатные платы с микросхемами и навесными радиодеталями в устройствах аналогового типа, гибридные микросхемы и биполярные ИС с одним слоем коммутации. Основным критерием при разработке топологии таких схем является минимум числа пересечений соединений, а ограничением - площадь, занимаемая схемой.

В последнее время проводятся интенсивные исследования по применению графо-теоретических методов к проектированию топологии схем подобного рода, поскольку последовательные топографические методы трассировки в этом случае мало эффективны.

Графо-теоретические методы трассировки предполагают предварительный анализ планарности схемы, представленной в виде графа, и последующую ликвидацию пересечений с помощью технологических приемов. Окончательная фаза состоит в построении эскиза топологии схемы при рациональном распределении функции между конструктором и ЭВМ.

21.3. Трассировка проводных соединений

Монтажные соединения для цепей схемы представляют собой деревья.

Виды используемых деревьев определяются технологией выполнения соединений и схемотехническими требованиями. При автоматизированном конструировании схем проводного и печатного монтажа возникает задача построения минимальных деревьев соединений. Как правило, минимизации подлежит суммарная длина рёбер дерева.

Могут быть использованы и другие критерии оптимизации.

Задача построения минимального дерева формулируется следующим образом.

Пусть, $$Р = \{ р_{1 }, р_{2 }, …, р_{n }\}$$ - множество точек плоскости, соответствующих выводам произвольной цепи.

Рассмотрим полный граф $$G (X, U)$$, вершины которого $$x \in X$$ соответствуют выводам цепи, а рёбра u U с приписанным к ним весом $$\mu (u)$$ характеризуют соединения между парами выводов. Значение $$\mu (u)$$ может быть равно расстоянию между соответствующими точками множества $$P$$. В общем случае $$\mu (u)$$ может представлять линейную комбинацию нескольких характеристик соединения:

где $$k_{1 }, k_{2 }, …, k_{s}$$ - коэффициенты; $$d_{s }(u)$$ - некоторая характеристика соединения $$U$$.

Теперь исходная задача сводится к определению в графе $$G$$ дерева, включающего все вершины $$X$$ и имеющего минимальный вес рёбер.

Такое дерево называется минимальным покрывающим деревом или минимальным связывающим деревом.

Наиболее эффективен с точки зрения реализации на ЭВМ алгоритм Прима, предполагающий последовательное выполнение следующих принципов:

Здесь под расстоянием между вершинами понимают значение $$\mu (u)$$, приписанное рёбрам соответствующего графа. Расстоянием вершины от данного изолированного фрагмента является минимум его расстояний до отдельных вершин фрагмента.

На рис. 21.1 расстоянием вершины $$x_{i}$$ от фрагмента $$1, 2, 3, 4, 5$$ является длина ребра $$(5, x)$$.

Алгоритм построения минимального связывающего дерева для цепи с "n" выводами теперь может быть описан следующим образом:

Построенное таким образом дерево будет иметь минимальную суммарную длину соединений.

Иногда при построении связывающего дерева в качестве значения $$\mu(u)$$ принимают суммарную оценку, включающую как длину ребра $$d (u)$$, так и число пересечений $$h (u)$$ этого ребра с рёбрами уже построенных деревьев

В частности, такая оценка используется при построении связывающих деревьев для схем печатного монтажа. В этом случае процедура Прима остаётся без изменений, а расстояние между выводами цепи рассчитывается по (21.2).

Построение минимального дерева с ограничением на степени вершин может быть осуществлено при использовании процедур, основанных на методе ветвей и границ. Однако для практических целей предпочтение следует отдавать эвристическим алгоритмам.

В частности, можно использовать модифицированные принципы Прима:

Приведённые в литературе исследования показывают, что алгоритм, построенный на основании этих принципов, приводит к получению деревьев с длиной, превышающей минимальную не более чем на 5% при числе выводов $$n \le 15$$.

Модифицированные принципы Прима используются иногда при параллельном наращивании нескольких фрагментов дерева. На основании проведённой серии экспериментов ( $$\lambda = 2, 3$$ ) авторы приходят к выводу, что такой способ даёт деревья с меньшей длиной соединений последовательного наращивания одного изолированного фрагмента.

В некоторых случаях, помимо ограничения на степени вершин связывающего дерева, задаётся начальная и конечная точка цепи.

Например, это имеет место при разработке монтажных схем для высокочастотных цепей, когда необходимо связать в определённой последовательности источник сигнала и несколько нагрузок. Тогда задача сводится к построению кратчайшего пути между двумя заданными выводами, проходящего через все остальные выводы цепи.

Данная задача родственна задаче о маршруте коммивояжера, но отличается от последней тем, что путь обхода должен быть разомкнутым и соединять две заданные точки. Следуя терминологии теории графов, возникает задача построения кратчайшей гамильтоновой цепи между заданными начальной и конечной вершинами.

Рассмотрим алгоритм, дающий приближённое решение этой задачи. Основу алгоритма составляет $$(n-1)$$ - шаговый процесс:

Пусть, задано расположение точек (рис. 21.2)

Здесь $$1^{*}$$ и $$2^{*}$$ - соответственно, начальная и конечная точка пути.

Составим упорядоченную по возрастанию длин последовательность рёбер полного графа $$G: (1^{*}-3), (1^{*}-2^{*}), (2^{*}-3), (4-5), (3-4), (3-5), (1-4^{*}), (2^{*}-5), (2^{*}-4), (1^{*}-5)$$.

Очередное ребро $$i = 1, 2, …, n - 1$$ выбирается по порядку из этой последовательности при выполнении условий:

Условия 1 - 3 непосредственно вытекают из ограничений задачи. Условие 4 препятствует образованию тупиковых ситуаций, т.е. такого положения, при котором дальнейшее формирование пути становится невозможным - все подсоединенные точки, кроме начальной и конечной, имеют степень $$\lambda = 2$$. Пошаговый процесс формирования пути изображен на рис. 20.2, а - г.

Шаг 1. Выбираем ребро $$1^{*}-3$$, т.к. оно удовлетворяет всем условиям (рис. 21.2, а).

Шаг 2. Ребро $$1^{*}-2^{*$$ } отбрасывается, т.к. не удовлетворяется условие 1, а ребро $$2^{*}-3$$ - т.к. не удовлетворяется условие 4. Выбирается ребро 4-5 (рис. 21.2, б).

Шаг 3. Выбирается ребро 3-4 (рис. 21.2, в).

Шаг 4. Ребра 3-5 и $$1^{*}$$ -4 отбрасываются из-за невыполнения условия 3. Выбирается ребро $$2^{*}-5$$. Результирующий путь $$1^{*}-3-4-5-2^{*}$$ показан на (рис. 21.2,г).

Если снять ограничение о крайних точках пути, то данный алгоритм приводит к более короткому пути 2 - 1 - 3 - 4 - 5. В этом случае алгоритм становится частным случаем модифицированного алгоритма Прима.

Как показано в специальной литературе, использование описанных выше процедур для построения связывающих деревьев с ограниченной степенью вершин обеспечивает вполне приемлемые результаты.

21.4. Трассировка печатного (пленочного) монтажа

Волновой алгоритм трассировки его модификации

Многие методы трассировки печатных соединений основаны на идеях волнового алгоритма, предложенного Ли. Последний представляет собой развитие алгоритмов построения кратчайших путей в сети и позволяет находить маршруты соединений, оптимальные по ряду параметров.

Основные положения

КП разбивается на элементарные ячейки. Размеры ячеек и их количество определяются:

Выбранная система ячеек определяет среду, в которой осуществляется построение соединений. В простейшем случае ячейка представляет собой квадрат со стороной " h ", равной расстоянию между средними линиями двух соседних печатных проводников (рис. 21.3).

Если размеры поля по горизонтали и вертикали, соответственно, $$А_{х}$$ и $$B_y$$, то получим дискретное рабочее поле (ДРП) с $$N_{x} \times N_{y }$$ ячейками

где $$\{A_{x}/h\}$$ и $$\{A_{y}/h\}$$ - символы ближайшего большего целого.

Так формируется дискретное рабочее поле (ДРП).

В данном ДРП определяется множество занятых ячеек, соответствующее зонам, запрещённым для проведения соединений: выводы элементов, технологические области, ранее проведённые соединения и прочее. По мере проведения соединений множества занятых и свободных ячеек изменяются.

Основу всех модификаций алгоритма Ли составляет процедура построения оптимального в заданном смысле пути между двумя известными ячейками ДРП. Процедура состоит из двух этапов: поиска пути и проведения пути.

На первом этапе из одной из заданных ячеек ДРП - источника моделируется распространение числовой волны до тех пор, пока её фронт не достигнет второй отмеченной ячейки ДРП. В первом случае искомый путь существует, во втором - нет.

Все условия, которые необходимо выполнить, при проведении соединения, в том числе и условия оптимальности, должны быть заложены в правила движения волны, т.е. в правила построения её очередного фронта. В процессе распространения волны ячейкам ДРП присваиваются весовые оценки, связанные с принятым критерием оптимальности.

На втором этапе алгоритма осуществляется проведение пути. Для этого следует, начиная от ячейки - цели, двигаться в направлении, противоположном направлению распространения волны, переходя последовательно от ячейки с большим весом к соседней ячейке с меньшим весом до тех пор, пока не будет достигнута ячейка - источник. Ячейки ДРП, выделенные в ходе указанного процесса, и определяют искомую оптимальную трассу.

Использование путевых координат при распространении волны позволяет исключить вычисления и хранение весов ячеек ДРП (рис. 21.4,а). Назначение путевой координаты ячейке $$C_{i}$$ в случае, если имеется несколько соседних ячеек фронта $$Ф_{k-1}$$ производится согласно выбранному правилу приоритетов. Например: $$\uparrow,\to,\downarrow,\leftarrow$$. Этап проведения пути состоит в отслеживании путевых координат в размеченном ДРП, начиная от ячейки - цели (рис. 21.5, б).

В методе путевых координат ячейка ДРП может быть в одном из следующих состояний: пустая, занятая или содержать координату:

На основании этой последовательности выделяется искомый путь в ДРП. В неопределённых ситуациях, также как и в основной схеме алгоритма, должно быть использовано некоторое правило приоритетов.

Рассмотренный выше вариант волнового алгоритма может быть использован для трассировки однослойных соединений, когда пересечения между отдельными проводниками запрещены.

Трассировка по магистралям

Волновой алгоритм в той или иной модификации является основой большинства развитых программ машинной трассировки ввиду его универсальности.

Однако в определённых ситуациях эффективнее применять другие алгоритмы, которые дают более быстрое и качественное решение.

Алгоритмы построения соединений с малым числом поворотов (лучевой алгоритм).Это такой алгоритм трассировки, в котором основные процедуры поиска и проведения пути осуществляются путём исследования пространства магистралей (линий), а не ячеек ДРП, как в классическом алгоритме Ли.

Для построения процесса рассмотрим ДРП (рис. 21.5).

Пусть, требуется найти соединение между точками А и В. Построим из точек А и В лучи в горизонтальном и вертикальном направлениях, используя лишь свободные ячейки поля.

Будем считать их магистралями первого уровня (фронта) и обозначим их, соответственно, $$М_{1}^{А }$$ и $$М_{1}^{В}$$.

В простейшем случае, когда эти магистрали пересекутся, сразу получаем искомое соединение.

При использовании алгоритма Ли для построения этого же пути пришлось бы последовательно рассмотреть состояние всех ячеек, по крайней мере, входящих в прямоугольник, содержащий ячейки А и В.

Если магистрали $$М_{1}^{А }$$ и $$М_{1}^{В}$$ не пересекаются, строим магистрали второго уровня (фронта). Соответственно, для точек $$А$$ и $$В$$ (рис. 21.6).

На рис. 21.6 $$М_{2}^{А }$$ и $$М_{2}^{В}$$ - магистрали второго уровня.

Эти магистрали перпендикулярны к магистралям первого уровня и проводятся через точки, расположенные в узлах основной сетки. Назовём эти точки базовыми.

При переходе с магистралей первого уровня на магистрали второго уровня в возможную конфигурацию соединения добавляется один поворот.

Использование алгоритма трассировки по магистралям приводит к минимизации числа переходов при трассировке двухслойных схем с ортогональными соединениями. Такие пути называются простейшими или малоповоротными.

В общем случае процесс построения магистралей $$(i + 1)$$ -го уровня состоит в выборе базовых точек на магистралях i - го уровня и проведении через них отрезков нормалей, не пересекающих области, запрещённые для проведения соединений.

Построение магистралей каждого следующего уровня выполняется попеременно, например, для точек $$А$$ и $$В $$ до тех пор, пока либо очередной уровень не может быть образован (проведение пути невозможно), либо на очередном шаге некоторая магистраль из $$М_{i}^{А}$$ пересечётся с магистралью из $$М_{j}^{В}$$.

В последнем случае может быть построен путь, содержащий $$i + j - 1$$ поворот (переход).

Для минимизации длины пути применяется следующая процедура.

Пусть, магистраль уровня $$i$$ точки $$А$$ пересекла несколько магистралей уровня $$j$$ точки $$В$$. Тогда выбирается сначала наименьший отрезок магистрали $$М_{i}^{А}$$, обеспечивающей пересечения с одной из магистралей $$М_{j}^{В}$$, далее - наименьший отрезок из $$М_{i-1}^{А}$$, обеспечивающий соединение с выбранным отрезком $$i$$ -го уровня, и т.д., до достижения точки $$А$$.

Аналогичная процедура применяется для магистралей всех уровней точки В.

Результирующий путь $$l (А, В)$$ состоит из выбранных отрезков и содержит минимальное число поворотов.

Рассмотренный принцип трассировки по магистралям с незначительной модификацией может быть использован для построения многоконцевых соединений.

Следует отметить, что при программной реализации алгоритма на ЭВМ можно отказаться от матричного способа кодировании КП. Поэтому время работы алгоритма и требуемый объём памяти не зависят прямым образом от размеров КП, а определяются, главным образом, сложностью конфигураций уже приложенных соединений. В связи с этим трассировка по магистралям с точки зрения затрат времени и памяти ЭВМ более эффективна, чем волновой алгоритм, для полей большой площади, причём требуемые затраты времени существенно меньше для слабо заполненных полей. По мере заполнения поля трассами соединений эффективность процесса поиска снижается и временные затраты ЭВМ приближаются к затратам времени волнового алгоритма.

Осуществим трассировку схемы с использованием волнового и лучевого алгоритмов (рис. 21.7).

Итак, в ходе трассировки монтажных соединений заданной схемы была решена задача геометрического построения на коммутационном поле всех цепей конструкции. Однако исключить все пересечения не удалось. Использовать двухслойный монтаж для этой схемы не имеет смысла, так как он будет очень объёмным и дорогостоящим при больших объёмах производства. Целесообразнее показанное пунктиром соединение сделать проводным, впаяв перемычку в отверстия с контактными площадками. Или, применяя более современную базу, над соединяющей элементы $$х_{3}$$ и $$х_{5}$$ дорожкой припаять безвыводную перемычку.

Рассмотренные алгоритмы показывают эффективность их комплексного использования в зависимости от конкретных условий.

21.5. Сквозное автоматизированное конструкторско-технологическое проектирование модулей РЭС в САПР

Основная При подготовке данного раздела была использована книга Беляевой М.М. Сквозное автоматизированное конструкторско - технологическое проектирование печатных узлов радиоэлектронных средств: Учебное пособие. - Рыбинск: РГАТА, 2006. - 210 с. тенденция развития современных систем автоматизированного проектирования (САПР) - создание комплексов программных средств автоматизации проектирования и производства изделия. Современная система проектирования печатных плат представляет собой сложный комплекс программ, обеспечивающий сквозной цикл проектирования и технологической подготовки производства, начиная с прорисовки принципиальной схемы и заканчивая генерацией управляющих файлов для оборудования изготовления фотошаблонов, сверления отверстий, сборки и электроконтроля.

При использовании систем автоматизированного проектирования рекомендуется пользоваться методикой, укрупненный алгоритм которой приведен на рис. 21.8 (в скобках указаны программные средства САПР P-CAD) и состоит из следующих этапов.

21.6. Информационные технологии проектирования печатных плат1

1 В обзоре использованы материалы журналов: "Электронные компоненты", "CAD/CAM/CAE Observer", "EDA Express", сайтов: www.rodnik.ru, www.elcp.ru, www.eltm.ru, rk6.bmstu.ru, Eurointech.ru, статьи Гридина В.Н., Долина Г.А., Бороздина Д.Н., книги В.Разевига, В.Дьяконова, а также на сайтах фирм-производителей САПР #61485; Cadence, Zuken, Mentor Graphics, Spectrum Software и др.

Любая система проектирования печатных плат представляет собой сложный комплекс программ, обеспечивающий сквозной цикл, начиная с прорисовки принципиальной схемы и заканчивая генерацией управляющих файлов для оборудования изготовления фотошаблонов, сверления отверстий, сборки и электроконтроля.

В настоящее время существует достаточно большой спектр систем автоматизированного проектирования печатных узлов РЭС. Выбор конкретной САПР определяется назначением устройства, функциональной ориентированностью САПР (цифровые, аналоговые, аналого-цифровые, СВЧ- устройства), стоимостными и сервисными характеристиками (приобретение, сопровождение, обучение). При обзоре современных средств автоматизированного проектирования можно выделить следующие программные продукты.

Наилучших результатов добилась компания Mentor Graphics (www.mentor.com/pcb). Имея собственную систему проектирования печатных плат Mentor BoardStation, компания поглотила двух своих конкурентов, компании Verybest и Innoveda, и сейчас продолжает развивать линии продуктов Expedition PCB и PADS PowerPCB. Ключом к успеху компании явилась ориентация на современные интегрированные среды проектирования для Widows.

Пакет Expedition PCB представляет сейчас наиболее мощное решение в области проектирования плат. Основу системы составляет среда AutoActive, позволяющая реализовать такие функции, как предтопологический анализ целостности сигналов, интерактивная и автоматическая трассировка с учётом требований высокочастотных плат и специальных технологических ограничений, накладываемых использованием современной элементной базы.

Единая среда позволяет моделировать наводки в проводниках непосредственно при прокладке трассы или шины и контролировать превышение ими заданного уровня. У данного продукта можно отметить только один недостаток - его высокую стоимость.

Другой продукт компании Mentor, система PADS PowerPCB (www.pads.com) предлагает более дешёвое решение. Эта система может похвастаться лучшим автотрассировщиком BlaseRouter, поддерживающим все необходимые при трассировке высокочастотных плат функции. Пакет имеет модули предтопологичекого и посттопологического анализа, тесно взаимодействующих с системой контроля ограничений.

Далее по мощности предлагаемых решений идёт компания Cadence. Для верхнего уровня проектирования предлагается пакет PCB Design Studio (www.pcb.cadence.com). В качестве редактора печатных плат здесь используется программа Allegro, позволяющая разрабатывать многослойные и высокоскоростные платы с высокой плотностью размещения компонентов. В качестве штатного модуля авторазмещения и автотрассировки здесь используется программа SPECCTRA (www.specctra.com), управляемая обширным набором правил проектирования и технологических ограничений. Выполняется анализ электромагнитной совместимости.

Другой продукт компании Cadence, пакет OrCAD (www.orcad.com) рекомендуется как более легкое и дешевое решение для проектирования печатных плат. Данный пакет рассматривается фирмой Cadence как приоритетная система ввода проектов и моделирования: модули Capture CIS и PSpice сейчас поставляются в составе пакета PCB Design Studio. Редактор печатных плат OrCAD Layout имеет три различные конфигурации с разными функциональными возможностями. В проекте платы здесь может присутствовать до 30 слоев, 16 из которых могут быть сигнальными. Имеются встроенные средства авторазмещения и автотрассировки, а также интерфейс с программой SPECCTRA. Однако главным модулем здесь является не редактор печатных плат, а редактор принципиальных схем OrCAD Capture CIS, оснащенный единственной в своем роде системой управления базами данных компонентов. Система CIS (Component Information System) была разработана для обеспечения всем пользователям OrCAD доступа через Интернет к централиз ованным базам данных компонентов на сайте www.spincircuit.com. Гибкость системы CIS позволяет организовать корпоративные базы разрешенных к применению компонентов и работать в локальных сетях, а также использовать процедуры автоматизированного нормоконтроля.

Третьим производителем САПР печатных плат можно назвать австралийскую компанию Altium Technologies (www.altium.com). Благодаря умелой инвестиционной политике эта фирма смогла свести до минимума потери, связанные со спадом рынка высоких технологий в 2002 году. В августе 2002 года компания выпустила в свет пакет Protel DXP ( www.protel.com ), представляющий собой продолжение собственной оригинальной линий продуктов Protel. Этот пакет обеспечивает сквозной цикл проектирования смешанных аналого-цифровых печатных плат с использованием программируемой логики фирм Xilinx и Altera. Весь инструментарий реализован на базе интегрированной среды проектирования, работающей под управлением Windows XP. К имевшимся ранее средствам посттопологического анализа целостности сигналов добавилась возможность выполнять предтопологический анализ.

Компания Altium продолжает развивать свой второй пакет проектирования печатных плат P-CAD 2002 ( www.pcad.com ). Пакет предназначен для проектирования многослойных печатных плат электронных устройств. Внедрен бессеточный автотрассировщик Shape-Based Router, в котором применен алгоритм оптимизации нейронных сетей.

Эта система остается достаточно популярной в России, что обусловлено, с одной стороны, хорошей функциональностью программы и, с другой стороны, по ассоциации с распространенными здесь старыми версиями PCAD 4.5 - 8.7. В 1996 г. фирма ACCEL Technologies впервые представила версию широко известной системы разработки печатных плат P-CAD на платформе Windows. Обновленный продукт получил новое название ACCEL EDA. С этого момента продукт ACCEL EDA приобрел широкую популярность среди разработчиков электронных устройств. В сентябре 1999 г. вышла последняя 15 версия продукта. 17 января 2000 г. произошло слияние двух ведущих разработчиков систем САПР печатных плат - фирм Protel International и ACCEL Technologies, которые объединили свои совместные усилия под торговой маркой Protel (ныне Altium). С марта 2000 г. продукт ACCEL EDA сменил свое название на P-CAD.

Система P-CAD 2002 выполняет полный цикл проектирования печатных плат, а именно:

Основные возможности P-CAD 2002:

Система обладает программой посттопологического анализа электрических характеристик печатных плат с учетом паразитных параметров реальных конструкций, позволяет поддерживать САМ-технологии, благодаря встроенным функциям генерации управляющих программ для технологического оборудования, поддерживает форматы файлов для обмена информацией с программными средствами OrCAD, Protel, системами автоматизированного конструкторского проектирования AutoCAD, SolidWorks, Компас.

Перечисленные достоинства, наличие обученного персонала, внедренные и апробированные посттрансляторы управляющих программ для имеющегося на предприятиях оборудования определяют широкое использование САПР P-CAD при разработке печатных узлов РЭС.

Достаточно мощный и популярный в мире продукт - Visula компании ZUKEN (www.zuken.com). Продукты этой компании обеспечивают сквозной цикл проектирования и предлагают мощные средства моделирования и синтеза программируемой логики с последующей разработкой печатной платы. Здесь имеется стандартный набор инструментария, а также собственные средства авторазмещения и автотрассировки. Следует отметить, что компания ZUKEN также предлагает пользователям интегрированные средства трёхмерного твердотельного моделирования разрабатываемых устройств.

CircuitMaker, разработанный фирмой MicroCode Engineering, после слияния ее с компанией Protel стал предлагаться как самое дешевое решение для проектирования несложных печатных плат. Стандартная версия позволяет разрабатывать платы, содержащие до б сигнальных слоев и до двух слоев металлизации. Этот продукт имеет удобный и гибкий редактор схем, а также программу моделирования.

Автоматическое размещение и трассировка реализуются и в ряде других систем проектирования печатных плат, в частности, в отечественной САПР RELIEF с оригинальным алгоритмом быстрой плотной упаковки разногабаритных элементов. Алгоритм основан на многократном дихотомическом делении множества размещаемых элементов.

Применение САПР позволяет значительно сократить сроки разработки изделий. Моделирование (элементы САЕ-систем) позволяет еще до этапа макетирования выявить большое число ошибок схемотехнической реализации радиоэлектронных устройств. Автоматизация конструирования (CAD-системы) повышает качество конструкторской документации (КД) при разработке изделия и значительно сокращает время внесения изменений в КД при доводке РЭС. Использование элементов САМ - систем для получения технологической документации сокращает сроки технологической подготовки производства.

Современной тенденцией развития САПР является интеграция различных видов проектирования (схемотехническое, конструкторское, технологическое). Сквозные системы проектирования сочетают в себе элементы CAE/CAD/CAM систем. Это позволяет уменьшить число ошибок при передаче информации от одного этапа проектирования к другому, по результатам моделирования оценить качество принятых решений на каждом этапе разработки и, в случае необходимости, оперативно внести изменения в КД как текущего, так и предыдущих этапов. Все это повышает качество изделия и сокращает время полного цикла разработки, доводки и внедрения изделия в производство.

21.7. Программы конструкторского проектирования РЭС

Существуют чисто конструкторские пакеты, обеспечивающие более полное решение различных задач конструкторского проектирования РЭС.

Пакет программ P-CAD фирмы Personal CAD Systems Inc. - это полное комплексное программное решение для проектирования электронных устройств, в частности, ввода схемы и проектирования схемной печатной платы. Комплексное решение предполагает, что логика, описанная в схеме, воплощается в топологию печатной платы. Программы осуществляют функции логического моделирования, проверяют соблюдение правил проектирования, создают список соединений для моделирования, автоматически размещают компоненты, трассируют печатную плату и создают документы для автоматизированных производственных систем. Пакет содержит взаимодействующие средства проектирования, удобную для пользователя оболочку и интеллектуальную базу данных, обширную библиотеку, диалоговые редакторы, средства сопряжения с популярными средствами анализа. Пакет имеет открытую архитектуру, обеспечивает выдачу готовых документов для технологии монтажа и другую проектную документацию.

Вывод документации после контроля на дисплее может осуществляться на принтер, плоттер или фотоплоттер. Оболочка системы помогает пользователю двигаться сквозь процесс проектирования с помощью меню, подсказок и правок. Система проектирования печатной платы обеспечивает средства для полной разработки топологии: от диалогового редактора до автоматического размещения компонентов, автотрассировки, проверки соблюдения правил проектирования и сопряжения с производством.

Библиотека пакета содержит обширную информацию о компонентах электронных схем от дискретных и электромеханических деталей до существующих и заказных микросборок интегральных схем. Программные средства сопряжения превращают данные из списка соединения компонентов схемы в формат, необходимый для конкретной программы моделирования цифровой и аналоговой схемы (типа PSPICE). Пакет позволяет проектировать печатные платы, имеющие до 500 элементов и 2000 связей.

Пакет программ Or CAD фирмы Or CAD System Corp. является законченным и гибким программным блоком схемотехнического и конструкторского проектирования. Он обеспечивает ввод и вывод на печать принципиальных схем, трассировку печатной платы и другие операции. Пакет управляется с помощью иерархической разветвленной системы меню, легок в обучении, обладает многими дополнительными возможностями ввода и вывода схем.

Библиотека пакета содержит более 2700 изображений компонентов РЭС; можно легко создавать собственные начертания элементов. Простым нажатием клавиши выполняются многие графические операции при вводе и выводе схем: увеличение и уменьшение масштаба, преобразование (вращение, перенос, отображение) элементов и любых заданных фрагментов схемы. В системе предусмотрены создание перечня элементов (спецификаций), возможность разведения проводников, шин, входов модулей.

Пакет Or CAD в настоящее время является самым удобным и богатым по своим возможностям для ввода и вывода графических изображений принципиальных схем РЭС.

Пакет имеет удобный выход на подсистемы моделирования и анализа РЭС, а также другие графические пакеты (PSPICE, P-CAD).

Пакет универсального назначения AutoCAD фирмы Auto Desk разработан на самом современном уровне машинной графики и предоставляет разработчику исключительно широкие возможности проектирования разнообразных объектов, технических систем и устройств: домов, печатных плат, станков, деталей и одежды. Пакет представляет собой систему автоматизированной разработки чертежей, причем чертежи, рисунки и схемы создаются в интерактивном режиме, управляемом системой иерархических меню. В любой чертеж может быть вставлен поясняющий текст. В набор функций входят панорамирование, увеличение, масштабирование, поворот, секционирование, штриховка и другие операции преобразования изображений. В системе предусмотрены подсказки в любом состоянии и для любой команды.

В пакете разработан богатый выбор драйверов графических устройств - графических дисплеев, матричных принтеров, графических планшетов и плоттеров. Одним из важнейших достоинств пакета является возможность работы с трехмерной графикой, позволяющей строить реальные объекты, которые можно наблюдать в различных ракурсах (при желании невидимые линии на изображении стираются). Применен специальный метод полилиний для вывода сложных кривых контуров деталей.

Система AutoCAD непрерывно совершенствуется. Так, в последние версии системы включен интерпретатор языка Auto Lisp - одной из версий языка LISP, широко применяемого в символьной обработке и в системах искусственного интеллекта. Использование этого языка позволяет пользователю, с одной стороны, определять собственные функции и команды в среде AutoCAD, с другой - обеспечивать связь AutoCAD с другими приложениями.

Продукт AutoCAD 2010 позволяет разрабатывать сложные качественные проекты и выпускать сопроводительную документацию к ним. С помощью улучшенных средств моделирования проектируются любые объекты и поверхности. AutoCAD 2010 обеспечивает быстрое оформление документации и анализ проектов в виртуальной трехмерной среде. Проектные идеи можно визуализировать в формате PDF, реализовать в макетах, получаемых посредством 3D-печати.

Сейчас начинают появляться еще более сложные системы, включающие не только язык программирования, но и экспертные системы (экспертные настройки) для принятия решений и подсказок конструктору в процессе разработки. В эти настройки включен набор правил и математических моделей; конструктор в процессе работы может получить советы по оптимальному выбору тех или иных параметров разрабатываемой системы.

Известным производителем программного обеспечения для проектирования интегрированных электронных систем, печатной платы и формирования технической документации является комания Cadence Design Systems Inc.

Программно-технический Центр САПР (ПТЦ САПР) обеспечивает сквозной маршрут автоматизированного проектирования микроэлектронной аппаратуры и элементной базы. Средства САПР используются при создании перспективных образцов аппаратуры, а также являются инструментом разработки сверхбольших интегральных схем (СБИС), в частности, "систем на кристалле" (SoC - System on Chip), сложность которых достигает нескольких миллионов вентилей. ПТЦ САПР позволяет проектировать интегральные схемы с технологическими нормами до 0.13 мкм ("глубокий субмикрон").

Программную основу комплекса составляет лицензионное прикладное программное обеспечение (ППО) фирмы Cadence Design Systems (www.cadence.com), которое позволяет выполнять сквозное проектирование цифровых, аналоговых и аналогово-цифровых СБИС: от системного уровня до разработки топологии. ППО функционирует на сервере и рабочих станциях фирмы Sun Microsystems (www.sun.com) в операционной среде UNIX (Solaris 8.x) (рис. 21.9). Наиболее часто используемые пакеты ПО - Verilog и VHDL, моделирование, синтез логических схем, моделирование аналоговых схем - перенесены на платформу IBM PC под управлением операционной системы (ОС) Linux Red Hat (версии 8.0 и выше). На этой же платформе функционирует лицензионное ПО фирмы Xilinx, которое используется для оперативного проектирования и программирования схем на основе ПЛИС (FPGA). Все технические средства САПР объединены в единую сеть, которая обеспечивает безбумажную технологию проектирования и изготовления образцов микроэлектронной аппа ратуры и субмикронных СБИС.

Rodnik Altium Designer - сквозная система проектирования печатных плат. В Rodnik Altium Designer работа над проектами печатных плат ведется в тесной интеграции с программированием цифровых устройств на уровне ПЛИС в единой управляющей оболочке Design Explorer.

РrogeCAD 2009 - универсальная 2D/3D САПР система с базовыми форматами DWG и DXF, обладающая пользовательским интерфейсом, сходным с AutoCAD. Кроме общих технических характеристик, профессиональная версия программы включает в себя и улучшенные функциональные возможности, обладающие высокими эксплуатационными качествами.

Контрольные вопросы