Алгоритмы проектирования проводных и печатных соединений (методы трассировки)

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

Основная ^{1При 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.

1. Создать перечень элементов схемы электрической принципиальной.
2. Создать библиотеку проекта и копировать в нее необходимые компоненты в соответствии с перечнем элементов (менеджер библиотек Library Executive).
3. Выбрать из библиотеки проекта очередной компонент.
4. Проверить наличие символьного изображения компонента. Если изображение имеется, то следует перейти к этапу 6, иначе - к этапу 5.
5. Создать или корректировать символьное изображение компонента (редактор Symbol Editor).
6. Проверить наличие конструкторско-технологического (корпусного) изображения компонента. Если изображение имеется, то следует перейти к этапу 8, иначе - к этапу 7.
7. Создать или корректировать корпусное изображение компонента (редактор Pattern Editor).
8. Проверить, установлено ли соответствие между символьным и корпусным изображением компонента. Если соответствие установлено, то следует перейти к этапу 10, иначе - к этапу 9.
9. Корректировать табличные описания выводов компонента, устанавливая связь между символьным и корпусным изображением компонента (менеджер библиотек Library Executive окно Pins View).
10. Если проверены все компоненты, то следует перейти к этапу 11, иначе - к этапу 3.
11. Создать схему электрическую принципиальную (редактор Schematic) и выполнить ее проверку. Проверку можно выполнить как для выявления синтаксических ошибок встроенными средствами P-CAD (ERC), так и для выявления системных ошибок, используя внешние программы моделирования аналого-цифровых схем (например, Protel). Если обнаружены ошибки, следует исправить их и повторить проверку схемы. Если ошибок не обнаружено, то следует перейти к этапу 12.
12. Создать список цепей схемы (редактор Schematic команда Utils > Generate Netlist) для последующего переноса в редактор печатных плат.
13. Подготовить конструктив печатной платы (редактор печатных плат РСВ).
14. Загрузить список цепей схемы (РСВ).
15. Разместить корпусы компонентов на печатной плате. Размещение компонентов может выполняться вручную или автоматизированными методами.
16. Проверить, имеются ли описания всех типов переходных отверстий (ПО). Если описания есть, то следует перейти к этапу 18, иначе - к этапу 17.
17. Создать отсутствующие описания переходных отверстий.
18. Задать правила проектирования. Необходимо задать число слоев печатной платы, указать ширину проводников и величину зазоров между проводниками, указать ограничения, которые должны учитываться при трассировке печатной платы.
19. Трассировать печатную плату. Трассировка может выполняться вручную, автоматизированным или автоматическим способом. Как правило, используется комбинация этих способов.

увеличить изображение
Рис. 21.8. Методика сквозного автоматизированного проектирования печатных узлов

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  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:

• графический ввод электрических схем;
• смешанное аналого-цифровое моделирование на основе ядра SPICE3;
• упаковку схемы на печатную плату;
• интерактивное размещение компонентов;
• интерактивную и автоматическую трассировку проводников;
• контроль ошибок в схеме и печатной плате;
• выпуск документации;
• анализ целостности сигналов и перекрестных искажений;
• подготовку файлов Gerber и NC Drill для производства печатных плат;
• подготовку библиотек символов, топологических посадочных мест и моделей компонентов.

Основные возможности P-CAD 2002:

• Удобный пользовательский интерфейс для Windows.
• Хранение проектной информации в бинарных и текстовых файлах.
• Удобная справочная система.
• Проект схемы может содержать 999 листов, проект платы - до 999 слоев (11 из них стандартных).
• Число цепей в проекте - до 64000.
• Число вентилей в компоненте - до 5000.
• Максимальное число выводов у компонента - 10000.
• Максимальные размеры листа схемы или чертежа печатной платы 60х60 дюймов.
• Поддержка дюймовой и метрической систем мер.
• Предельное разрешение 0.0001 дюйма (0.1 мила) или 0.01 мм (10 микрон).
• Минимальный угол поворота компонентов на плате - 0.1 град.
• Длина имен компонентов - до 30 символов, максимальный объем текстовых надписей и атрибутов - до 20000 символов.
• Механизм переноса изменений печатной платы на схему и наоборот.
• Библиотеки компонентов, содержащие более 27000 элементов и сертифицированные по стандарту ISO 9001.

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.