Системы автоматизированного проектирования печатных плат и принципиальных схем

 

Число различных пакетов для автоматизации проектирования печатных плат в настоящее время в несколько раз превышает число пакетов для разработки произвольных чертежей. Это связано с тремя обстоятельствами: увеличивающейся долей сложного электронного оборудования в промышленном производстве, значительно большей сложностью конструирования и разработки, относительно большей простотой формализации задачи.

Структура пакетов для автоматизации проектирования печатных плат в целом близка к описанной выше структуре пакетов для построения чертежей. Наиболее развитые системы включают в себя следующие основные элементы:

 

графический редактор печатной платы,

графический редактор принципиальной схемы,

процедуры автоматической трассировки и размещения,

текстовый редактор,

визуализация и вывод изображений,

работа с библиотекой модулей,

работа с базой данных,

моделирование работы принципиальной схемы.

 

Рассмотрим кратко основные функции этих подсистем.

 

Графический редактор печатной платы. Эта подсистема напоминает редактор изображения. Как и при построении чертежей, пользователь может разбить чертеж на множество слоев, соответствующих слоям или сторонам печатной платы, или, например, выделить отдельным слоем шины питания. Каждый слой может иметь свой цвет, пользователь может выделить для визуализации только один слой или группу слоев. Пользователь обычно видит на экране только часть разрабатываемой им печатной платы. Он может сдвигать графическое окно, наблюдая различные участки изображения, изменять масштаб визуализации.

В распоряжении пользователя имеется библиотека графических изображений стандартных деталей: микросхем, резисторов, конденсаторов и т. д. При этом соблюдены стандартные размеры этих деталей в зависимости от масштаба чертежа, числа выводов. В любой момент разработчик может считать из библиотеки изображения этих деталей и наложить их на изображение, скопировать, повернуть, передвинуть в любой участок печатной платы. При этом существует приятная возможность: разработчик может скомпоновать на поверхности платы основные электронные компоненты, а затем одной командой сформировать изображения контактных площадок для каждого из стандартных выводов деталей.

В памяти графического редактора имеется набор графических примитивов, необходимый для системы. Для системы проектирования печатных плат этих примитивов довольно мало: изображения разъемов, контактных площадок, отверстий, набор соединительных линий стандартной ширины. При этом, как правило, соблюдены стандартные размеры, толщины, но пользователю предоставляется возможность задать и свои собственные параметры.

Пользователь может перемещать курсор по экрану с заданным шагом в миллиметрах. Это очень удобно, например для задачи обозначения выводов микросхемы: установив курсор на исходную позицию и задав шаг его перемещения, можно быстро нарисовать последовательность контактных площадок для выводов микросхемы.

Одной из основных операций, выполняемых с помощью графического редактора, является соединение различных участков печатной платы проводящими линиями. При этом возможно несколько режимов работы. Простейший из них — разводка платы «вручную». При этом пользователь с помощью курсора отмечает первую точку, а затем двигается по печатной плате и дает команды на соединение выделенных точек отрезками линий. Второй способ — полуавтоматическое соединение. При этом редактору указывается исходная точка, конечная точка и дополнительно одна или несколько промежуточных точек, через которые должно пройти соединение. Это очень удобно, так как разработчик может иметь свои соображения о том, как провести соединение, например обогнуть выделенный участок печатной платы. Наконец, при автоматическом соединении указываются исходная и конечная точки. Редактор при этом «понимает», что он имеет дело с проводящими соединениями и ищет кратчайший путь между указанными точками, одновременно не допуская пересечений проводящих соединений и пытаясь соблюсти технологические допуски на минимальное расстояние между проводниками.

Когда все основные соединения проведены, пользователь может решить видоизменить плату. В графических редакторах для этого предусмотрены различные команды, позволяющие пользователю выделить участок платы и попросить систему перестроить соединения таким образом, чтобы освободить данный участок. Существует также возможность проведения набора параллельных соединений, растяжение чертежа по осям и т. д.

Описанный графический редактор может использоваться в двух основных режимах. Первый из них — подготовка печатной платы «с нуля». При этом редактор выступает в роли помощника разработчика, понимающего, что такое проводящие соединения, и имеющего в памяти стандартные графические обозначения основных компонентов. Второй режим — изменение уже готового изделия, например полученного с помощью автоматических процедур.

Графический редактор принципиальной схемы. В типичной системе такой редактор представляет собой средство для размещения на экране набора стандартных изображений электронных схем и соединения их выводов. При этом пользователь может считать из библиотеки принципиальные обозначения различных элементов (микросхем, транзисторов, конденсаторов и др.), групп элементов (например, стандартных схем), скомпоновать их на экране и соединить их выводы. Работа программ ввода данных о принципиальной схеме по своей структуре очень близка к системам редактирования, входящих в пакеты для разводки печатных плат. Обычно при этом в специальном окне экрана изображаются условные обозначения элементов и пользователю достаточно указать курсором на элемент, который он желает разместить на принципиальной схеме, а затем переместить курсор на то место экрана, в которое необходимо поместить данный элемент. Естественно, что элемент можно передвигать по рабочей области экрана, поворачивать и т. п. Для каждого из введенных элементов существует библиотека их номиналов, марок (например, типов транзисторов). При этом разработчик может указать один из библиотечных типов либо задать свой номинал (например, указать, что данное сопротивление имеет номинал 10 Ом).

Специальной командой пользователь может проводить электрические соединения. Для этого достаточно указать курсором начальную и конечную точки и дать команду на проведение электрического соединения. Система при этом проведет линию таким образом, чтобы не пересекать условные изображения других деталей. Редактор принципиальных схем включает в себя множество процедур для облегчения проведения соединений. Предусмотрены также различные процедуры для проведения набора параллельных соединений, обозначения переходов и пересечений проводников. Скомпонованная схема может быть сохранена в памяти, причем в отдельном файле запоминается таблица соединений. Разработчик может запоминать любой фрагмент схемы в специальной библиотеке для повторного использования, редактировать уже имеющуюся принципиальную схему и т. п. Работая с системой, пользователь выбирает стандартные детали и с помощью курсора размещает их в графическом окне, а затем дает команды на соединения выводов.

 

Процедуры автоматического размещения и трассировки. Эти процедуры достаточно сложны и, как правило, скрыты от пользователя. Они могут быть использованы в двух режимах. Первый из них когда разработчик, уже подготовивший печатную плату, хочет оптимизировать ее параметры: добиться наиболее плотной компоновки электронных компонентов. Второй — когда эти процедуры используются для автоматической разработки печатной платы.

В первом случае исходной информацией является готовая и разведенная печатная плата. При этом система пытается модифицировать размещение деталей на плате, сохранив таблицу соединений. Во втором случае исходной информацией является принципиальная схема. Исходя из принципиальной схемы, система находит информацию о библиотеке стандартных изображений электронных компонентов, использованных в схеме, о таблице электрических соединений и начинает попытки оптимальной упаковки компонентов, пытаясь произвести разводку получаемой платы.

Оптимальное размещение компонентов достигается исходя из получения максимальной плотности с учетом технологических допусков и дополнительных требований пользователя. Так, в некоторых пакетах при вызове процедуры размещения можно потребовать не занимать какой-либо участок платы. При выполнении автоматической трассировки система пытается найти оптимальные соединения компонентов, соблюдая допустимые расстояния между проводниками.

Автоматическое размещение и трассировка в идеальном случае позволяют получить готовую печатную плату. Однако эти процедуры весьма сложны, длительны и не всегда могут найти решение задачи с учетом заданных ограничений. Время выполнения операций размещения и трассировки в зависимости от уровня сложности платы может занимать от десятков секунд до десятков минут. Во многие системы включены запросы к разработчику. При этом процедура автоматической трассировки происходит в интерактивном режиме. Например, система может запросить у разработчика разрешение перейти на другой слой платы. В более развитых пакетах система «понимает» характер преобразований в принципиальной схеме. Например, пусть в какой-то микросхеме используется простая операция типа логической инверсии, а в другой микросхеме имеются свободные выводы, которые могут быть использованы для той же цели. Тогда система может запросить пользователя о возможности видоизменения исходной схемы, так как разводка во втором случае может оказаться проще.

После выполнения процедур автоматического размещения система выдает на экране результат и полученные характеристики: плотность компоновки деталей, площадь свободных участков, минимальный зазор между проводниками и т. д.

 

Текстовый редактор. Функции текстового редактора практически не отличаются от описанных ранее. Точно так же с его помощью можно нанести на чертеж текст произвольного цвета, размера и ориентации, исправить ошибки текста и т. д.

Визуализация и вывод изображения. Эти функции также типичны. С их помощью можно просмотреть различные слои чертежа, изменить масштаб и цвета, дать команду на вывод изображения на матричный принтер или графопостроитель. При этом большое внимание уделяется соблюдению абсолютных масштабов чертежа в соответствии с принятыми стандартами.

Работа с библиотекой модулей. В системе предусмотрены две различные библиотеки: обозначений элементов на принципиальных схемах и графических изображений деталей. При этом в описание объектов входит большая дополнительная информация. Так, для изображения микросхемы на принципиальной схеме необходимо выводить на чертеж нумерацию выводов и обозначение типа микросхемы, при выводе графического изображения корпуса этой микросхемы необходимо также помнить нумерацию и расположение выводов и абсолютные размеры ее корпуса. Учитывая разнообразие и размеры справочников по электронным приборам и микросхемам, можно представить себе объем подобных библиотек. Кроме того, в библиотеках существует возможность ввести новые приборы или запомнить любые фрагменты принципиальной схемы или печатной платы со всеми имеющимися соединениями.

Работа с базой данных. Читатель, видимо, уже понял, что для того, чтобы обеспечить взаимодействие различных под систем, работающих в системе автоматизации проектирования, необходимо пользоваться базой данных. Так, для того, чтобы произвести автоматическую разводку печатной платы исходя из принципиальной схемы, система должна найти ссылки на все электрические соединения в данной схеме, на все электронные компоненты, на их размеры, форму, электрические характеристики, на используемые стандарты толщины проводников, зазоров между проводящими соединениями и т. д. Вся эта огромная работа обычно скрыта от пользователя и протекает «за кадром». В то же время пользователь может в любой момент получить всю интересующую его информацию. Для этого в системе выделена отдельная страница меню работы с базой данных. С помощью этой системы пользователь может получить ответы на различные вопросы, например:

 

с какой точкой принципиальной схемы соединен третий вывод заданной микросхемы?

сколько в системе используется резисторов сопротивлением 10 Ом и где они расположены?

какие микросхемы в библиотеке модулей имеют заданный размер, тепловыделение и содержат не менее трех инверторов?

какое общее тепловыделение разработанной платы?

 

Запросы к базе данных можно условно разделить на запросы о текущем проекте (БД проекта), запросы о технологических параметрах применяемых изделий (справочная БД) и запросы о ранее разработанных схемах и узлах (архивная БД). Функции работы с базой данных в ряде систем имеют графический вывод. Так, запросив информацию о расположении, заданной детали на печатной плате, ее можно выделить красным цветом, прослеживаемое соединение можно заставить мигать.

При занесении в библиотеку модулей новых компонентов пользователь имеет возможность заполнить специальную таблицу, в которой описаны их параметры. Эта таблица затем используется базой данных.

Вообще, читатель уже заметил, что, несмотря на то, что изменилась область применения САПР, приблизительная структура системы базы данных практически не изменилась.

Как и в системах автоматизации изготовления чертежей, база данных может быть использована для подготовки технической документации. Для этого пользователь может установить соответствие между специальными текстовыми таблицами и элементами записей базы данных и сгенерировать техническую документацию.

Моделирование работы электронной схемы. Эта подсистема является одной из самых нетривиальных. Основные принципы работы пакетов для моделирования схем будут рассмотрены нами в отдельном параграфе. Как правило, моделирование радиотехнических схем реализуется с помощью отдельных пакетов программ, а в системы разработки печатных плат включаются процедуры так называемого логического моделирования.

Какие наиболее распространенные пакеты прикладных программ используются на ПЭВМ для проектирования и разработки печатных плат и принципиальных схем?

Наиболее простая и распространенная система такого рода, известная авторам пакет SMARTWORK фирмы Wintek. Эта система фактически представляет собой простой графический редактор для подготовки печатных плат. Одна из самых мощных систем проектирования для IBM PC — пакет PCad фирмы Personal CAD Systems. Этот пакет примерно соответствует приведенному нами описанию и имеет редакторы печатных плат, принципиальных схем, процедуры автоматической трассировки и размещения, функции логического моделирования, базу данных, библиотеки. Пакет PCad позволяет проектировать печатные платы, имеющие до 500 элементов и 2000 связей. Широкую известность получил пакет RedCad фирмы Racal-Redac, имеющий приблизительно те же характеристики, что и пакет PCad. Известны также пакеты CADdy (CADdy Corporation), CT-1000 (Case Technology), Micrograph (Micrograph Systems), отечественная разработка «Магистр» для ЭВМ ЕС 1840 и множество других.

Рассмотрим простой пример разводки печатной платы на системе класса SMARTWORK. В этой системе используется всего несколько клавиш: можно управлять курсором, наносить на изображение обозначение контактной площадки (функциональная клавиша F3), проводить соединения (функциональные клавиши F1, F2, F8), изменения слоев чертежа (клавиша PgUp и PgDn). Для того чтобы начать разводку печатной платы, необходимо выполнить приблизительно такую последовательность операций:

1) загрузим систему, для этого наберем на клавиатуре EDIT и дадим возврат каретки;

2) перед нами появится поле печатной платы. Справа расположено окно подсказок. Передвигая курсор, выберем точки расположения контактов и проставим их, нажимая на клавишу F3;

3) начнем процедуру соединения. Для автоматического соединения достаточно отметить две точки клавишей F1. Если мы хотим провести соединение через заданную точку, нажмем F1 несколько раз, пройдя последовательно через промежуточную точку к конечной;

4) при необходимости сменим слой чертежа, сотрем последнее соединение (клавиша F2), расширим или сузим размер линии.

Завершая этот более чем скромный обзор систем автоматизированного проектирования на ПЭВМ, хотелось бы сделать следующее замечание: при освоении подобных систем у пользователей часто возникает психологический барьер, связанный с огромным разнообразием предоставляемых возможностей. Надо сказать, что этот факт имеет под собой основания: научиться работать на подобной системе гораздо сложнее, чем, скажем, выучить команды ДОС. Приведенный нами пример построения чертежа показывает, что все базовые операции крайне просты и естественны. Этих операций, однако, слишком много, что свидетельствует не столько о сложности прикладной системы, сколько о сложности самой области проектирования. Начинающему пользователю системы можно рекомендовать следующую стратегию: начать с выполнения простых функций, игнорируя более изощренные приложения, а затем постепенно осваивать дополнительные возможности системы.