Применение компьютерных технологий в процессе обучения

студентов, специализирующихся на разработке РЭА

Л. Н. Сизова,
научный сотрудник,
ИПУ РАН, lusysz@ipu.ru, Москва

Вычислительная техника и радиоэлектроника немыслимы без применения печатных плат, разработка которых требует от конструктора знания и учета множества разнообразных требований. В целом процесс разработки печатных плат трудоемкий и длительный. Усложнение электронных устройств потребовало применение сложных и многослойных печатных плат, которые невозможно разрабатывать без применения средств автоматизации. Быстрое развитие компьютерных технологий в области проектирования печатных плат обосновывает необходимость преподавания компьютерного моделирования схемных устройств студентам, специальность которых связана с изучением схемной документации. В рамках курса студенты должны получить знания достаточные для того, чтобы проектировать и конструировать радиоэлектронные устройства и в дальнейшем стать высококвалифицированными специалистами в этой области.

В настоящее время для проектирования печатных плат на многих предприятиях радиоэлектронной промышленности используется программный комплекс P–CAD. Эта система объемная, содержит большое количество модулей, имеет сложный интерфейс, дословный перевод команд системы не всегда совпадает с терминологией конструкторов печатных плат, которая в отдельных случаях даже узаконена ГОСТом. В системе предусмотрено только непосредственное создание печатных плат, вся дополнительная информация, а именно чертежная и текстовая, должна разрабатываться в других программных комплексах на основе файлов, полученных в P–CAD. Кроме того, не каждый учебный институт имеет финансовые возможности для приобретения этого программного продукта, и для студентов первого курса программный комплекс P–CAD преподавать сложно.

В МТУСИ на кафедре «Инженерной и компьютерной графики» студентам читается спецкурс « Компьютерное моделирование схем и устройств». Курс читается преподавателями, которые одновременно являются разработчиками программных продуктов в области проектирования печатных плат. Практические занятия основаны на учебной версии системы автоматизированного проектирования схемной документации «Графика-ТР». Инструментальный комплекс предназначен для автоматизации работ, связанных с созданием 2D чертежей и работ, связанных с проектированием схемной документации радиоэлектронной аппаратуры. Под схемной документацией понимаются схемы алгоритмов, структурные, функциональные, принципиальные, монтажные схемы. В системе разработка печатных плат ведется в сквозном цикле, начиная с разработки библиотек элементов и принципиальных электрических схем и заканчивая созданием печатных плат с выпуском конструкторской документации в соответствии ЕСКД и другой справочной информацией, необходимой для технологического производства изготовления плат.

«Графика–ТР» имеет интуитивно понятный интерфейс, помимо методических рекомендаций в виде брошюры на систему, имеется электронное руководство. Студенты относительно легко усваивают общие принципы автоматизированного проектирования схемной документации на основе этого программного комплекса.

Подготовка исходных данных для формирования геометрических моделей схем осуществляется в режиме «графика-2D». Исходные данные представляют собой описание типовых графических изображений элементов радиоэлектронной аппаратуры хранящихся в библиотеки элементов. Библиотека элементов содержит два уровня описания: условные графические обозначения элементов (УГО) на принципиальной схеме и графические изображения элементов на монтажной схеме. Система «Графика–ТР» позволяет сохранять экранные образы в векторном и растровом видах (*.bmp – файлы). В дальнейшем, просматривая растровые картинки внутри системы, можно быстро выбирать нужное условное графическое обозначение элемента, при этом обязательно должно существовать условное векторное графическое обозначение, сохраненное ранее в виде блока в библиотеке. На рис.1 показана компьютерная модель принципиальной схемы некоторого разрабатываемого устройства. Из предварительно созданной библиотеки

рис. 1 Модель принципиальной схемы

компонентов были выбраны УГО элементов и проведены связи между соответствующими контактами этих элементов. На рис. 1 также показана индексация элементов. Автоматическая индексация выполняется по ГОСТу на основе размещения элементов на принципиальной схеме и может быть активизирована на любом этапе при редактировании модели. Далее после активизации функции трассировки на экране отобразится принципиальная схема (рис. 2) разрабатываемого устройства.

рис. 1 Принципиальная схема

Задавая различные параметры трассировки, можно менять расстояние между трассами, количество изгибов трасс, отдавать предпочтение вертикальным или горизонтальным трассам. В процессе работы в системе студенты изучают алгоритмы автоматической трассировки. На основе компьютерной модели принципиальной электрической схемы автоматически создается модель печатной платы – графическое изображение образов компонентов на печатной плате со связями (рис. 3).

рис. 3 Модель печатной платы рис. 4 I-ый слой печатной платы

Индексация компонентов проставляется автоматически на основе индексации элементов на принципиальной схеме. Произведя необходимую компоновку элементов на плате, объединив выводы с одинаковыми именами (например, «земля») в одну связь и применив функцию автоматической трассировки к модели печатной платы, предварительно указав необходимые параметры трассировки, получим готовую разведенную плату (рис.4, рис. 5, рис. 6).

рис.5 II-ой слой печатной платы рис. 6 III-ий слой печатной платы

В системе имеется инструмент для автоматического создания таблицы перечня элементов, выполненной в соответствии с ГОСТом, предварительно по форме внутри системы необходимо задать параметры компонентов. Текст в системе векторный и соответствует ГОСТу, также можно писать символы фонтами Windows. В системе реализованы все аффинные преобразования. На этапе проектирования в модель можно добавлять различные геометрические примитивы, непосредственно создавая их в момент работы с моделью или добавляя их из ранее созданного файла (например, чертежная рамка со штампом), или из библиотеки.

Всю графическую информацию, отображаемую на экране монитора, в любой момент можно вывести на принтер, графопостроитель (формат HP-GL - hpg), фото-плоттер (формат Gerber - gbr), можно сохранить в форматах:*. hpg, *.gbr, *.dxf, *.bmp.

В режиме «графика–2D» возможна компоновка всех слоев печатной платы в одно целое. В результате будет получена монтажная схема.

В рамках данного курса студенты изучают формат Gerber, создают блок – схемы алгоритмов и отображают их в системе.

Так ведется процесс обучения студентов автоматизированному проектированию схемной документации с одновременным изучением организации интерфейсов пользователей на основе операционной системы Windows, организации структур данных файловой системы, управления вводом и выводом информации.

Литература

1. Артамонов Е.И., Разумовский А.И., Сизова Л.Н., Ромакин В.А. Учебная система проектирования схемной документации / Тез. V-й междунар. конф. и выст-ки «CAD/CAM/PDM-2005». - М.: ИПУ РАН, 2005.

2. Артамонов Е.И., Ромакин В.А., Сизова Л.Н., Тенякшев А.М. Автоматизированное проектирование и выпуск схемной документации на аппаратуру средств связи: Метод. пособие. - М.: МТУСИ, 2006.

3. Сизова Л.Н. Автоматизация проектно–конструкторских работ в системе «Графика – ТР» //Проблемы геометрического моделирования в автоматизированном проектировании и производстве. Сборник материалов 1-ой международной научной конференции. Под ред. В. И. Якунина – М.: МГИУ, 2008.