Компьютерное моделирование схем
Л.Н. Сизова,
н. с., lusysz@ipu.rssi.ru,
ИПУ РАН, lusysz@ipu.rssi.ru, г. Москва
В статье описаны общие
принципы автоматизированного проектирования схемной документации радиоэлектронных
устройств с помощью интерактивной компьютерной системы «Графика – ТР». Продемонстрированы
возможности системы.
Введение
Вычислительная
техника и радиоэлектроника немыслимы без применения печатных плат, разработка
которых требует от конструктора знания и учета множества разнообразных
требований. Усложнение электронных устройств потребовало создание сложных
многослойных печатных плат, которые невозможно разрабатывать без применения
средств автоматизации.
Инструментальный комплекс
«Графика – ТР», предназначен для автоматизированного создания схемной
документации РЭА. На рис.1 показана структура этапа технического
проектирования:
1
- проектирование принципиальной схемы;
2
- функциональное моделирование принципиальной схемы;
3 -
проектирование монтажной схемы;
4 -
разработка электронной документации.
«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.
Реализация блоков этапа технического проектирования
Схемная
документация включает в себя схемы алгоритмов, структурные, функциональные,
принципиальные и монтажные схемы.
Схемой
называется конструкторский документ, на котором составные части изделия или
установки изображены в виде условных графических обозначений (УГО) и показаны
связи между ними [1].
Схемы по типам можно разделить на структурные,
функциональные, принципиальные, соединений (монтажные).
Принципиальные схемы – определяют полный состав
элементов и связей между ними и дают детальное представление о принципах работы
изделия или установки (они служат основанием для разработки других
конструкторских документов). Схемы соединений (монтажные) – показывают соединения
составных частей изделия и определяют провода, жгуты, кабели или трубопроводы,
осуществляющие эти соединения, а также места их присоединений и ввода.
рис.1 Структура этапа
технического проектирования
Под
моделью схем будем понимать не только их
единственное изображение с конкретными текущими значениями координат элементов
и связей, а еще и некоторое математическое описание ее граф - схемы, вершинами
которой являются отдельные функциональные части аппаратуры, а дугами – связи
между ними [5]. Такие модели легко преобразуются в электронный документ, а
также в модели, которые используются на последующих этапах. Связи между контактами отдельных элементов
схемы (основных функциональных частей изделия) создаются за счет специальных
программных средств, используемых в системах автоматизированного
проектирования. В системе «Графика - ТР» в описаниях элементов схемы вводится
специальное понятие «контакт», определяющее координаты подсоединения внешних
связей. Модель схемы электрической принципиальной (МСЭП) легко модифицируется
на этапе проектирования схемы электрической
монтажной (СЭМ) в том смысле, что, во-первых, изображение каждого
элемента заменяется на изображение его посадочного места на печатной плате,
во-вторых, местоположение каждого элемента изменяется и подчиняется законам
проектирования монтажных схем при неизменной связности между элементами на этих
этапах.
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.
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,
про-
сматривая 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.
В системе также можно производить быстрый поиск необходимого компонента по его
векторному изображению. В режиме «графика-2D» пользователю
предоставляется возможность создавать векторные
образы графических элементов схемы, редактировать их как на уровне отдельных
примитивов (точка, ломаная, окружность, дуга окружности, эллипс, дуга эллипса,
символ), так и составных узлов, создавать библиотеки элементов. Точность
построения примитивов достигается режимом привязки к узлам размерной сетки,
привязки к характерным точкам примитивов и масштабом визуализации (погрешность
в системе 0,025мм). Надписи в системе выполняются чертежным шрифтом,
соответствующим ГОСТу, также текст можно писать стандартными шрифтами
операционной системы «Windows».
В
системе «Графика – ТР» реализованы все стандартные возможности редактирования:
смещение, масштабирование, поворот, зеркальное отображение, копирование, копирование
с зеркальным отображением, изменение типа, цвета и толщины линии, смещение
конца отрезка, преобразование отрезка в ломаную линию, удаление и отмена
текущей операции.
Процесс
проектирования принципиальных электрических схем, монтажных схем и создание
печатных плат включает в себя ручное размещение элементов на схеме, ручную или
автоматическую трассировку соединений между элементами, автоматическую
простановку позиционных обозначений элементов на схеме в соответствии
требованиям ГОСТ 2.710-81, интерактивный ввод
характеристик элементов и автоматическое создание таблиц, содержащих
перечень элементов.
Автоматическая трассировка соединений реализует алгоритм
определения кратчайшего пути на графе с пересечениями соединений и без пересечений. Задавая различные параметры трассировки,
можно менять расстояние между трассами, количество изгибов трасс, отдавать
предпочтение вертикальным или горизонтальным трассам. Применив функцию
автоматической трассировки к МСЭП, получим компьютерную модель схемы
электрической принципиальной.
Компьютерной моделью схемы электрической
принципиальной (СЭП) называется
совокупность описаний УГО элементов схемы с относительными координатами
контактов элементов и связей между контактами элементов, достаточных для
редактирования и образования электронных документов в системах
автоматизированного проектирования.
В
системе «Графика – ТР» имеется команда, по которой строится функция количества
пересечений между связями в проекции на оси OX и OY чертежа схемы. Полученные
результаты позволяют оценить качество размещения элементов схемы. Настройка параметров
трассировки, режимы автоматической сортировки цепей и размещение элементов на
схеме дают возможность получить максимальное количество разведенных трасс.
Компьютерной
моделью схемы электрической монтажной (СЭМ)
называется совокупность
установочных мест элементов СЭМ, располагаемых на соответствующих
конструктивах (блоках, печатных платах, интегральных схемах и т.п.), с
относительными координатами контактов на установочных местах элементов и связей
между контактами,
достаточных для редактирования и образования электронных
монтажных документов в системах автоматизированного проектирования.
Позиционные
обозначения компонентов проставляются автоматически с учетом их
расположения на принципиальной схеме.
Разводка трасс на печатной плате предусматривает два режима: под углом 90
градусов и под углом 45 градусов, при этом, если система не сможет развести
трассы на одном слое, то автоматически создается второй слой. В этом случае
переходы осуществляются через контактные площадки. Возможна послойная
трассировка через дополнительные переходные отверстия в плате.
Произведя
необходимую компоновку элементов и
применив команду трассировки к модели печатной платы, можно получить готовую
разведенную плату
На каждой стадии проектирования в системе
предусмотрено редактирование полученных результатов. При редактировании модели
в любой момент можно добавить, удалить или изменить место положения элемента,
при этом автоматически будут видоизменяться линии связей между элементами.
Аналогично предусмотрена возможность и для редактирования линий связей, для
добавления или удаления контакта элемента из соединения. При проектировании в
модель схемы можно включать различные геометрические примитивы, непосредственно
создавая их в момент работы с моделью или добавляя их из ранее сохраненного
файла, например, рамка с основной надписью.
В
системе имеется инструмент для создания и внесения изменений в перечень
элементов. После автоматической обработки данных перечня элементов схемы по запросу пользователя на экран будет
выведена таблица перечня элементов, выполненная по ГОСТу. Количество элементов
с одинаковыми параметрами вычисляется автоматически.
Всю графическую информацию, отображенную на экране
дисплея, в любой момент можно вывести на принтер, графопостроитель, координатограф
или фото-плоттер. Взаимодействие с другими графическими системами
осуществляется через файлы типа: *.hpg -HPGL,
*.dxf -ACAD, *.gbr-Gerber.
Заключение
Инструментальный комплекс «Графика – ТР» может быть
взят за основу для проведения практических занятий со студентами, изучающими
общие принципы автоматизированного проектирования схемной документации. При
этом акцентируется внимание на следующих особенностях автоматизированного
проектирования:
1. Принципы организации
интерфейсов пользователей на основе средств операционной системы Windows.
2. Организация файловой
системы и управление вводом и выводом информации.
3. Структура функций черчения,
редактирования, определения свойств и режимов.
4. Создание библиотек типовых
элементов схемной документации.
5. Описание соединений между
элементами схемы.
6. Математическая модель
схемы.
7. Размещение элементов в
плоскости схемы и трассировка соединений между элементами.
8. Анализ и редактирование
математической модели схемы.
9. Создание спецификаций и
таблиц соединений.
Учебный процесс с
использованием инструментального комплекса «Графика – ТР» имеет ряд преимуществ
по сравнению с изучением других коммерческих систем проектирования:
1. Минимальные затраты на
организацию учебного процесса и минимальные требования к вычислительным
ресурсам используемых компьютеров.
2. Основные алгоритмы
автоматизированного проектирования схемной документации сконцентрированы в
одной системе.
3. Для изучения процессов
проектирования всего спектра схемной документации не требуется использования
нескольких систем.
4. Изучаются основные методы
автоматизированного проектирования схемной документации, а не конкретная
система.
Литература
1.
Попова Г.Н., Алексеев С.Ю. Машиностроительное
черчение: Справочник. – Л.: Машиностроение, Ленингр., 1986. – 447 с., ил.
2.
Уваров А. С. P-CAD. Проектирование и конструирование
электронных устройств. М.: «Горячая линия – Телеком», 2004.
3.
Артамонов Е.И., Ромакин В.А.,
Сизова Л.Н., Тенякшев А.М. Автоматизированное
проектирование и выпуск схемной документации на аппаратуру средств связи.
Методическое пособие. - М.: МТУСИ, 2006. - 26 с.
4.
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.
5.
Артамонов Е.И. Компьютерное
моделирование схем и устройств. Методические указания. (Часть 1-ая). МТУСИ.
2008. 25 с.
6.
Сизова Л. Н. Применение компьютерных технологий в процессе обучения
студентов, специализирующихся на разработке РЭА / 8-я международная конференция
"Системы проектирования, технологической подготовки производства и
управления этапами жизненного цикла промышленного продукта" (CAD/CAM/PDM - 2008). Под
ред. Е.И. Артамонова. М.:ИПУ РАН,2008. ISBN 978-5-91450-028-0.С.106-108.
7.
Сизова Л. Н. Программный комплекс «Графика - ТР» //Информационные технологии в проектировании
и производстве. Научно-технический
журнал / ФГУП «ВИМИ», 2009, №1.С.32-36.
8.
Сизова Л. Н. Использование системы «Графика – ТР» в процессе обучения курсу «Компьютерное
моделирование схем и устройств» /Тезисы 9-й международной конференции
"Системы проектирования, технологической подготовки производства и
управления этапами жизненного цикла промышленного продукта" (CAD/CAM/PDM -
2009),М.:ИПУ РАН,2009,С.70-71.
9.
Сизова Л.Н. Реализация блоков этапа технического проектирования в среде
программного комплекса «Графика – ТР» 9-я международная конференция
"Системы проектирования, технологической подготовки производства и
управления этапами жизненного цикла промышленного продукта" (CAD/CAM/PDM -
2009),М.:ИПУ РАН,2009,С.200-204.