Структура виртуального проекта в системе автоматизации проектирования радиоэлектронных средств с функцией виртуальной сертификации по эмиссии излучаемых радиопомех

Структура виртуального проекта в системе автоматизации проектирования радиоэлектронных средств с функцией виртуальной сертификации по эмиссии излучаемых радиопомех

Н.В. Лемешко, к.т.н.

Кафедра «Радиоэлектроника телекоммуникации», МИЭМ НИУ ВШЭ п1етеккко@li.se.гы, м.т. 8-915-231-17-47

Введение

Одним из перспективных направлений теории автоматизации проектирования является виртуальная сертификация (ВС) по эмиссии излучаемых радиопомех. Понятие виртуальной сертификации было впервые введено в работах [1, 2]. Ее суть заключается в том, что обязательные сертификационные испытания радиоэлектронных средств (РЭС) переводятся в виртуальную плоскость. Это позволяет оценивать уровень помехоэмиссии непосредственно на этапе проектирования, что дает возможность снизить вероятность выявления недопустимой помехоэмиссии при лабораторных испытаниях.

Оформление методологии виртуальной сертификации как целостности дает теоретическую базу для построения соответствующей системы автоматизации проектирования с функцией виртуальной сертификации (САПР ВС). В настоящее время теория ВС вполне развита и наиболее полно изложена в монографии [3]. Необходимость построения САПР ВС обусловлена тем, что моделирование сертификационных испытаний предполагает выполнение очень большого объема расчетов. В частности, моделированию подлежат электрические процессы в РЭС для определения временных функций токов, возбуждающих излучение на частоте анализа, электродинамические процессы излучения электромагнитных волн, их перенос к точке наблюдения с учетом взаимодействия с элементами конструкции РЭС и формирование показаний измерительного приемника с нормированными характеристиками. Несмотря на разнотипность этих процессов, их объединяет информационное единство, поэтому моделирование следует выполнять в среде, характеризуемой внутренней однородностью и согласованностью.

Основной целью выполнения исследований любого объекта на основе математической модели является получение новой информации о его существенных свойствах. В случае моделирования сертификационных испытаний таким объектом является проект РЭС, заменяющий физический образец. Комплексирование информации о нем в совокупности с другими необходимыми данными является проблемой, от решения которой зависит идеология построения САПР ВС в целом. В первую очередь, оно должно быть логичным и оптимизированным.

Структура виртуального проекта РЭС в САПР ВС

Под виртуальным проектом в САПР ВС следует понимать совокупность технической информации о РЭС, взаимосвязанной с виртуальным макетом изделия [4] и достаточной для построения его электрической и электродинамической модели на основе методов, изложенных в [3]. Под виртуальным макетом РЭС, в свою очередь, понимаются структурированные некоторым образом модели разнородных процессов, подлежащих моделированию в САПР ВС, а также его результаты для текущей версии проекта.

Важно отметить, что связь между технической информацией и виртуальным макетом радиоэлектронного средства является неотъемлемым их свойством, именно поэтому выше речь шла о виртуальном проекте в целом. Такая взаимосвязь позволяет при любой корректировке технической информации поддерживать виртуальный проект в актуальном состоянии.

Техническая информация, являясь основой для построения виртуального макета РЭС путем алгоритмических операций, не является первоисточником, характеризующим конструкцию и схемотехнику РЭС. С позиции разработчика конечным продуктом проектирования является не формальное представление об объекте, используемое в САПР, а конструкторская документация, необходимая для его производства. Поэтому техническая информация о РЭС в САПР ВС рассматривается как промежуточное звено, предназначенное для формирования виртуального проекта и всецело зависящее от электронной технической документации, с которой, собственно, и работает инженер.

Техническая информация, используемая для построения моделей в составе виртуального макета, включает в себя дополнительно сведения о стандартных материалах и конструкциях, используемых в РЭС, а также об их физических свойствах. Эти данные содержатся в специальной базе, непосредственно связанной с электронной технической документацией. Ее использование обусловлено тем, что информации о схемотехнике и конструкции РЭС, как правило, не достаточно для построения электродинамических моделей; эти недостающие сведения, в первую очередь касающиеся электрофизических свойств материалов, и содержатся в базе данных, причем выбор их должен осуществляться в интерактивном режиме с участием пользователя.

Основной особенностью виртуального макета следует считать то, что с ним можно проводить те же основные действия, что и с физическим образцом РЭС [5]. Для виртуальной сертификации наиболее важными операциями являются схемное и электродинамическое моделирование РЭС, расчет показаний измерительного приемника по модели. Виртуальный макет в составе с информацией о его текущих свойствах упрощает принятие решений о внесении изменений в конструкцию и схемотехнику проектируемого РЭС.

Важно отметить, что в САПР ВС в качестве исходной для построения виртуального макета используется информация о схемотехнике, тепловых режимах (в общем случае), конструкции РЭС, свойствах используемых материалов и т.д. Рассматривая САПР ВС как подсистему более сложного программного комплекса, можно утверждать, что сформированный в соответствии с приведенным описанием виртуальный проект может быть использован и в других подсистемах. Альтернативным подходом является использование виртуального проекта единой структуры во всех подсистемах такого программного комплекса. Виртуальный проект в САПР ВС заменяет опытный образец, а математическое моделирование, выполняемое в соответствии с заложенной теорией, — лабораторные исследования помехоэмиссии.

Рассмотрим структуру и взаимосвязи виртуального проекта, предлагаемого для использования в САПР ВС. Она изображена на рис. 1. Виртуальный проект формируется, как отмечалось выше, на основе технической информации о РЭС, представляемой в форме, необходимой для функционирования системы. В состав виртуального макета включена модель тепловых процессов в РЭС, которая обеспечивает уточненный расчет токов в проводниках. Отмеченное на рисунке

взаимодействие электрической и тепловой моделей обусловлено тем, что выделяемая элементами РЭС тепловая энергия влияет на режимы их работы, что приводит к изменению токов в проводниках [4, 6].

Наличие в составе виртуального макета как тепловой, так и электрической модели РЭС позволяет сделать САПР ВС функционально независимой от других подсистем в составе системы более высокого уровня. Однако если в последнюю входят САПР, имеющие функцию комплексного моделирования, то использование аналогичных моделей в составе САПР ВС приведет к избыточности. Устранить её можно путем интеграции САПР ВС с системой, реализующей комплексное моделирование. Таким образом, рассматриваемая структура виртуального проекта имеет определенный потенциал к упрощению. Вместе с тем, при разработке структуры САПР ВС следует считать её автономным средством автоматизации.

Модель электрических процессов в составе виртуального макета должна строиться не только с учетом схемотехники РЭС, но и вносимых его конструкцией эффектов. Кроме того, важной чертой САПР ВС является ориентация на разные классы оборудования, обеспечивающая универсальность и широту применения системы. При схемном моделировании должны обязательно учитываться свойства интегральных компонентов, что является одним из самых сложных вопросов в теории и практике автоматизированного проектирования. Значительную роль в этом смысле могут сыграть 1Ы8-модели [7], предназначенные для использования при построении схем замещения цифровых устройств.

Информация об условиях проведения сертификационных испытаний

Электронная техническая документация

Схемотехника РЭС

Конструкция РЭС

База данных стандартных материалов, конструкций и их физических свойств

Рис. 1. Структура и взаимосвязи виртуального проекта в САПР ВС

Номенклатура микросхем и других активных элементов, используемых в устройствах каждого из классов, обновляется сравнительно редко. Для пассивных компонентов это обновление происходит еще реже. Поэтому информацию о моделях компонентов представляется целесообразным объединить в отдельный банк, данные из которого будут использоваться на основе содержания технической информации о проекте. Поскольку виртуальной сертификации планируется в основном подвергать новые РЭС широкого потребления, то банк моделей, несмотря на отмеченную статичность, необходимо периодически обновлять, что может выполняться в автоматическом режиме при наличии подключения к сети Интернет. Кроме того, САПР ВС должна предусматривать возможность подключения стандартизованных библиотек производителей электронных компонентов. В сравнении с элементной базой РЭС номенклатура конструкций и материалов изменяется еще медленнее.

Установлено, что в САПР ВС рационально использовать комплексные компонентные модели, включающие информацию о схеме замещения, конструкции корпуса и его тепловых свойствах. В текущем варианте схемы на рис. 1 предусмотрен банк только электрических моделей, поскольку комплексные компонентные модели используются только в некоторых САПР, например, [8]. Информация о топологии корпусов компонентов, необходимая для построения электрической и электродинамических моделей, передается из базы данных стандартных материалов, конструкций и их физических свойств, вливаясь в общий поток технической информации в составе виртуального проекта.

Условия проведения сертификационных испытаний оказывают непосредственное влияние на их результат. Они включают в себя требуемую конфигурацию измерительного оборудования, перечень частот анализа и другие данные, выбираемые пользователем. К информации об условиях проведения измерений относят измерительное расстояние, поэтому её используют и для построения электродинамических моделей. Выбирая условия выполнения сертификационных испытаний, пользователь должен руководствоваться принятыми стандартами.

Входящие в состав виртуального макета модель электродинамических процессов и электрическая модель средств измерений строятся на заложенной в [3] методологической базе. Взаимодействие моделей электрических, электродинамических процессов в РЭС, а также модели средств измерений, заключается в том, что результаты моделирования для предыдущей модели в этом перечислении служат исходными данными для последующей. САПР ВС предполагает использование упрощенной электродинамической модели РЭС, служащей для поиска точки наблюдения и, при необходимости, приближенных расчетов, и уточненной, на основе которой в выбранной точке наблюдения рассчитывается временная функция напряженности поля.

При разработке САПР ВС особое значение имеет методическое обеспечение. Согласно схеме на рис. 1, методики моделирования наряду с технической документацией являются отправной точкой формирования виртуального проекта. На их основе разрабатываются алгоритмы построения моделей, входящих в состав виртуального проекта, а также вычислительное ядро САПР ВС. Именно поэтому методологический аспект играет очень важную роль. Алгоритмы формирования моделей являются формализацией разработанных методик, позволяющей строить модели для проектов конкретных РЭС в автоматическом режиме.

Функцией вычислительного ядра САПР ВС является расчетное сопровождение моделирования, реализуемое на основе моделей, входящих в состав виртуального макета. В качестве основныгх результатов моделирования следует рассматривать оценки помехоэмиссии, выполненные для заданныгх условий в некоторой полосе частот, однако в САПР ВС следует предусмотреть возможность вывода и другой информации, получаемой в результате моделирования. Это позволит упростить анализ результатов моделирования сертификационных испытаний и сделать более обоснованным принятие решений о доработке проекта РЭС в том или ином направлении.

Литература

1. Кечиев Л.Н., Лемешко Н.В. Виртуальная сертификация радиоэлектронных средств по уровню помехоэмиссии как средство подготовки к лабораторным испытаниям по электромагнитной совместимости. — Труды НИИР, сборник научных статей / Под ред. Бутенко В.В. — М.: НИИР, 2010, №1. — с.57-70.

2. Кечиев Л.Н., Лемешко Н.В. Виртуальная сертификация радиоэлектронных средств по уровню помехоэмиссии. Постановка проблемы. — Технологии ЭМС, №2 (33) — М.: ООО Издательский дом «Технология», 2010. — с.3-15.

3. Лемешко Н.В. Теоретические основы моделирования сертификационных испытаний радиоэлектронных средств по эмиссии излучаемых радиопомех. Монография. — М.: МИЭМ, 2012. — 196 с.

4. Автоматизированная система АСОНИКА для проектирования высоконадежных радиоэлектронных средств на принципах CALS-технологий. Т.1. — Под ред. Кофанова Ю.Н., Малютина Н.В., Шалумова А.С. — М.: Энергоатомиздат, 2007 г. — 368 с.

5. Кофанов Ю.Н., Новиков Е.С., Шалумов А.С. Информационная технология моделирования механических процессов в конструкциях радиоэлектронных средств. — М.: Радио и связь, 2000. — 160 с.

6. Жаднов В.В., Сарафанов А.В. Управление качеством при проектировании теплонагруженных радиоэлектронных средств. — М.: СОЛОН-Пресс, 2004. — 464 с.

7. Кечиев Л.Н., Лемешко Н.В. Моделирование цифровых устройств с использованием IBIS-описания интегральных схем. — М.: МИЭМ, 2006. — 243 с.

8. Сабунин А.Е. Altium Designer: новое поколение в проектировании электронных устройств. — М.: Солон-Пресс, 2009. — 432 с.