Обзор систем сквозного проектирования печатных плат радиоэлектронных средств

Трифоненко И.М., Горячев Н.В., Кочегаров И.И., Юрков Н.К.

Пензенский государственный университет

ОБЗОР СИСТЕМ СКВОЗНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

Развитие систем автоматизированного проектирования (САПР) - решение ускорения научно-

технического прогресса общества. САПР опирается на прочную научно-техническую базу. Это - современные средства вычислительной техники, новые способы представления и обработки информации, создание новых численных методов решения инженерных задач и оптимизации [1].

Сквозные системы - это всеобъемлющий набор средств для автоматизации процессов и технологической подготовки производства, а также различных объектов промышленности. Системы включают в себя полный набор адаптированных и доказавших свою эффективность программных модулей, функционально охватывающих анализ и создание чертежей, подготовку производства на всех этапах, а также обеспечивающих высокую функциональную гибкость всего цикла производства [1].Системы сквозного проектирования представляют собой не просто объединенный набор отдельных программных решений, а целостную интегрированную систему взаимосвязанных инструментальных модулей способных функционировать на различных технических платформах, взаимодействовать с другим производственным оборудованием, обрабатывать данные, полученные путем достижения разработок новейшей технологии. Смысл технологии сквозного проектирования состоит в эффективной передаче данных и результатов конкретного текущего этапа проектирования сразу на все последующие этапы. Данная технология базируется на модульном построении САПР, на использовании общих баз данных и баз знаний всего проекта, и характеризуется широкими возможностями моделирования и контроля на всех этапах проектирования. Эффективность данной технологии обусловлена возможностью разработчика использовать те данные, которые с его точки зрения позволяют наиболее успешно справиться с поставленной задачей.

Системы CAD/CAM/CAE позволяют в масштабе целого предприятия логически связывать всю информацию об изделии, обеспечивать быструю обработку и доступ к ней пользователей работающих в разнородных системах. Так же они поддерживают технологию параллельного проектирования и функционирования различных подразделений согласовано выполняющих в рамках единой компьютерной модели операции проектирования, сборки, тестирование изделия, подготовку производства и поддержку изделия в течение всего его жизненного цикла.

Для облегчения труда конструкторов, проектировщиков, работающих в области проектирования радиоэлектронных средств (РЭС), разработаны системы автоматизированного проектирования электроники (EDA).

Системы класса EDA способны решать задачи, не поддающиеся полной формализации. Проектирование в таких системах является автоматизированным и осуществляется под непосредственным контролем оператора (пользователя), чаще всего в форме человеко-машинного диалога. Режим работы, в котором часть решений принимает оператор, называется интерактивным режимом.

В настоящие время существует множество программ EDAтакие как KiCAD, AltiumDesigner, DipTraceи т.д.Они могут использоваться как при разработке любительской электроники, так и промышленныхиз-делий [2] .

Для любителей радиоэлектроники, а так же для мелких фирм занимающихся проектированием печатных плат будет полезна программа Sprint-Layout.Это простой и удобный редактор для разводки и компоновки одно- и двухсторонних печатных плат (PCB). Одна из лучших программ своего класса. Программное обеспечение поставляется со всеми функциями, необходимыми для полного управления проектом. Предоставляя пользователю мощные возможности многих профессиональных программ, Sprint-Layout сохраняет чрезвычайно легкий и интуитивно понятный интерфейс. Это позволяет работать быстро и без проблем даже неподготовленному пользователю. Готовый проект может быть конвертирован в форматы BMP, Excellon, Gerber и др, можно также подготовить к печати отсканированный рисунок разводки платы.

В наборе своих компонентов программа SprintLayout содержит достаточно широкий выбор всех электронных компонентов, начиная с диодов, конденсаторов, резисторов, транзисторов и заканчивая микросхемами различных типов. Программное обеспечение SprintLayout включает в себя различные элементы, что необходимы в процессе разработки полного проекта.. SprintLayout также позволяет наносить на печатную плату проводники, контакты, SMD-контакты, текст, полигоны и т.д.

С помощью программы SprintLayout Вы легко можете сделать любую печатную плату (одностороннюю или двухстороннюю) любого желаемого вам устройства и далее перевести её в формат рисунка bmp, jpg и т. д. Поддержка форматов Excellon и Gerber, обеспечивает возможность передачи файлов разработанных плат на профессиональное производство. В программе поддерживается HPGL-формат. Он позволяет создать файл экспорта HPGL для обработки платы на фрезерном станке с программным управлением.

В программе SprintLayout, контактные площадки могут быть выбраны из широкого набора. В ней существует 2 слоя: меди и компонентов, для каждой стороны печатной платы. Также дополнительно Вы можете использовать функцию слоёв формы платы, и два внутренних слоя для многослойных печатных плат. К дополнительной особенности программы можно отнести: металлизация, маска по олову, SMD-маска, контроль и прочее.

Программа имеет автотрассировщик, который может быстро проложить проводники в нужном для Вас расположении. Фотовид позволит увидеть печатную плату в приближенном к реальному виду. Это сильно помогает заметить различные ошибки при создании печатной платы. Внутренняя библиотека допускает возможность добавления различных своих компонентов. SprintLayout предоставляет хорошую возможность выбора вариантов изменения печати.

Более профессиональной и функциональной заменой SprintLayout может быть KiCAD. Kicad (KnowledgeInfrastructureforCollaborativeProductDevelopment) — это программа для разработки электронных схем и печатных плат, распространяемая по лицензии GPL, распространяемый по лицензии GNUGPL программный комплекс класса EDA с открытыми исходными текстами, предназначенный для разработки электрических схем и печатных плат.

Кроссплатформенность компонентов KiCad обеспечивается использованием библиотеки wxWidgets. Поддерживаются операционные системы Linux, WindowsNT 5.x, FreeBSD и Solaris.

Свое широкое распространение Kicad получил благодаря тому что за его покупку не нужно платить большие суммы (она полностью бесплатна и доступна в широкое пользование), его могут использовать как любители так и профессиональные фирмы-производители.

По своей структуре Kicad имеет набор из четырех автономных программных модулей, каждый из которых решает отдельную задачу проектирования печатной платы:

kicad — менеджер проектов;

eeschema — редактор электрических схем;

встроенный редактор символов схем (библиотечных компонентов);

pcbnew — редактор печатных плат;

встроенный редактор образов посадочных мест (библиотечных компонентов);

3DViewer — 3Б-просмотрщик печатных плат на базе OpenGL (часть pcbnew);

gerbview — просмотрщик файлов Gerber (фотошаблонов);

cvpcb — программа для выбора посадочных мест, соответствующих компонентам на схеме;

wyoeditor — текстовый редактор для просмотра отчётов.

К модулям можно обращаться как независимо друг от друга, так и из центрального модуля Kicad, играющего роль менеджера проекта. Модуль Eeschema создает простые и многоуровневые схемы, проверяет их корректность с помощью функции ElectricalRulesCheck (ERC) и составляет список соединений (netlist), который можно использовать как в "родном" модуле KicadPcbnew, так и в известной программе расчета электронных схем P-Spice.

Eeschema обеспечивает быстрый прямой доступ к документации электронных компонентов, хранящихся в библиотеке. Редактор этих компонентов тоже вызывается из этого модуля. Библиотека, поставляемая в комплекте с Kicad, насчитывает около 30 готовых компонентов с описаниями. Кроме того, к этой программной системе прилагается 7 демонстрационных электронных схем и чертежей печатных плат.

Редактор печатных плат Pcbnew позволяет создавать чертежи многослойных (до 16 проводящих и 12 технических слоев) плат. Под техническими слоями подразумеваются такие, как слой маркировки, слой защиты и др. Затем Pcbnew создает файлы, необходимые для построения печатной платы (GERBER-файлы для фотоплоттера и файлы размещения компонентов). Для вывода слоев печатного монтажа можно использовать лазерные принтеры PostScript.

Модуль Pcbnew позволяет также просматривать объемную модель готовой платы вместе с установленными на нее электронными компонентами. Для создания трехмерной модели используется язык OpenGL.

К модулям Eeschema и Pcbnew прилагается менеджер библиотек, редакторы компонентов и проекций. Элементы библиотеки снабжаются сопроводительной документацией (поставляемые в комплекте с Kicad — в формате PDF), а также ключевыми словами для облегчения их поиска в базе данных.

Аналогом Kicad может послужить DipTrace. DipTrace - недорогая , профессиональная, лицензионная и легкая в использовании систему проектирования принципиальных схем и печатных плат, которая позволяет импортировать наработки из других CAD-систем и других программ. Это современная система сквозного проектирования, которая включает в себя:

Редактор плат - проектирование плат с помощью мощного автотрассировщика, удобной ручной трассировки и системы позиционирования компонентов.

Редактор схем - проектирование схем с поддержкой иерархии и неограниченного количества листов. Экспорт в редактор плат, список сетей (netlist) или симулятор.

Редакторы компонентов и корпусов - позволяют создавать свои библиотеки.

Стандартные библиотеки - содержат более 100 000 компонентов.

3D предпросмотр - позволяет просматривать трехмерную модель платы. С программой поставляются более 2.5 тыс. 3D-моделей корпусов.

Импорт/Экспорт - система может импортировать схемы, платы и библиотеки из P-CAD, PADS и других

популярных программ. Экспорт в P-CAD, Gerber и другие форматы позволит подготовить платы для лю-

бого производства.

Русский интерфейс, справка, учебник и форматки - позволят быстро изучить и эффективно пользоваться программой.

DipTrace содержит в себе следующие функции:

Интуитивно-понятный пользовательский интерфейс

Многоуровневая иерархия и поддержка многолистовых схем позволяет быстро и эффективно разрабатывать сложные принципиальные схемы. Преобразование схемы в плату, обновление проекта из измененной схемы и обратная аннотация производятся одним кликом. Все объекты подсвечиваются при работе.

Удобное ручное и автоматическое позиционирование

Функции "Упорядочивание", "Позиционирование по списку" и "Автоматическая расстановка компонентов" помогают быстро оптимизировать расположение компонентов и размеры платы.

Эффективные возможности трассировки

Cовременныйбессеточныйавтотрассировщик способен качественно и быстро разводить как сложные многослойные платы с разными типами компонентов, так и простые двухслойные проекты. Сеточный трассировщик может использоваться на простых однослойных платах c перемычками. Поддержка Specctra DSN/SES позволяет использовать внешние трассировщики. Размеры плат неограничены.

Всесторонняя проверка проекта

Широкие возможности проверки проекта на различных этапах создания позволяют выявить ошибки до отправки файлов производителю. Проверка включает следующие этапы: 1. автоматизированная проверка новых компонентов в библиотеках, выявляющая возможные признаки ошибок и минимизирующая "человеческий фактор"; 2. проверка допустимости соединений в схеме (ERC); 3. проверка зазоров, размерностей и различных признаков ошибок на плате (DRC); 4. проверка целостности соединений на плате; сравнение со схемой. Ошибки выводятся в виде списка и отображаются в проекте, возможно их исправление "на лету" с перезапуском проверки.

3D предпросмотр платы

Функция трехмерного предпросмотра моделирует внешний вид конечного изделия, дает возможность выявить недостатки компоновки до передачи в производство. Благодаря аппаратному ускорению графики возможно поворачивать и масштабировать модель устройства в реальном времени. С программой поставляются более 2.5 тыс 3D-моделей корпусов.

Моделирование схемы

Экспорт принципиальной схемы в формате Spice-нетлист (.cir) даст возможность промоделировать Ваше устройство в программе LT Spice или любом другом внешнем симуляторе.

Импорт / Экспорт

Функции импорта и экспорта позволяют работать с принципиальными схемами, платами и библиотеками в форматах других EDA и CAD-приложений: DXF, P-CAD, PADS, OrCAD и Eagle, а также работать с нетлистами: Accel, Allegro, Mentor, PADS, P-CAD, OrCAD, Protel 2.0 и Tango.

Создание файлов для производства

В DipTrace можно получить все необходимые для производства файлы (Gerber RS-274X, Excellon N/C Drill, DXF) . Векторизация позволяет экспортировать в Gerber-формат TrueType шрифты и растровые изображения.

Создание собственных библиотек

Удобные средства разработки компонентов и корпусов с автоматическим расположением и нумерацией выводов по заданным правилам позволяют за считанные минуты создавать компоненты любых размеров и сложности.

По настоящему профессиональной программой САПР сквозного проектирования печатных плат можно считать систему P-CAD. Она является интегрированным набором специализированных программных пакетов, работающих в диалоговом режиме. Средства системы позволяют проектировать принципиальные электрические схемы, печатные платы (в том числе и многослойные), а также получать всю необходимую конструкторскую документацию. В структуру входят следующие пакеты:

пакет для проектирования принципиальных электрических схем и создания образоврадиоэлектронных компонентов;

программа извлечения списка электрических связей из графического образапринципиальной электрической схемы. В результате создается таблица соединений;

программа-соединение взаимосвязанных таблиц межэлементных соединений, находящихся в различных БД, в единую БД всей принципиальной электрическойсхемы;

программа упаковки вентилей на кристаллах микросхем и подсоединениеконструктива, если это необходимо. Этот пакет реализует задачу компоновки конструктивного модуля, тоесть распределение принципиальной электрической схемы по корпусам интегральных микросхем;

программа коррекции принципиальной электрической схемы с учетом возможныхсоединений в результате работы программы размещения;

программа автоматической трассировки печатных плат с настройкой стратегиипроцесса трассировки. Программа реализована на основе волнового алгоритма(алгоритм Ли).

интеллектуальный графический редактор печатных плат (редактирование рисунка);

верификатор топологии печатной платы на соответствие конструктивнотехнологическим требованиям (программа, которая проверяет допустимые расстояния, толщину).

Кроме этих программ в систему может включаться пакет функционально логического моделирования принципиальной схемы. В системе предусмотрена возможность получения файлов для вывода чертежей на плоттеры или на постпроцессоры для станков с числовым программным управлением.

Система P-Cad при своей большой многофункциональности и множестве достоинств, среди которых относительно низкая цена на рынке, экономичность на жестком диске компьютера и распространенность на предприятиях (установлена на многих предприятиях, а значит между предприятиями легко проводить обмен данными), все же имеет ряд серьезных недостатков:

отсутствие автоматических средств возврата к различным этапам проектирования приобнаружении ошибок и соответствующей коррекции результатов предыдущих этаповпроектирования;

графический редактор системы, как правило, неустойчиво работает на краях полятрассировки; возможные ошибки при копировании и вращении всего проекта.

В настоящее время P-Cad больше не развиваетсяи проект закрыт, так как в 2006 году был куплен фирмой Altium, которая совместила свои наработки с базой P-CAD и начала выпускать продукт под названием AltiumDesigner [3].

Систему AltiumDesignerможно считать настоящим «монстром» САПР. Принцип сквозного проектирования реализован в ней в единой проектной среде по средствоминтегрированной платформы DesignExplorer. При этом изменения, вносимые на любом этапе, должны отображаться во всех частях проекта. Такой принцип позволяет разработчику контролировать целостность проекта, отслеживать изменения и синхронизировать ихкроме этого есть и другие приятные моменты:

простой и интуитивно понятный пользовательский интерфейс системы: его настройка согласно требованиям конкретного пользователя, а также использование меню с командами на русском языке и множества «горячих» клавиш позволяют научиться эффективно работать с программой менее чем за две недели;

позволяет создавать проекты печатных плат с гибкой структурой [4]; возможность коллективной работы над проектом;

обладает гибкими возможностями в области проектирования односторонних печатных плат с перемычками [5];

поддержка совместимости с многими старыми и современными популярными САПР РЭС (ECAD) и механическими САПР (MCAD);

все действия, выполняемые пользователем вручную, могут быть описаны с помощью макросов и выполнены автоматически, что открывает широкие возможности для автоматизации рутинных операций процесса создания принципиальных схем и проектирования печатных плат;

программа имеет набор документации на русском языке, разработаны специальные методические указания для начинающих. Базовая программа обучения рассчитана на пять дней и позволяет пользователям выработать правильные навыки работы в этой системе;

позволяет хранить все настройки пользователя в «облаке», а при переносе и открытии проекта на другом ПК система автоматически извлекает эти настройки и создает пользователю подобное рабочее место ;

это программно-аппаратный комплекс для создания большинства современных РЭС при достаточно небольшой стоимости.

Пакет AltiumDesignerбазируется на единой интегрированной платформе DXP [3] .Не смотря на свою мощь и большие возможности многие пользователи жалуются на его«неповоротливоть» в процессе работы (неудобство интерфейса существенно замедляет работу, не давая пользователю быстро обращаться ко всем функциям).

Серьезным конкурентом AltiumDesigner на рынке EDA выступает американская компания CadenceDesignSystems, со своей системой проектирования печатных плат OrCAD. Функциональные возможности расширены средствами AllegroPerformance в части задания правил проектирования ConstraintManager, топологического проектирования PCB Editor и анализа целостности сигналов SI. Также в комплектах сквозного проектирования OrCAD PCB Designer появились три базовые конфигурации :

Lite;

Standard;

Professional.

OrCAD - этот специализированный портал CadenceDesignSystems, доступный средствами схемного редактора Capture 16.5 содержит в себе информацию о новых функциях и возможностях системы, видеоуроки, библиотеки компонентов и многие другие полезные ресурсы. Новые возможности

OrCADCaptureMarketplace предоставляют два основных преимущества:

повышение производительности с помощью новых инструментов: через единую среду проектирования

разработчики могут проводить исследование и поиск нужных материалов благодаря доступу к последним достижениям индустрии печатных плат и передовой технологии OrCAD на уровне одного клика;

гибкость среды разработки: доступ к новому интернет-магазину дает возможность инженерам находить и скачивать дополнительные приложения, которые расширяют стандартные возможности OrCAD за

счет интеграции в программу новых инструментов и функций. Для каждого приложения будет подробное описание и краткая видео-презентация.

Программа OrCADCapture, в совокупности с другими продуктами Cadence, предоставляет пользователю все необходимые средства для выполнения следующих этапов процесса проектирования: входного проектирования; функционального моделирования; синтеза, размещения и трассировки; моделирования задержек; генерации элемента.

По своей структуре OrCAD - совокупность модулей, которые должны содержать информацию, необходимую для выполнения всех этапов процесса разработки устройства. Она включает в себя: исходные описания проектируемого устройства в графической или текстовой форме; промежуточные результаты, используемые в качестве исходных данных для последующих шагов проектирования; отчёты о выполнении основных этапов проектирования; описания тестовых воздействий, необходимых для моделирования устройства; окончательные результаты проектирования, используемые для конфигурирования элемента.

Ранее разработчикам всегда приходилось искать нужную информацию с помощью внешних программ-браузеров, которые далеки от маршрута и концепции проектирования. Теперь этот процесс тесно интегрирован в общий маршрут разработки печатных плат. Все необходимые библиотеки: символы УГО, посадочные места, Spice и IBIS-модели, технические описания можно найти на новом портале CadenceDesignSystems. Обмен информацией между пользователями, бесплатные пользовательские Tcl-приложения для Capture 16.5, форумы, презентации - все это значительно расширяет возможности проектирования и ускоряет адаптацию разработчиков к новым функциям OrCAD.

Создаваемая системой модель основывается на интеграции данных и представляет собой полное электронное описание изделия, где присутствует, как конструкторская, технологическая, производственная и другие базы данных по изделию. Это обеспечивает значительное улучшение качества, снижение себестоимости и сокращение сроков выпуска изделия на рынок.

Каждая система класса EDAразрабатывается руководствуясь задачами объединения и оптимизации труда разработчиков и принимаемых при этом технологий в масштабах всего предприятия для поддержания данной системой стратегии автоматического проектирования.

Таким образом, современные САПР печатных плат следует считать мощным средством которое позволяет вести разработку РЭС в единой проектной среде.В следствии своей универсальности, EDA нашли применение не только в производственном процессе, но и в процессе обучения инженеров-конструкторов и инженеров-технологов [6].

ЛИТЕРАТУРА

1. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования: Учеб.для вузов / И.П. Норенков. -

М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002.-336 c.

2. «Компьютеры и программы» [Электронный ресурс]: - Режим доступа: http://www.cpp.com.ua

3. СабунинА.Е.Altium Designer. Новые решения в проектировании электронных устройств / А.Е. Са-

бунин. — М.: Солон-Пресс, 2009. - 432 с.

4. Горячев Н.В. Типовой маршрут проектирования печатной платы и структура проекта в САПР электроники Altium Design / Н.В. Горячев, Н.К. Юрков // Труды международного симпозиума "Надежность и качество". 2011. Т. 2. С. 120-122.

5. Горячев Н. В., Проектирование топологии односторонних печатных плат, содержащих проволочные или интегральные перемычки / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Труды международного симпозиума "Надежность и качество". 2011. Т. 2. С. 122-124.

6. Горячев Н. В. Опыт применения систем сквозного проектирования при подготовке выпускной квалификационной работы / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Известия ПГПУ им. В.Г. Белинского. Физикоматематические и технические науки. 2011. № 26. С. 534-540.