Расчет печатных плат и узлов

Техническое обеспечение САПР

С точки зрения системной модели САПР, техническое обеспечение представляет собой самый нижний уровень, в который “погружается” и реализуется операционно-программное и другие виды обеспечений САПР.

Задача проектирования технического обеспечения, таким образом, может быть сформулирована как задача оптимального выбора состава технических средств САПР. Исходной информацией при этом являются результаты анализа задач внутреннего проектирования и ресурсные требования к техническим средствам в виде критериев и ограничений.

Используемые в САПР технические средства должны обеспечивать:

1) выполнение всех необходимых проектных процедур, для которых имеется соответствующее ПО;

2) взаимодействие между проектировщиками и ЭВМ, поддержку интерактивного режима работы;

3) взаимодействие между членами коллектива, работающими над общим проектом.

Основные требования к техническим средствам САПР состоят в следующем:

· эффективность - достаточная производительность и объем оперативной памяти компьютерных средств для решения задач всех этапов проектирования за приемлемое время;

· универсальность - открытость комплекса технических средств для расширения и модернизации системы по мере прогресса техники;

· совместимость - возможность одновременной работы с техническими средствами необходимого числа пользователей для эффективной деятельности всего коллектива разработчиков;

· удобство - использования инженерами-проектировщиками, возможность оперативного взаимодействия инженеров с ТС САПР;

· надежность;

· стоимость и т. п.

Технические средства (ТС) в САПР решают задачи:

· ввода исходных данных описания объекта проектирования;

· отображения введенной информации с целью ее контроля и редактирования;

· преобразования информации (изменения формы и структуры представления данных, перекодировки и др.);

· хранения информации;

· отображения итоговых и промежуточных результатов решения;

· оперативного общения проектировщика с системой в процессе решения задач.

Для решения этих задач ТС должны содержать:

· процессоры,

· оперативную память,

· внешние запоминающие устройства,

· устройства ввода- вывода информации,

· технические средства машинной графики,

· устройства оперативного общения человека с ПК,

· устройства, обеспечивающие связь ПК с удаленными терминалами и другими машинами.

При необходимости создания непосредственной связи САПР с производственным оборудованием в состав ТС должны быть включены устройства, преобразующие результаты проектирования в сигналы управления станками.

ТС САПР могут одно- и многоуровневыми.

ТС, в состав которых входит одна ЭВМ, оснащенная широким набором периферийного оборудования, носят название одноуровневых. Они широко применяются при проектировании изделий общепромышленного применения с установившейся конструкцией, имеющих узкоспециализированные математические модели и фиксированную последовательность этапов проектно- технологических работ.

Развитие САПР предполагает расширение набора терминальных устройств, представление каждому проектировщику возможности взаимодействия с ЭВМ, обработку технической информации непосредственно на рабочих местах. С этой целью терминальные устройства снабжаются мини - и микроЭВМ, имеющими специальное математическое обеспечение интеллектуальные терминалы. Они соединяются с ЭВМ высокой производительностью с помощью специальных или обычных телефонных каналов.

Для использования информации отдельных ЭВМ распределенных на относительно большой территории особый эффект дает применение вычислительных сетей.

Отличительные признаки вычислительной сети состоят в следующем:

· большое число взаимодействующих друг с другом вычислительных машин, выполняющих функции сбора, хранения, передачи, обработки и выдачи информации;

· чрезвычайно большие вычислительные мощности;

· распределенная обработка информации;

· надежная и гибкая связь пользователя с вычислительными мощностями;

· возможность взаимного обмена информацией между вычислительными машинами;

· расширение до любой мощности и протяженности.

Каждая техническая система, в том числе и САПР, характеризуется группой свойств, которые определяют меру совершенства и прогрессивности данной системы. Такие свойства называют критериями развития. Наборы критериев многих технических систем совпадают. Это вызвано тем, что все они являются искусственными и, в большинстве человеко-машинными системами.

САПР принадлежат к классу систем информатики, где преобразуемым операндом является информация. В результате ряд критериев для САПР не являются актуальными, связанные с затратами материалов, энергии, экологией. Критерии, важные для САПР, можно разделить на четыре группы: функциональные, технологические, экономические, эргономические. Функциональный критерий рассматривается как интегральный показатель, зависящий от ряда частных функциональных критериев: скорости обработки информации, интенсивности обработки информации, степени автоматизации труда, непрерывности процесса проектирования.

Скорость обработки информации характеризуется двумя величинами: – натуральным критерием производительности САПР и – информационным критерием производительности САПР.

где – коэффициент сложности работы i-ого проекта; – количество листов формата А4 i-ого проекта; – время в часах, затраченное на автоматический выпуск указанного количества листов i-ого проекта; N – количество проектов. , измеряется количеством листов, выпускаемых в часах, и возрастает с развитием САПР. Если объем выполненной работы измеряется количеством информации в модели создаваемого объекта или процесса, то можно заменить .

где – количество информации в принятых единицах измерения в i-ой модели. Независимо от критерия, которым измеряется, прежде всего производительность САПР зависит от объема знаний и данных, заложенных в систему.

С интенсивностью обработки информации в САПР связан информационный критерий эффективности . Он представляет собой усредненное отношение объема выходной информации к суммарному объему входной и выходной информации.

где – объем результирующих данных i-ого проекта, – объем исходных данных i-ого проекта, N – количество проектов. принимает значения в диапазоне от 0 до 1 и является безразмерной величиной. Система считается тем совершеннее, чем меньше данных в нее нужно вводить. Предельным минимумом для этого является техническое задание.

Критерий совмещения функциональных операций имеет смысл для интерактивных САПР и определяет допустимое число одновременно выполняемых на одной рабочей станции функциональных операций.

Критерий, характеризующий степень автоматизации САПР – это критерий автоматизации

где – количество автоматизированных операций, а – удельная трудоемкость i-ой проектной операции. Сумма удельных трудоемкостей всех операций равна 1, т.е , где N – количество всех проектных операций. Следовательно, принимает значения в диапазоне от 0 до 1.

Критерий непрерывности процесса проектирования

где – чистая трудоемкость i-ого проекта в человеко-часах, а – длительность календарного цикла i-ого проекта. становится неоправданно большим из-за перехода с одной операции на другую, нехватки информации и т.д. С развитием САПР стремятся к увеличению данного критерия.

Технологические критерии связаны с настоящими и будущими затратами на стадиях создания, развития и адаптации системы к решению конкретных задач. Критерий трудоемкости разработки САПР имеет две формы выражения , где – суммарная трудоемкость разработки системы, – натуральный показатель производительности, – информационный показатель производительности. Данный критерий представляет собой монотонно убывающую величину, для уменьшения которой необходимо добиваться инвариантности ПС САПР и использовать инструментальные средства автоматизации разработки программно-информационного обеспечения.

Критерий технологических возможностей отражает простоту разработки САПР и подготовки ее к эксплуатации. Он является безразмерной величиной и определяется по формуле

где – количество стандартных ПМ, – количество унифицированных ПМ, – количество адаптированных ПМ, А_Н– количество нестандартных ПМ, требующих разработки. К – весовые коэффициенты, причем и Критерий технологических возможностей принимает значения в диапазоне от 0 до 1, и чем он больше, тем совершеннее САПР.

В информатике принято различать старую и новую технологии. Для первой из них характерно доминирующее влияние нестандартных ПМ, когда, что не позволяет добиться увеличения К_ТВ. Новая технология характеризуется тем, что . Доминирующее влияние при создании САПР оказывают унифицированные и стандартные ПМ, а при подготовке к эксплуатации – адаптированные.

Экономический критерий САПР служит для комплексного стоимостного учета положительного эффекта от автоматизации проектирования и основных затрат. В качестве этого показателя принято использовать К_Э – величину годового экономического эффекта от использования САПР.

где Д_С – общее изменение себестоимости проектирования в расчетном году, связанное с производительностью САПР;

Э_К – годовая экономия от повышения качества проектных решений, в основе оторых лежит новая информационная база;

Д_К– дополнительные капиталовложения (в вычислительную технику), вязанные с созданием и внедрением САПР;

К_Е – предпроизводственные затраты на САПР, связанные с трудоемкостью ее разработки;

Е_Н – нормативный коэффициент.

Рассматриваемый критерий может принимать как положительные, так и отрицательные значения. Однако он имеет тенденцию к возрастанию. Критерий эргономичности САПР равен отношению реализуемой эффективности системы к максимально возможной эффективности этой системы. Он представляет собой зависящую от времени функцию, стремящуюся к 1. Данный критерий можно трактовать как КПД человека в системе.

ЛЕКЦИЯ 7

СППР (Системы Поддержки Принятия Решений)

Математическое моделирование объектов применяется, как правило, для расчета и выбора оптимальных параметров объекта или системы, при условии, что построение математической модели возможно, и для условий статистики. Если построение математической модели невозможно, то применяют статистические методы и методы нейро-сетевого подхода. Также для проведения задачи анализа в настоящее время получили широкое распространение СППР (Системы Поддержки Принятия Решений), СПР и экспертные системы, которые строятся на принципах искусственного интеллекта, в основе лежит продукционный подход, семантические сети и фреймы, и языки искусственного интеллекта (Prolog и Lisp). Фреймы – совокупности взаимосвязанных данных, позволяющих точно определить характер объекта. СППР и экспертные системы могут включать в себя одновременно весь спектр вышеуказанных моделей и средств.

Существует множество определений СППР, отражающих точки зрения представителей различных дисциплин и научных школ. Так СППР может определяться, как ''основанная на использовании моделей совокупность процедур по обработке данных и суждений, помогающих руководителю в принятии решений''.

В некоторых случаях предлагается рассматривать СППР в качестве ''интерактивных автоматизированных систем, которые помогают лицам, принимающим решения, использовать данные и модели, чтобы решать неструктуризованные проблемы''. СППР может выглядеть как ''компьютерная информационная система, используемая для поддержки различных видов деятельности при принятии решений в ситуациях, где невозможно или нежелательно иметь автоматическую систему, которая полностью выполняет весь процесс решения''. Большинство исследователей согласны, сто СППР предназначены для решения слабоструктуризованных проблем.

В процессе принятия решений возникла необходимость в субъективных, экспертных моделях, которые могут быть крайне полезны для ЛПР. Возникла также необходимость в учете знаний многих экспертов, в анализе принятых ранее решений. В структуре СППР появился блок ''база знаний'' (БЗ), и такие системы получили название ''интеллектуальных''.

Развитие технических программных средств, позволяющих ''индустриализировать'' технологию создания новых систем, привело к формированию еще одной точки зрения на СППР, которая получила название ''адаптивного проектирования''. Сторонники этого подхода считают, что термин СППР имеет право на существование только в тех случаях, когда ''конечная система'' возникает в ходе адаптивного процесса проектирования и внедрения.

Процесс принятия решений.

ТПР, а следовательно, и СППР подразумевает под собой использование процесса, представленного на рис.1.

Рис.1.Процесс принятия решения.

Мы начинаем с некой существующей проблемы решения, с которой столкнулся человек, которому необходимо принять это решение. Наше внимание направлено на то, чтобы применить последовательность видимых шагов для внесения ясности, применительно к ситуации, когда человек, которому необходимо принять решение, смог предпринять рекомендованные действия.

Первый шаг (постановка задачи) – формальная модель той реальной ситуации, с которой столкнется ЛПР. Мы назовем это формальное представление проблемы ''базой объективных и субъективных моделей''. В основе решения лежит процесс, направленный на выделение альтернативных подходов к решению проблемы, которые логически согласуются с базой знаний (БЗ) и отсюда рекомендуются для дальнейшего анализа. Затем нам предстоит усовершенствовать оценку анализов с тем, чтобы достичь интуиции, почему предложенный альтернативный подход не только является логически правильным, но и выглядит убедительным, что человек будет действовать в полном соответствии с ним. Оценка может содержать некоторые варианты анализов с тем, что оценка действительно соответствует содержанию проблемы. В какой-то момент, оценка покажет, что предложенный альтернативный подход настолько верен, что для ЛПР нет смысла продолжать анализ.

Целью процесса является синтез основы решения. Рисунок 2 более детально демонстрирует роль ''базы объективных и субъективных моделей''. Основа включает в себя три части: альтернативный подход, который выбрал ЛПР; доступная информация и предпочтения, отдаваемые ЛПР.

Рис.2. Выявление и оценка БД.

Концептуальные модели.

Анализ существующих точек зрения на специфические отличия СППР от других типов автоматизированных систем в системах проектирования позволяет выделить в качестве оснований классификации СППР следующие наиболее существенные признаки:

концептуальные модели;

решаемые задачи;

обеспечивающие средства;

области применения.

В рамках информационного подхода СППР в промышленных САПР и САИТ относят к классу автоматизированных информационных систем, основное назначение которых – улучшить деятельность работников умственного труда в организациях путем применения информационной технологии.

Рис.3. Концептуальная модель СППР (информационный подход).

Важной особенностью СППР в промышленных САПР и САИТ является их способность формировать модели для принятия решений. Предполагается, что в БМ следует встраивать не локальные модели, а модели объединенные с БД. Процедуры моделирования должны обеспечивать гибкость построения моделей и легкость управления ими, а система управления – возможность обслуживать широкий спектр моделей, быстро и легко создавать новые модели, управлять БД с помощью функций управления.

Отличительной особенностью СППР в промышленных САПР и САИТ, которые основаны на знаниях, является, по мнению их создателей, явное выделение отсутствовавшего ранее аспекта поддержки решений: способности к ''пониманию'' проблемы, извлечь информацию и подготовить ответ. Степень участия программных средств человеко-машинной системы в этом процессе предлагается рассматривать в качестве грубой меры ИИ СППР.

Рис.4.

КП СППР (подход, основанный на знаниях).

Возросшее внимание к методам разработки и внедрения СППР в промышленных САПР и САИТ обусловило появление инструментального подхода в концептуальных моделях СППР.

Можно выделить три условия систем:

Специализированные САПР (работают конечные пользователи; поддержка решения отдельных прикладных программ (задач) в конкретных ситуациях);

СППР-генераторы (пакеты связанных программных средств поиска и выдачи данных);

СППР-''инструментарий'' (высший уровень технологичности – языки, совершенные ОС, средства ВВ и прочее).

ЛЕКЦИЯ 8

Программный пакет P-CAD

Система P-CAD 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. Сегодняшняя версия системы позволяет проектировать плату, содержащую до 500 компонент и 2 тысячи поэлементной связи.

Структурная схема системы:

В структуру входят следующие пакеты:

1. пакет для проектирования принципиальных электрических схем и создания образов электронных компонентов;

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

3. программа-соединение взаимосвязанных таблиц межэлементных соединений, находящихся в различных БД, в единую БД всей принципиальной электрической схемы;

Описание алгоритма проектирования модуля в системе P-CAD:

Исходными данными для проектирования являются:

1. техническое задание на разработку модуля;

2. библиотека электронных компонентов;

3. параметры символьных отображений компонентов, находящиеся в соответствии с конструктивно-технологическими образами этих компонентов;

4. принципиальная электрическая схема модуля и перечень используемых элементов.

Этапы:

I. начальная настройка системы

- заготовка файла, содержащего имена всех используемых компонентов;

- все символьные отображения компонентов;

- все конструктивно-технологические отображения компонентов;

- задание ограничителя формата принципиальной электрической схемы;

- описывается используемый конструктив, то есть задаются размеры используемой печатной платы, стратегия трассировки сигнальных соединений;

- все данные заносятся в предварительно созданный справочник проектируемого модуля.

II. коррекция библиотек системы. Перед началом проектирования необходимо убедиться, что все компоненты в данном модуле описаны в эталонной библиотеке. Описание состоит из 2-х частей: символьное и конструктивно-технологическое описание компонента.

- создание символьного описания компонентов УГО:

1. обозначение контактов;

2. введение текстовых обозначений;

3. установки рабочих параметров;

4. построение графического изображения;

5. задание ключевой точки (левый нижний / правый верхний контакт);

6. введение информации об установке вентилей в корпусе;

7. запись созданного описания.

- построение конструкторско-технологического образа компонента:

1. введение конструкторско-технологических обозначений;

2. построение графического изображения;

3. введение текстовых обозначений;

4. установки рабочих параметров;

5. задание ключевой точки (левый нижний / правый верхний контакт);

6. введение информации об установке вентилей в корпусе;

7. запись созданного описания.

III. построение принципиальной электрической схемы:

- установка рабочих параметров;

- вызов файла формата чертежа;

- размещение элементов схемы на поле чертежа;

- построение графического отображения электрических связей;

- введение конструкторских обозначений элементов;

- запись созданной схемы.

IV. выделение списка целей принципиальной электрической схемы. В результате работы этой программы создается файл электрических соединений;

V. создание библиотеки описания элементов. С помощью текстового редактора строится / корректируется символьный файл, содержащий перечень используемых компонентов и соответствующих им файлов символьных и конструкторско-технологических образов.

VI. подготовка конструктива (задание его размеров);

VII. упаковка вентилей. Выполняется процедура, которая производит упаковку вентилей по корпусам на основе списка электрических связей и подсоединяется конструктив платы.

VIII. создание Базы Данных проекта, в которую входят:

- конструктив с не установленными компонентами;

- командный файл для коррекции принципиальной электрической схемы;

- файл ошибок;

- набор файлов для программы выпуска справочно-статистической документации.

Все эти данные формируются автоматически в результате выполнения предыдущих пунктов.

IX. размещение компонентов по полю конструктива. Задача размещения сводится к расстановке корпусов элементов на поле платы с учетом показателя / критерия минимума длины сигнальных соединений. Этот критерий является косвенным критерием сложности задачи трассировки, однако, на сегодняшний день наиболее оптимальным является критерий равномерного размещения элементов с точки зрения средней длины сигнальных соединений. Ресурсы при решении задачи размещения требуются на то, чтобы в дальнейшем обеспечить 100% трассировку соединений.

Автоматическое размещение элементов состоит из следующих шагов:

- настройка программы на конкретный проект;

- загрузка проекта;

- расстановка закрепленных элементов. Закрепленными называются элементы, которые могут устанавливаться в общем случае вне сетки размещения элементов (в любом месте платы) и место положения которых в дальнейшем менять нельзя. Примером может служить процессор;

- указание сетки размещения элементов (шаг по горизонтали и вертикали);

- указание элементов подлежащих автоматической расстановке;

- создание барьеров для размещения, с помощью которых выделяют области на плате, размещение в которых недопустимо (так как проходят много соединений и нужны отверстия для крепления станка), в том числе это расстояние от краев платы и разъемов платы;

- описание характеристики расположения регулярных элементов и элементов обвязки. Элементы обвязки располагаются по периметру платы или кристалла.

- указание свободных зон вокруг размещаемых элементов;

- начальная расстановка элементов по узлам сетки размещения;

- при необходимости проводятся улучшения качества размещения элементов на основе итерационного алгоритма попарных перестановок как самих корпусов элементов, так и взаимозаменяемых вентилей в одноименных элементах;

- ручная коррекция полученного размещения;

- запись полученного размещения.

X. прокладка шин питания и формирование зон запрета. Производится формирование зон запрета на коммутационном поле платы для трассировки соединений. Эти зоны могут указываться как для каждого слоя платы отдельно, так и на все одновременно, и тогда они имеют одну и туже конфигурацию. Шины земля и питание, если плата двухслойная, располагаются параллельно между рядами микросхем, а если плата многослойная, то для них выделяются отдельные слои. Шины земля и питание, как правило, шире сигнальных проводников, их ширина может быть 3-5мм.

XI. трассировка соединений. Самый сложный этап во всем цикле разработки платы.

- настройка технологических параметров трассировки;

- настройка параметров алгоритма (используется волновой алгоритм):

1. выбор весовых коэффициентов алгоритма;

2. выбор типа алгоритма трассировки (лучевой, канальный, полный);

3. задание числа итераций (циклов прохода задач трассировки);

4. приведение в соответствие типов используемых проводников и графических образов контактных площадок. Имеется в виду, что на конце каждого проводника находится контактная площадь круглой или квадратной формы, которая должна соответствовать условиям производства;

5. выбор ширины сигнальных проводников (в настоящее время можно обеспечить ширину до 0,625мм).

- запуск процедуры трассировки и запись результатов. Существует возможность ручной корректировки результатов трассировки.

XII. формирование информации о печатной плате. К выходной информации относят то, какую документацию передать на производство в дальнейшем.

- принципиальная электрическая микросхема;

- перечень используемых элементов (спецификации в виде текстового файла);

- рисунок топологии печатной платы;

- Техническое Задание на разработку платы, в котором должно быть указано:

1. конструктив;

2. форма лицевой напели с установленными элементами, разъемами и надписями.

3. вид обратной панели и индивидуальные особенности реализации проекта.

Недостатки системы P-CAD:

1. отсутствие автоматических средств возврата к различным этапам проектирования при обнаружении ошибок и соответствующей коррекции результатов предыдущих этапов проектирования;

2. графический редактор системы, как правило, неустойчиво работает на краях поля трассировки;

3. возможные ошибки при копировании и вращении всего проекта.

Достоинства системы P-CAD:

1. Система P-CAD одна из самых экономичных по установочным требованиям система;

2. низкая цена системы;

3. установлена на многих предприятиях, а значит между предприятиями легко проводить обмен данными.

ЛЕКЦИЯ 9

Дата добавления: 2014-11-26