|
|
 |
Диплом: Разработка и исследование подсистемы учебно-исследовательской САПР РЭА (Quatro Pro)
Диплом: Разработка и исследование подсистемы учебно-исследовательской САПР РЭА (Quatro Pro)
РЕЦЕНЗИЯ
на дипломную работу на тему:
"Разработка и исследование подсистемы
учебно-исследовательской САПР РЭА"
Горбач Дмитрия Александровича,
студента тр.Р-53, специальности "Радиотехника"
Дальневосточного Технологического института.
Представленная на рецензию дипломная работа содержит по-
яснительную записку в объеме 102 страницы печатного текста,
включая 37 илл., 7 таблиц, 14 библ. и 6 листов графического
материала формата А3.
В настоящее время в промышленности широкое распростране-
ние получили различные системы автоматизированного проектиро-
вания (САПР). В частности, для проектирования печатных плат
(ПП) широко используется система P-CAD, разработанная фирмой
Personal CAD System.
При подготовке специалистов радиотехнических специаль-
ностей целесообразно организовать учебную исследовательскую
работу студентов на системах автоматизированного проектирова-
ния промышленного уровня.
В связи с этим, представленная на рецензию дипломная ра-
бота является актуальной.
В работе приводится обзор современных алгоритмов, исполь-
зуемых на различных этапах радиотехнических САПР - при расчете
конструктивного объема РЭА, компоновке печатных плат и их
трассировке. На примере разработки двух блоков, отличающихся
составом элементной базы, произведены исследования возмож-
ностей программ пакета P-CAD. Приведена методика компоновки в
автоматическом и интерактивном режимах программы PC-PLACE, оп-
ределена последовательность действий оператора, позволяющая
достичь максимального использования ресурсов печатной платы.
Дан сравнительный анализ алгоритмов трассировки программы
PC-ROUTE. Расчет экономической эффективности САПР с применени-
ем данного пакета убедительно показывает снижение трудоемкости
работы проектировщиков более чем в два раза.
Дипломником самостоятельно разработана программа, содер-
жащая описания большого количества РЭК, позволяющая рассчитать
конструктивный объем проектируемых изделий и размеры печатной
платы, что не позволяет сделать система P-CAD.
Пояснительная записка содержит большое количество рисун-
ков, выполненных средствами компьютерной графики, в частности
в пакетах P-CAD, Picture Maker, Paint Brush и др.
Графический материал представлен плакатами, исполненными
на плоттере под управлением программы PC-PLOT. Подготовлен ряд
демонстрационных слайдов, поясняющих ход экспериментов и наг-
лядно отображающих результаты исследований.
Результаты работы - методика исследований и данные экспе-
риментов - могут быть использованы при организации курса лабо-
раторных работ на основе пакета P-CAD, а так же будут полезны
разработчикам РЭА, использующим эту систему.
Дипломная работа заслуживает оценки "Отлично", а диплом-
ник Горбач Д.А. присвоения квалификации радиоинженера.
Начальник отдела САПР
АО Приморгражданпроект И.В.Третьяков
.
Дальневосточный технологический институт
Кафедра радиоэлектроники и компьютерной техники
"УТВЕРЖДАЮ"
Зав.кафедрой
____________________
"___"__________ 1993г.
З А Д А Н И Е
на дипломное проектирование
студенту Горбач Дмитрию Александровичу
1. Тема работы: Разработка и исследование подсистемы
учебно-исследовательской САПР РЭА.
Утверждена приказом по институту No 191/1 от 22.03.93.
2. Срок сдачи работы 01.06.93
3. Техническое задание к работе
3.1. Цель: исследование и разработка подсистем и
звеньев учебно-исследовательской САПР РЭА.
3.2. Решаемые задачи: обзор алгоритмов и методов
конструирования печатных плат; pазpаботка пpогpаммы pасчета
констpуктивного объема РЭА; исследование алгоритмов, использу-
емых в системе автоматизированного проектирования на основе
пакета P-CAD; технико-экономическое обоснование внедpения
pассматpиваемой САПР в пpомышленное пpоизводство.
4. Работа представляется пояснительной запиской и гpафи-
ческим матеpиалом.
5. Содержание пояснительной записки: введение; обзоp ал-
гоpитмов, используемых в САПР РЭА (pасчет констpуктивного объ-
ема, модель печатной платы, алгоpитмы компоновки и тpассиpовки
печатных плат); исследование методов пpоектиpования и алгоpит-
мов, используемых в САПР РЭА на основе пакета P-CAD; экономи-
ческое обоснование внедpения pассматpиваемой САПР в пpомышлен-
ное пpоизводство; пpиложения (пpогpамма pасчета констpуктивно-
го объема РЭА, стpуктуpы баз данных пpогpаммы).
6. Перечень гpафического матеpиала (плакаты формата А3):
1) Пример I. Блок видеомагнитофона. Схема электрическая прин-
ципиальная;
2) Пример I. Компоновочный эскиз печатной платы.
3) Пример I. Трассировка в слое COMP.
4) Пример I. Трассировка в слое SOLDER.
5) Диаграмма - сравнение эффективности алгоритмов трассировки.
6) Диаграмма - снижение трудоемкости при внедрении САПР.
7. Консультант по экономическому разделу работы
_______________________________________ Бешенцева О.В.
Дата выдачи задания 10.03.93.
Руководитель дипломного проектирования
_______________________________________ Колесник Н.Я.
.
АННОТАЦИЯ
Горбач Д.А.
Разработка и исследование подсистемы
учебно-исследовательской САПР РЭА.
Дипломная работа. ДВТИ, 1993, 102 с., 37 илл.,
7 табл., 14 библ., 6 пл.
Цель дипломной работы - исследование и разработка
подсистем и звеньев учебно-исследовательской САПР РЭА на осно-
ве пакета P-CAD, в частности программ компоновки и трассировки
печатных плат, как наиболее трудоемкого и нуждающегося в авто-
матизации этапа проектирования радиоэлектронной аппаратуры.
В работе приводится обзор современных алгоритмов, исполь-
зуемых на различных этапах радиотехнических САПР - при расчете
конструктивного объема РЭА, компоновке печатных плат и их
трассировке. С целью облегчить расчет конструктивного объема
проектируемых изделий была разработана программа RTN (IBM PC,
Clipper), содержащая описание более 2000 компонентов отечест-
венной элементной базы. На примере разработки двух разнотипных
блоков произведен ряд экспериментов с целью исследовать воз-
можности программ пакета P-CAD. Приведена методика компоновки
в автоматическом и интерактивном режимах программы PC-PLACE,
определена последовательность действий оператора, позволяющая
достичь максимального использования ресурсов печатной платы.
Дан сравнительный анализ алгоритмов трассировки программы
PC-ROUTE. Расчет экономической эффективности САПР с применени-
ем данного пакета убедительно показывает снижение трудоемкости
работы проектировщиков более чем в два раза. При внедрении по-
добной системы на промышленном предприятии срок окупаемости
составит 2-3 месяца.
Результаты работы - методика исследований и данные экспе-
риментов - могут быть использованы при организации курса лабо-
раторных работ на основе пакета P-CAD, а так же будут полезны
разработчикам РЭА, использующим эту систему.
.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
1. АНАЛИЗ АЛГОРИТМОВ САПР ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ 6
1.1. Модель печатной платы для электрических соединений 6
1.2. Алгоритмы компоновки печатных плат 11
1.3. Алгоритмы проектирования печатного монтажа 19
1.4. Способы соединения контактов 39
2. ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В СИСТЕМЕ P-CAD 41
2.1. Постановка задачи 41
2.2. Пример I. Блок видеомагнитофона. 41
2.3. Пример II. Имитатор целей РЛС. 65
3. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ САПР P-CAD 81
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 90
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 92
Приложение I. Программа RTV. 93
.
ВВЕДЕНИЕ
С увеличением степени интеграции современной радиоэлект-
ронной аппаратуры (РЭА) существенно возрастает и трудоемкость
ее проектирования. Это связано с ростом размерности задач, ре-
шаемых в процессе разработки. Эффективным средством решения
этой проблемы является применение компьютерной техники на всех
этапах создания РЭА. В последнее время методы автоматизирован-
ного проектирования, как и радиоэлектроника в целом, находятся
на этапе стремительного совершенствования. Поскольку высокоэф-
фективные компьютеры перестали быть редкостью, методы машинно-
го проектирования постепенно превращаются в инструмент, поль-
зоваться которым может практически каждый.
Инженер по радиоэлектронике и автоматике в условиях тех-
нической оснащенности интеллектуальной деятельности должен
свободно владеть средствами математического и программного мо-
делирования и решения задач проектирования и эксплуатации ап-
паратуры с помощью ЭВМ. При этом, направленное обучение специ-
алистов по использованию компьютерной техники и программного
обеспечения АРМ инженера, является весьма актуальным и
обусловлено широким внедрением в инженерную практику персо-
нальных ЭВМ.
В настоящее время в промышленности широкое распростране-
ние получили различные системы автоматизированного проектиро-
вания (САПР). В частности, для проектирования печатных плат
(ПП), гибридных интегральных схем (ГИС), микросборок (МБС) и
других подобных конструктивов широко используется система
P-CAD, разработанная фирмой Personal CAD System. По оценке
специалистов система P-CAD является несомненным лидером среди
других систем аналогичного назначения, функционирующих на
персональных компьютерах класса IBM PC.
Cистема P-CAD (Personal Computer Aided Design) предназна-
чена для автоматизированного проектирования печатных плат.
Данный пакет включает в себя средства, позволяющие пользовате-
лю создавать описания радиоэлектронных компонентов (РЭК),
электрических принципиальных схем, задавать форму печатной
платы, расставлять РЭК на плате как вручную, так и автомати-
чески, а также производить трассировку печатной платы. Резуль-
таты могут быть выданы на принтер, плоттер, фотошаблон.
- 5 -
$$$
При подготовке специалистов радиотехнических специаль-
ностей целесообразно в курсах по конструированию РЭА (или ана-
логичных курсах) организовать учебную исследовательскую работу
студентов на системах автоматизированного проектирования про-
мышленного уровня, преследуя при этом следующие цели:
- сформировать достаточно полное представление об основ-
ных элементах, структуре и принципах функционирования промыш-
ленных систем автоматизированного проектирования;
- способствовать получению своеобразного "фундамента" для
упрощения в дальнейшем освоения других промышленных систем ав-
томатизированного проектирования.
Необходимость организации такой работы пользователей со
средствами САПР РЭА в диалоговом режиме ставит задачу разра-
ботки учебных систем диалогового проектирования, ориентирован-
ных на дисплейные классы. Рассмотренная система на основе паке-
та P-CAD предназначена для конструирования разнообразных уст-
ройств РЭА и изучения методов и алгоритмов автоматизированного
проектирования.
Целью данной дипломной работы является исследование раз-
личных алгоритмов и методов, используемых пакетом P-CAD для
решения задач размещения радиоэлектронных элементов и трасси-
ровки печатных плат. Эти задачи составляют основу подсистемы
учебно-исследовательской САПР, связанной с вопросами компонов-
ки и топологии, как наиболее трудоемкого и нуждающегося в ав-
томатизации этапа проектирования радиоэлектронной аппаратуры.
.
- 6 -
$$$
1. АНАЛИЗ АЛГОРИТМОВ САПР ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
1.1. Модель печатной платы для электрических соединений
Использование формальных методов проектирования топологии
проводников на монтажных платах требует решения вопросов о
компьютерном представлении модели поверхностей слоев платы.
Необходимым условием корректности модели монтажного
пространства является требование адекватности отображения в
ней всех факторов, определяющих ресурсы и ограничения прообра-
за при проектировании печатного монтажа. К числу основных па-
раметров модели следует отнести: число слоев и размеры каждого
слоя платы, координаты и геометрию контактов, допустимые формы
печатных проводников и минимальные зазоры между ними, зоны
запрета на трассировку.
Наибольшее распространение в практике трассировки получи-
ла ортогональная модель поля платы. Рассмотрим правила постро-
ения такой модели.
Пусть на каждый слой платы, имеющей контакты, проводники
и зоны запрета, наложена некоторая регулярная сетка, образо-
ванная множествами вертикальных и горизонтальных прямых и
состоящая из ячеек размером (dx x dy) каждая.
Каждой ячейке соответствует некоторый признак, значение
которого идентифицирует одну из следующих ситуаций:
- ячейка содержит участок проводника, зоны запрета или контак-
та, то есть ячейка занята и через нее недопустима прокладка
проводника;
- ячейка не содержит перечисленных выше компонент.
Размеры dx и dy выбираются из условия: dx >= Hmin,
dy >= Hmin, где Hmin - минимальное расстояние между осями двух
параллельных сигнальных проводников.
Введенную сетку, покрывающую монтажное пространство слоя
платы, будем называть дискретной сеткой.
Описанная дискретная модель достаточно просто формируется
и представляется в компьютерной памяти с помощью двумерного
числового массива-матрицы, каждый компонент которого взаим-
но-однозначно соответствует одной ячейке сетки. Соответствую-
щий ячейке нулевой код означает, что она свободна для проклад-
ки печатного проводника, ненулевой код устанавливает запрет на
- 7 -
$$$
прокладку.
Платы с двумя и более слоями монтажа программно представ-
ляются в виде трехмерного массива-матрицы M( x, y, z), где
значения индекса z соответствуют номерам слоев платы.
Недостатком матричного отображения монтажного прост-
ранства плат является большой объем компьютерной памяти, тре-
буемый для представления этой модели. Однако до настоящего
времени она остается наиболее популярной.
Рассмотрим вопрос о размещении матрицы в компьютерной па-
мяти и систему адресации ее элементов. Актуальность данного
вопроса связана с повышением быстродействия алгоритмов трасси-
ровки, использующих матричную модель. Для большинства совре-
менных компьютеров характерна векторная структура представле-
ния многомерных массивов (в частности, трехмерных M( x, y, z).
Положение элемента матрицы M( x, y, z) относительно начального
адреса вектора V определяется выражением
kj = (zj - 1) * Xo * Yo + Xo * (yj - 1) + xj (1.1)
где kj - индекс вектора V; Xo, Yo - максимальные значения ин-
дексов x и y для матрицы M.
Представленная схема адресации элементов матрицы в векто-
ре V имеет один существенный недостаток. Действительно, при
распространении волнового фронта (см.п.1.3.6) на каждой итера-
ции обработки очередного элемента выполняется анализ состояния
матрицы в соответствии с рис. 1.2.
В данном случае рассмотрение осуществляется на одном из
слоев, например Zj = 1. Если положить индексы текущего дискре-
та в M( x, y, z), Xj и Yj, то в векторе V этот дискрет займет
положение kj в соответствии с (1.1). Тогда дискреты 1, 2, 3, 4
(рис. 1.2) будут занимать места в векторе V в соответствии со
следующими выражениями:
1. kj = kj + Xo
2. kj = kj + 1
3. kj = kj - Xo
4. kj = kj - 1
.
- 8 -
$$$
Zj = 1 Zj = 2
ЪДДДВДДДВДДДї ЪДДДВДДДВДДДї
3 і G і H і I і 3 і P і R і S і
ГДДДЕДДДЕДДДґ ГДДДЕДДДЕДДДґ
2 і D і E і F і 2 і M і N і O і
ГДДДЕДДДЕДДДґ ГДДДЕДДДЕДДДґ
1 і A і B і C і 1 і J і K і L і
АДДДБДДДБДДДЩ АДДДБДДДБДДДЩ
Yj / 1 2 3 Yj / 1 2 3 ]
Xj Xj
а) б)
V
ЪДДДВДДДВДДДВДДДВДДДВДДДВДДДВДДДВДДДВДДДВДДДВД ДВДДДВДДДї
і A і B і C і D і E і F і G і H і I і J і K і ... і R і S і
АДДДБДДДБДДДБДДДБДДДБДДДБДДДБДДДБДДДБДДДБДДДБД ДБДДДБДДДЩ
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 17 18
Kj
в)
Рис. 1.1. Иллюстрация расположения элементов матрицы в
векторной структуре: а, б - условное представление элементов
матрицы M( x, y, z) (Xo = Yo = 3); в - расположение элементов
матрицы M( x, y, z) в векторной структуре.
ЪДДДї
і 1 і
і і
ЪДДДДДДЕДДДЕДДДДДДї
і 4 2 і
АДДДДДДЕДДДЕДДДДДДЩ
і і
і 3 і
АДДДЩ
Рис. 1.2. Схема анализа соседних элементов.
.
- 9 -
$$$
Очевидно, что такое расположение элементов вектора явля-
ется неудачным, так как требует для анализа этих четырех эле-
ментов четыре команды обращения к памяти. Практика трассировки
показывает, что операции выборки и анализа дискретов при расп-
ространении волнового фронта полностью определяют быстро-
действие алгоритма. Поэтому актуальной задачей является поиск
новых вариантов упаковки элементов массивов в векторы, позво-
ляющих сократить количество обращений к последним.
Одним из решений этой задачи является диагональное
представление рабочего поля платы в компьютерной памяти [1],
где упаковка массива производится по следующей формуле:
kj = [(xj + yj)*Yo + yj + (zj - 1)*Xo*Yo] mod( Zo Xo Yo) (1.2)
где
T, при T < q
T mod(q) = {
(T - q), при T >= q
В 1.2 предполагается, что индексы трехмерной матрицы
M( x, y, z) лежат в следующих диапазонах:
x E [ 0, Xo - 1]
y E [ 0, Yo - 1]
z E [ 0, Zo - 1].
На рис. 1.3 представлена иллюстрация упаковки элементов
матрицы M( x, y, z) в вектор V.
Анализ (1.2) и иллюстрация показывают, что данная упаков-
ка выгодно отличается от предыдущей тем, что элементы, сосед-
ние с каждым текущим (рис.1.2) при распространении волнового
фронта, располагаются в векторной структуре попарно с соседни-
ми. Такое расположение элементов позволяет сократить число об-
ращений к памяти вдвое за счет одновременной выборки пары
соседних элементов. Сопутствующий положительный эффект
представленной упаковки элементов является и то, что программе
поиска пути волновым методом нет необходимости "помнить", на
каком слое находится данный текущий элемент. Переход с любого
- 10 -
$$$
Zj = 1 Zj = 2
ЪДДДВДДДВДДДї ЪДДДВДДДВДДДї
3 і G і H і I і 3 і P і R і S і
ГДДДЕДДДЕДДДґ ГДДДЕДДДЕДДДґ
2 і D і E і F і 2 і M і N і O і
ГДДДЕДДДЕДДДґ ГДДДЕДДДЕДДДґ
1 і A і B і C і 1 і J і K і L і
АДДДБДДДБДДДЩ АДДДБДДДБДДДЩ
Yj / 1 2 3 Yj / 1 2 3 ]
Xj Xj
а) б)
V
ЪДДДВДДДВДДДВДДДВДДДВДДДВДДДВДДДВДДДВДДДВДДДВД ДВДДДВДДДї
і A і R і B і D і S і C і E і G і J і F і H і ... і N і P і
АДДДБДДДБДДДБДДДБДДДБДДДБДДДБДДДБДДДБДДДБДДДБД ДБДДДБДДДЩ
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 17 18
Kj
в)
Рис. 1.3. Иллюстрация расположения элементов матрицы в
векторной структуре при диагональном представлении рабочего
поля.
из двух слоев на другой выполняется всегда корректно при уве-
личении zj на единицу.
И, наконец, диагональное представление модели рабочего
поля позволяет осуществлять эффективный контроль за процессом
распространения волнового фронта, не позволяя значению индекса
элемента выходить за границы размера массива.
.
- 11 -
$$$
1.2. Алгоритмы компоновки печатных плат
1.2.1. Общие вопросы практики компоновки
Компоновка РЭА - размещение в пространстве или на
плоскости ЭЛ, имеющих электрические соединения в соответствии
с принципиальной схемой, и обеспечение допустимого минимума
паразитных взаимодействий, которые не нарушают значения
расчетных выходных параметров РЭА.
Энергетическое несовершенство РЭА по преобразованию энер-
гии источников питания в энергию выходного сигнала (чаще всего
КПД = 10e-3...10e-10) - причина больших тепловыделений, для
отвода которых требуется развитие поверхности конструкций и
высокая эффективность теплоносителя.
Емкостные и индуктивные ЭЛ РЭА требуют для нормальной ра-
боты определенного пространства, в котором при их работе воз-
никают электрические и магнитные поля. Их локализация требует
увеличения объема конструкции РЭА либо использования специаль-
ных экранов.
Сложные условия эксплуатации, энергетическое несовер-
шенство РЭА, необходимость учета при компоновке "объемов"
электрических и магнитных полей - причина усложнения проблем
компоновки ЭЛ РЭА, которая может быть определяющим фактором
при выборе того или иного компоновочного решения РЭА. Поэтому
компоновочными моделями ЭЛ РЭА в целом являются не геометри-
чески адекватные им модели, а модели, геометрически обобщающие
всю совокупность их свойств. Такая модель называется обобщен-
ной геометрической моделью (ОГМ).
Сложность расчета объема и формы ОГМ [2] - причина
использования в практике компоновочных работ упрощенных компо-
новочных моделей в виде установочных объемов Vуст или площади
Sуст ЭЛ. Vуст (Sуст) - прямоугольный параллелепипед (прямоу-
гольник), описанный |
| |
