Новые возможности в свете последних достижений.
Великолепные достижения современной информатики, большое количество и значительный ассортимент программных продуктов позволяют строить процесс проектирования, в том числе и электронных устройств, на новом, совсем недавно недоступном, уровне. Обобщая свой опыт разработчика и доступные знания современных достижений, попробуем виртуально синтезировать автоматизированное рабочее место проектировщика изделий электронной техники.
Выбор комплекса необходимых программных продуктов и анализ качества их работы.
Необходимыми составными частями предлагаемого автоматизированного рабочего места (АРМ) являются графический, топологический и текстовый редакторы, а также пакет программ схемотехнического моделирования.
Сердцем нашего виртуального АРМ выбираем графический редактор, а именно AutoCAD200X фирмы AutoDesk. Как и положено сердцу, редактор работает просто прекрасно, спасибо его создателям. Более того, дружеское и квалифицированное присутствие его создателей ощущается в процессе всей работы. Действительно, трудно найти такой режим работы конструктора, который бы не предусмотрели специалисты AutoDesk. Интерфейсное окно одного из замечательных продуктов AutoDesk, а именно, AutoDesk Mechanical Desktop 2004 с примером трехмерного отображения сборочного чертежа платы, приведено на рисунке 1.
Рис. 1. Интерфейсное окно AutoDesk Mechanical Desktop 2004 с примером трехмерного отображения сборочного чертежа платы
Руками нашего создания будут являться топологический и текстовый редакторы.Правой рукой назначаем топологический редактор, а конкретно PCAD200X. Что можно сказать о качестве работы редактора? Основным и несомненным достоинством в его работе является наличие функции автотрассировки (особенно при наличии программы SPECCTRA). Действительно, получение готовой топологии платы на основе схемы электрической принципиальной и грамотно составленного задания является значительным шагом в автоматизации и, соответственно, облегчении работы тополога, тем более в таком рутинном сегменте разработки. Интерфейсное окно с примером топологии печатной платы приведено на рисунке 2.
Рис. 2. Интерфейсное окно PCAD200X PCB с примером топологии печатной платы
Левой рукой у нас будет текстовый редактор. Несомненным лидером в этой номинации является Microsoft Word, его и возьмем в помощники. Пример оформления КД в Microsoft Word представлен на рисунке 3.
Рис. 3. Пример оформления КД в редакторе Microsoft Word
Ну а головой, конечно же, является пакет программ схемотехнического моделирования. С середины 90-х годов прошлого века автор успешно эксплуатировал пакет Design Lab, добиваясь значительно большей производительности, чем в современных OrCAD 9.X, OrCAD 10, причем на менее мощных компьютерах. Ну что же, приходится только мириться с некоторыми "дикими" зигзагами развития рынка.Безусловно, достоинством семейства OrCAD является наличие программы схемотехнического и функционального моделирования Capture OrCAD. Интерфейсные окна Capture OrCAD и Probe OrCAD с примерами приведены на рисунках 4 и 5.
Рис. 4. Подготовленная для моделирования в среде Capture OrCAD схема мостового инвертора
Рис. 5. Пример результатов моделирования, выведенный в среде OrCAD Probe
Таким образом, мы выбрали необходимые составные части для построения намеченной системы. Далее рассмотрим возможные структуру построения, алгоритм работы, выполняемые функции и примеры выполнения наделяемых функций.
Возможный вариант структуры построения АРМ и примеры выполнения наделяемых функций.
Теперь последовательно рассмотрим вопрос: "А что же, в конце концов, мы хотим получить?"
Поставлена задача создания автоматизированного рабочего места многопрофильного конструктора электронных изделий для сквозного проектирования от этапа моделирования до выпуска конструкторской и, в случае возможности, технологической документации.
Разделим поставленную задачу на ряд функциональных заданий:
- Предлагаемое виртуальное АРМ должно представлять собой функционально законченный пакет программ.
- Оно должно обеспечивать совместную работу всех входящих в него редакторов и пакетов.
- Виртуальная система осуществляет трансляцию рабочих файлов внутри пакета.
- АРМ производит сквозную идентификацию разработок.
- В состав системы должен входить комплекс подпрограмм, обеспечивающий целый ряд дополнительных функциональных возможностей, недоступных вне системы.
На основе данного ряда функциональных заданий разработан вариант структурной схемы АРМ, приведенный на рисунке 6.
Рис. 6. Структурная схема функциональных связей между программами, составляющими автоматизированное рабочее место
Пункты 2,3 и 4 перечня функциональных заданий обеспечиваются технологическими операциями программного свойства. Что же касается пункта 5, то уделим ему большую часть нашего внимания, он этого вполне заслуживает.
Начиная последовательное рассмотрение, обратим наше внимание на связь между двумя редакторами - графическим редактором AutoCAD200X и текстовым редактором Microsoft Word. Результат их основного функционального взаимодействия в виде выпускаемой конструкторской документации представлен на рисунке 3. Нас же интересуют новые функциональные возможности, которые можно реализовать в общем комплексе программ.Для того, чтобы понять новые общие возможности, рассмотрим предоставляемые частные. Итак, новым достижением графического редактора AutoCAD200X является возможность трехмерного отображения. Отнюдь не новым, но весьма полезным приобретением офисного пакета Microsoft являются электронные таблицы Excel. Совместив возможности обоих продуктов, можно реализовать новые возможности, весьма необходимые в отображении технологических процессов микроэлектроники. То есть, представив объемные данные в трех направлениях посредством вычисления интересующей линейной переменной с отображением информации в каждом из интересующих направлений, можно получить информацию о трехмерном технологическом процессе и преобразовать ее в стандартный вид технологической документации. Пример существующей разновидности технологической документации, характеризующийся ручным заполнением данной полезной опции, представлен на рисунке 7.
Рис. 7. Пример сопроводительного листа, как образца технологической документации
Далее рассмотрим взаимодействие графического редактора AutoCAD200X и топологического редактора PCAD200X. Пример образца конструкторской документации, созданный при совместном участии обоих редакторов представлен на рисунке 8.
Рис. 8. Плата формирователя
Однако общие возможности данных программных продуктов неизмеримо выше. Сошлемся в частности на статью "Оптимизация электромагнитной совместимости электронных устройств на основе 3D отображения и классической теории цепей с распределенными параметрами"// Компоненты и технологии/ 2004/ №3. Рассмотренные в данной статье вопросы взаимного использования рассматриваемых редакторов позволяют построить на их базе программный элемент, осуществляющий заключительный этап проектирования - этап электромагнитной оптимизации.
Еще одной полезной опцией, реализуемой в составе нашего комплекса графическим редактором AutoCAD200X, может явиться возможность виртуальной компоновки электронных устройств. Этот процесс описан в статье "Трехмерное отображение в электронике - варианты использования и возможные направления развития"// Компоненты и технологии/ 2005/ №5.
Наличие функции автотрассировки в топологическом редакторе PCAD200X очень заманчиво использовать в процессе разводки топологии в микроэлектронике. Действительно, количество задействованных слоев и топологические нормы удовлетворяют поставленным задачам. Комплекс заданий на разводку обеспечивает предъявляемые требования. Необходимо обеспечить только трансляцию файлов между топологическим редактором микроэлектроники и редактором автотрассировщика. Рассмотрим предоставляемые возможности на примере разводки коммутирующего слоя базового матричного кристалла (БМК).
Допустим, нам необходимо создать микросхему на основе БМК, принципиальная электрическая схема которой представлена на рисунке 9.
Рис. 9. Схема электрическая принципиальная условной микросхемы
Дальнейшие наши действия по разводке облегчаются самой структурой БМК. Дело в том, что БМК представляет собой заготовку микросхемы со сформированными активными и пассивными элементами. Месторасположение контактных окон (электродов) строго фиксировано, а расположение наборов отдельных элементов регулярно (в виде матрицы) повторяется, что значительно облегчает составление задания и сам процесс разводки. Запустив процесс автотрассировки под оболочкой PCB PCAD200X, мы получаем файл разводки с расширением .pcb. Для получения конструкторской документации необходимо оттранслировать его в AutoCAD, а для получения технологического инструмента (фотошаблона) - в топологический редактор микроэлектроники. Отображение полученной топологии под оболочкой AutoCAD представлено на рисунке 10.
Рис. 10. Топология условной микросхемы под оболочкой AutoCAD
Вышесказанное относится к классу полузаказных микросхем, для заказных микросхем процесс автоматического проектирования значительно усложняется. Действительно, в отсутствие сформированных и конкретно размещенных элементов задача проектирования микросхем многократно усложняется. Однако достижения информатики позволяют формализовать задание на проектирование, а, следовательно, автоматизировать и этот процесс. Но этот вопрос чрезвычайно объемен и заслуживает отдельной статьи.
Алгоритмы работы, выбранные исходя из поставленных целей.
Описанные выше функциональные возможности отсутствуют в каждой из составных частей нашего АРМ, однако они присутствуют в пакетах программ некоторых машинных станций и платформ типа UNIX, Hewlett-Packard и других. И хотя их стоимость и стоимость предлагаемого комплекса разнятся многократно, ставится задача осуществления таких функциональных возможностей, которые бы не только превосходили аналоги, но и переводили бы систему на качественно новую более высокую ступень
За теоретическую основу примем статью автора "Интеллектуализация" электронных устройств.// Компоненты и технологии/ 2005/ №3. Действительно, производительность современных персональных компьютеров позволяют наделить уже не электронные устройства, а рассматриваемый программный комплекс абсолютно новыми свойствами. Определим появление комплекса новых свойств как "интеллектуализацию программного продукта"
С целью построения алгоритмов действия промоделируем процесс разработки, осуществляемый человеком, и попробуем перенести выявленные закономерности в деятельность создаваемого продукта.
Итак, начнем последовательно с этапа получения задания. Получив задание, человек ищет в памяти (своей базе данных) аналоги заданию, с целью его возможного выполнения путем модернизации. Рассмотрим программное осуществление данного этапа. Сразу же встает вопрос о виде получаемого задания. И тут весьма кстати может оказаться библиотека функциональных элементов ABM оболочки Capture OrCAD. Интерфейсное окно приведено на рисунке 11.
Рис. 11. Интерфейсное окно, иллюстрирующее размещение функциональных элементов из библиотеки ABM
Дополнив графическое обозначение кратким формализованным описанием, мы получим элемент идентификации для АРМ. Этот элемент будет использоваться не только при вводе задания, но и для краткого формализованного описания разработанных продуктов. Пример представлен на рисунке 12.
Рис. 12. Пример функционального отображения фильтра нижних частот
Храниться он будет в отдельной библиотеке, а задействован будет для идентификации разработок. Механизм идентификации на начальном этапе будет несовершенен из-за недостаточной формализации задействованных в процессе данных. Но попробуем обойти эти трудности, используя информационную избыточность, то есть, если не удается идентифицировать разработку с помощью системы графических обозначений, то используется система формализованного описания. Алгоритм предлагаемого процесса проиллюстрирован рисунком 13.
Рис. 13. Алгоритм процесса идентификации
После процесса идентификации наступает этап конкретного сопоставления полученных в задании данных и параметров идентифицированной разработки. С этой целью мы переходим от функциональных моделей к моделям, построенным на основе схем электрических принципиальных. Эти модели могут предоставить нам интересующие нас данные. Вот тут мы сразу же вспоминаем, что рабочее место у нас автоматизированное, а не автоматическое. Дело в том, что огромный объем используемой информации различного вида, и сложнейшие алгоритмы действий не позволяют автоматизировать этот процесс на современном этапе. Да и, в конце концов, разработчик должен продемонстрировать творческое начало. Но и в этом случае современные программные продукты могут оказать неоценимую помощь. Одним из таких инструментов является директива вариации параметров программы Spice (пример представлен на рисунке 14). Но целью статьи является не обучение пользователей, а стремление показать возможность создания высококачественного программного продукта. Поэтому идем дальше.
Рис. 14. Интерфейсное окно установки параметров многовариантного анализа в OrCAD Capture
Теперь мы коснемся еще одного способа разработки, который может быть автоматизирован. Нельзя забывать о синтезе, а в нашем случае о компоновке функциональной схемы разрабатываемого изделия из функциональных библиотечных элементов. На основании вышесказанного строится алгоритм функционального синтеза с локальным добавлением функциональных элементов, разработанных конкретно под рассматриваемое задание. Он представлен на рисунке 15.
Рис. 15. Алгоритм функционального синтеза
В качестве пояснения к рисунку необходимо отметить, что матрицей функциональных элементов является временная библиотека, содержащая помещенные в нее в процессе синтеза элементы и имеющая связь со всеми составляющими частями АРМ. Термин "матрица" используется из-за функциональных особенностей библиотеки. Матрица может легко модифицироваться и копироваться.
Никакой интеллект не может обойтись без такого мощного аналитического инструмента как анализ. В случае нашего программного продукта он может быть реализован нижеприведенным образом.
Необходимым условием для начала процесса анализа является наличие самого предмета анализа. В нашем случае он должен быть представлен в виде функциональной модели. Пример условной функциональной модели приведен на рисунке 16.
Рис. 16. Пример условной функциональной модели
Далее, выбрав любой функциональный элемент из функциональной модели (рисунок 17), мы находим соответствующие ему части и узлы общей разработки в каждом из задействованных редакторов.
Рис. 17. Выбранный элемент функционального анализа
Конечно, можно выделить интересующий элемент и поместить его в отдельную библиотеку в каждом редакторе. Но с целью экономии занимаемого объема памяти предлагается другой путь. Мы помечаем интересующий нас объект интегрировано во всех используемых редакторах и храним эту информацию в виде сноски. Такой маневр позволяет не только сэкономить память, но легко найти и представить интересующий нас фрагмент информации. Пример схемы электрической принципиальной рассматриваемого элемента представлен на рисунке 18. Данное отображение явилось продуктом совместной работы трех редакторов: OrCAD 9.X, AutoCAD200X и Microsoft Word.
Рис. 18. Схема электрическая принципиальная рассматриваемого элемента
Фрагмент топологии, условно соответствующий части микросхемы, предлагается вашему вниманию на рисунке 19.
Рис. 19. Фрагмент топологии, относящийся к рассматриваемому объекту
Данный фрагмент явился детищем топологического редактора микроэлектроники и AutoCAD200X.
Ну а интересующие нас значения выходных параметров при заданных входных мы видим на рисунке 20 при помощи OrCAD 9.X и Microsoft Word.
Рис. 20. Напряжение выходного сигнала условного фрагмента
Вернемся к понятию "интеллектуализация программного продукта". Основным принципом этого понятия является создание совместной базы данных, включающей интегрированные библиотеки разработок во всех редакторах и идентификационную библиотеку функциональных элементов. Кроме этого данное понятие подразумевает возможность выполнения рассмотренных выше операций идентификации, функционального синтеза и анализа и, конечно же, накопления и хранения информации. То есть программный продукт наделяется мощным инструментарием, свойственным, прежде всего, человеческому интеллекту. В то же время замыкается обратная связь использования самого программного продукта, так как работать с огромными базами данных без помощи компьютера становится просто нереально. Выбранная автором виртуальная форма представления позволяет наглядно показать все предлагаемые возможности и реальность создания АРМ. Причем, если детально рассмотреть предлагаемую идею, то, безусловно, можно найти значительное количество и других функциональных возможностей.
Заключение.
В заключение, по закону жанра, хотелось бы несколько отвлечься. Если обратить внимание на достижения данного направления, то подавляющее место в нем занимают зарубежные продукты. Да что там, даже в данной статье приведены ссылки отнюдь не на отечественные программные продукты. Главной целью данного опуса является желание помочь "отечественному производителю".
Попробуем разобраться, как это желание можно осуществить. Предлагаемое АРМ окажется полезным системотехникам, схемотехникам, конструкторам, топологам и технологам. Пользователю не обязательно "заряжать" четыре, пять редакторов. Можно обойтись минимально количеством, необходимым для работы. Но сами закладываемые в предлагаемый программный продукт принципы не только адекватны возникающим в процессе разработки задачам, но и переводят процесс разработки на более высокий уровень. Внедрение проекта позволит не просто значительно автоматизировать процесс разработки и создавать интегрированные библиотеки разработок, но и создать рынок разработок, не имеющий аналогов.
Далее хотелось бы привлечь внимание отечественных разработчиков программных продуктов. Есть повод отличиться. Ведущие мировые производители имеют свои фирменные пакеты: AutoDesk - AutoCAD200X, Cadence - OrCAD. Предлагаемое решение может лечь в основание не менее значительного продукта за счет более высокого уровня функционального решения. Новый уровень предполагает создание новых стандартов, причем как программных продуктов, так и разработки конкретных изделий. Хотелось бы отметить, что интеграция с названными производителями выгодна всем. Производители используемых редакторов поднимаются на новый уровень использования, даже не меняя их. Ну а создатель нового продукта будет иметь все соответствующие случаю дивиденды.Как специалист в своей области, автор предлагает "электрическую" версию продукта, но используя опыт AutoDesk и знания соответствующих специалистов, можно создать и "механическую" версию.
Источники
- Силкин В. Оптимизация электромагнитной совместимости на основе 3D отображения и классической теории цепей с распределенными параметрами // Компоненты и технологии/ 2005 / № 2.
- Силкин В. "Интеллектуализация" электронных устройств // Компоненты и технологии / 2005 / №3.
- Силкин В. Трехмерное отображение в электронике - варианты использования и возможные направления развития // Компоненты и технологии / 2005/ №5.
Автор:Силкин Владимир