Средства автоматизации проектирования

Средства автоматизации проектирования

Пакеты для разработки аппаратных средств электронных устройств

Под всеобъемлющим термином «САПР» (система автоматизированного проектирования) в России понимают ряд англоязычных терминов (CAD/CAM/CAE/PDM/TDM/AEC/GIS и т. д.). В процессе автоматизированного проектирования в качестве входной информации используются технические знания специалистов, которые вводят проектные требования, выполняют различные проверочные расчеты, анализируют и уточняют полученные результаты, выполняют модификацию конструкции.

Первые САПР (CAD) были созданы в 1960;х годах и получили наибольшее распространение в электронике и механике. Это объясняется тем, что объекты проектирования в этих областях сравнительно легко формализуются, а результаты проектирования представляют собой программу для станков с числовым программным управлением (ЧПУ), что резко сокращает период между началом разработки и началом серийного выпуска изделия. Сейчас, наиболее широко автоматизированное проектирование используется в машиностроении, архитектуре и строительстве, картографии и кадастре, в электротехнике и электронике.

Перечислим этапы типового цикла проектирования блоков питания электронной аппаратуры можно разбить на несколько этапов:

разработка структурной схемы;

разработка принципиальной схемы, включая моделирование;

предварительное определение конструктивных требований;

разработка печатной платы;

разработка конструктива;

оценка электромагнитной совместимости;

оценка тепловых режимов;

оценка надежности;

изготовление прототипов, отладка и испытания.

В современных условиях почти на всех перечисленных этапах должны использоваться специализированные системы автоматизированного проектирования электронных устройств (Electronic Design Application — EDA). Поэтому основные направления проектирования, можно разделить на следующие задачи:

моделирование смешанных аналого-цифровых устройств;

моделирование и синтез логики для ПЛИС;

схемотехническое и электромагнитное моделирование СВЧ-устройств;

поведенческое моделирование на уровне структурных схем;

проектирование печатных плат;

анализ электромагнитной совместимости;

тепловое моделирование;

средства подготовки печатных плат к производству;

проектирование топологий БИС;

проектирование электротехнических схем и чертежей.

Современные средства проектирования позволяют решать не одну задачу проектирования, а группу задач. Стоимость EDA продуктов сильно зависит от их функциональности, поэтому надо знать основные детали, которые следует иметь в виду при выборе системы проектирования.

Наиболее распространенной задачей при проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ является моделирование аналого-цифровых устройств. Системы моделирования позволяют резко уменьшить объем экспериментальных исследований, для проведения которых требуется приобретение дорогостоящих измерительных приборов, радиодеталей, трудоемкая сборка и длительная настройка макетов.

Применение программ моделирования позволяет всесторонне исследовать разрабатываемые устройства в различных режимах работы (например, в предельно допустимых режимах), что сложно выполнить экспериментальными методами. Результаты макетирования дают ограниченный объем информации о характеристиках разрабатываемой аппаратуры. Экспериментальные исследования отражают характеристики лишь конкретных единичных макетов. Они не позволяют оценить влияние статистического разброса параметров полупроводниковых и других элементов устройства, и поэтому трудно делать обобщающие выводы по результатам макетирования. Экспериментально сложно определить, какие последствия вызовет наихудшее сочетание параметров радиоэлементов, и что произойдет при отказе отдельных радиоэлементов. Опытным путем не просто исследовать влияние дестабилизирующих факторов, например, внешней температуры. Перечисленные проблемы, возникающие при экспериментальных исследованиях, легко преодолеваются путем моделирования работы устройств.

Программы моделирования могут с успехом использоваться и в учебном процессе. Это избавляет от необходимости делать значительные затраты на приобретение оборудования для лабораторных работ, исключает отказы оборудования из-за ошибочной коммутации, позволяет исследовать многие режимы работы устройств, которые недопустимы в реальных макетах.

Кратко рассмотрим назначение и применяемые САПР основных задач проектирования.

Разработка любого электронного устройства начинается с идеи, которая воплощается в виде структурной (укрупненной) схемы. Быстро проверить жизнеспособность и все возможные варианты будущей системы можно с помощью специальных программ функционального моделирования. Как правило, на функциональном уровне важно правильно оценить поведение замкнутых петель обратной связи в схемах регулировки тока или напряжения, начиная с момента включения. Здесь можно порекомендовать программы SimuLink, SysCalc, SystemView, LabView, Hyper-Signal Block Diagram, Dynamo, VisSim которые позволяют построить моделируемую систему из «кубиков» в точной аналогии со структурной схемой.

Обычно работа таких систем представляет собой конструктор, с помощью которого из стандартных «кубиков» строится структурная схема. В библиотеке выбирают нужный модуль, который затем переносят на схему.

После этого этапа проектируются принципиальные схемы самих блоков, осуществляется различные проверки и выбирается элементная база.

Объединение схемотехнического моделирования c функциональным моделированием обладает рядом достоинств, к которым, например для связки в программ MATLAB/Simulink и OrCAD, следует отнести:

моделирование с идеальными моделями, позволяющими доказать работоспособность моделируемого устройства;

моделирование радиоэлектронных проектов с использованием моделей компонентов PSpice;

большая библиотека компонентов для PSpice и блоков для Simulink;

полный доступ к окружающей среде PSpice для проектирования и отладки;

полный доступ к MATLAB для осуществления анализа и визуализация данных.

Проектирование принципиальных схем

Детальное исследование радиоэлектронных устройств на ЭВМ на уровне принципиальных схем можно провести с помощью множества специальных программ. В учебных целях и начальных этапах работы целесообразно применять более простые программы: Electronics Workbench&MiltiSim, MicroCAP, CircuitMaker, Aplac, TangoPRO и др. Большинство этих программ готовят данные в текстовом формате SPICE, чем обеспечивается совместимость со многими программами.

Для сложных задач используются OrCAD (PSpice A/D) и SPECCTRA, P-CAD 2000;200X (ACCEL EDA) и Altium Designer (Protel), eProduct Designer, PowerPCB, CAM 350, Viewlogik (Analog), BETASoft, MATLAB+Simulink и т. д.

При проектировании устройств сверхвысокочастотного диапазона могут быть использованы программы Super Compact, Touchstone, Libra, Microwave Office.

Все современные продукты предполагают ввод проекта в редакторе принципиальных схем, после чего генерируется список соединений, необходимый для работы программы моделирования. В качестве счетного ядра почти во всех программах используется программа SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis). Различные версии этого алгоритма были в разное время заимствованы производителями программного обеспечения для использования в своих продуктах. Сейчас для моделирования аналоговых устройств в основном используется версия SPICE 3, а для моделирования цифровых устройств версия XSPICE. Эта версия была разработана специально для моделирования цифровых устройств, описанных списком соединений, причем сами модели компонентов описываются на языке SimCode.

Если сложность разрабатываемых устройств невелика, то для проектирования можно использовать более дешевые продукты, например, Electronic Workbench, Pulsonix, MicroCAP, CircuitMaker.

Наиболее легка в освоении программа Electronics Workbench. Она построена интуитивно понятно, и работа с этой программой напоминает экспериментальную деятельность радиоинженера. В программе имеются виртуальные приборы (вольтметры, амперметры, генераторы, осциллограф, измеритель амплитудно-частотной характеристики и т. п.). Испытуемая схема «монтируется» на виртуальном столе, и затем делаются необходимые измерения. При этом настройка виртуальных измерительных приборов осуществляется практически так же, как и настройка реальных приборов. Предусмотрена возможность вывода данных для программы разработки печатных плат. После пятой версии программа переименована в MultiSIM плюс год издания (2001, 2003), хотя иногда используют старое название Electronics Workbench (6, 7, 8,9). Все версии после 5 являются скорей профессиональными, чем учебными.

Сейчас пакет принадлежит NI. Multisim 10.1 реализованы новые возможности профессиональной разработки, нацеленные также на модернизацию процесса моделирования, улучшению совместимости с моделями PSpice и базой данных из 300 новых компонентов лидирующих производителей, таких как Analog Devices и Texas Instruments. Среда Multisim 10.1 также обладает автоматизированным интерфейсом прикладного программирования (API) в помощь разработчикам для автоматизации моделирования в COM-ориентированных языках программирования.

Благодаря интеграции Multisim 10.1 и LabVIEW, специалисты смогут точнее определять и анализировать поведение схем и детектировать ошибки еще на ранних стадиях разработки. Кроме того, с использованием бета версии NI LabVIEW Multisim Connectivity Toolkit, разработчики смогут улучшить реализацию своих проектов.

Программа Micro-Cap (Microcomputer Circuit Analysis Program) рекомендуется для выполнения исследовательских работ, не предусматривающих немедленной конструкторской реализации (т.е. разводки печатной платы и оформления конструкторской документации). В состав программы входит модуль расчета параметров моделей аналоговых элементов по результатам экспериментальных исследований (таким способом создаются новые модели). В системе предусмотрен режим исследования чувствительности выходного сигнала к изменению параметров любого элемента. Есть возможность определить входное и выходное сопротивление устройства. Предусмотрена возможность разработки активных и пассивных фильтров с заданными параметрами.

Сходными возможностями обладает программа CircuitMaker. Программа позволяет осуществить пошаговое (по тактам) исследование цифровых схем, создать собственные микросхемы пользователя (определить их внутреннее устройство), и затем использовать их как обычные стандартные микросхемы. Элементы анимации наглядно зафиксируют наступление событий. Для использования в учебном процессе в системе предусмотрен режим умышленного создания неисправностей. Это одно из самых дешевых решений для проектирования несложных печатных плат. Стандартная версия программы позволяет разрабатывать платы, содержащие до шести сигнальных слоев и до двух слоев металлизации.

Проектирования печатных плат

Большинство систем проектирования печатных плат представляет собой сложный комплекс программ, обеспечивающий сквозной цикл, начиная с прорисовки принципиальной схемы и заканчивая генерацией управляющих файлов для оборудования изготовления фотошаблонов, сверления отверстий, сборки и электроконтроля.

Пакет Expedition PCB (компания Mentor Graphics) представляет сейчас наиболее мощное и дорогое решение в области проектирования плат. Основу системы составляет среда AutoActive, позволяющая реализовать такие функции, как предтопологический анализ целостности сигналов, интерактивная и автоматическая трассировка с учетом требований высокочастотных плат и специальных технологических ограничений, накладываемых использованием современной элементной базы (BGA). Единая среда позволяет с помощью модуля ICX моделировать наводки в проводниках непосредственно при прокладке трассы или шины и контролировать превышение ими заданного уровня (рис. 1).

Другой продукт компании Mentor, система PADS предлагает более дешевое решение. Эта система может похвастаться лучшим автотрассировщиком BlaseRouter, поддерживающим все необходимые при трассировке высокочастотных плат функции (рис. 2). Пакет имеет модули предтопологичекого (HyperLinks LineSim) и посттопологического (HyperLinks BoardSim) анализа, тесно взаимодействующих с системой контроля ограничений. Сейчас эти модули значительно улучшены за счет внедрения в них оригинальных алгоритмов моделирования, ранее применявшихся в продукте XTK компании Innoveda.

Рис. 1. Анализ наводок в соседних проводниках при прокладке трассы в пакете Expedition PCB.

Рис. 2. Автоматическое изменение формы проводника с контролируемой длиной при перемещении конденсатора в пакете PADS PowerPCB.

Далее по мощности предлагаемых решений идут решения компании Cadence. Для верхнего уровня проектирования предлагается пакет PCB Design Studio. В качестве редактора печатных плат здесь используется программа Allegro, позволяющая разрабатывать многослойные и высокоскоростные платы с высокой плотностью размещения компонентов. В качестве штатного модуля авторазмещения и автотрассировки здесь используется программа SPECCTRA, управляемая обширным набором правил проектирования и технологических ограничений. Этот модуль является одним из лучших. Анализ электромагнитной совместимости топологии платы выполняется с помощью специального модуля SPECCTRAQuest SI Expert, для предварительного анализа проекта и подготовки наборов правил проектирования используется модуль SigXplorer.

Другой продукт компании Cadence, пакет OrCAD рекомендуется как более легкое и дешевое решение для проектирования печатных плат. Данный пакет рассматривается фирмой Cadence как приоритетная система ввода проектов, моделирования и оптимизации схем по различным критериям: модули Capture CIS и PSpice сейчас поставляются в составе пакета PCB Design Studio. Усилены возможности синтеза и моделирования цифровых логических схем модуля NC Sim. Редактор печатных плат OrCAD Layout имеет три различные конфигурации с разными функциональными возможностями. В проекте платы здесь может присутствовать до 30 слоев, 16 из которых могут быть сигнальными. Имеются встроенные средства авторазмещения и автотрассировки, а также интерфейс с программой SPECCTRA. Для работы с силовыми цепями используют объединение схемотехнического моделирования в программе OrCAD с функциональным моделированием в программе MATLAB/Simulink.

Третьим основным производителем САПР печатных плат можно назвать компанию Altium Ltd (бывшая Protel International), которая выпустила в свет пакет Altium Designer (прежнее название продукта Protel DXP и развитие пакета PSpice корпорации MicroSim). Это комплексная система сквозного проектирования высокоскоростных электронных устройств на базе печатных плат, которая позволяет разработчику создавать проекты, начиная с принципиальной схемы и VHDL-описания ПЛИС, проводить моделирование полученных схем и VHDL-кодов, подготовить файлы для производства. Встроенный помощник импорта проектов позволяет импортировать схемы, платы, библиотеки из систем PCAD, OrCAD, PADs, DxDesigner, Allegro PCB, преобразовывая их в проекты Altium Designer. Поддерживается передача данных в пакеты проектирования печатных плат P-CAD, OrCAD, CADStar, PADS, Protel, SCICARDS и TangoPro. Дополнительно поставляется библиотека отечественных полупроводниковых приборов.

Эта компания продолжает развивать популярный в России свой второй пакет проектирования печатных плат P-CAD 2000;200Х. В свое время фирма Altium сделала маркетинговый ход, переименовав пакет ACCEL EDA в популярной в России название P-CAD. Самые последние версии стали больше походить на Protel. Модуль SIM 99 SE используемый в этих двух пакетах, позволяет проводить все стандартные виды анализа на базе алгоритма SPICE. С его помощью можно проводить параметрический анализ, изменяя одновременно не один, а два параметра. P-CAD поддерживает выходной формат данных ODB++, содержащий полную информацию о проекте по ГОСТ и поддерживаемый большинством систем управления ресурсами предприятия. Возможна связь с автотрассировком SPECCTRA.

В состав P-CAD входят два основных модуля — P-CAD Schematic, P-CAD PCB, и ряд других вспомогательных программ. P-CAD Schematic и P-CAD PCB — соответственно графические редакторы принципиальных электрических схем и печатных плат (ПП). Последняя версия системы — P-CAD 2006 SP3 SP2. В 2006 году компания Altium официально заявила о прекращении разработки данного продукта.30 июня 2008 года была прекращена поддержка. Для замены этой системы компания Altium предлагает систему Altium Designer.

Программа CAM350 является очень популярной в России, так как ранее облегченная версия этого продукта поставлялась с пакетом P-CAD 2000;200Х (ACCEL EDA), поэтому имела схожую с ней идеологию и позволяла загружать проект платы не в виде набора Gerber файлов, а файл PCB с сохранением информации об электрических связях.

Нельзя не упомянуть еще один почти неизвестный в России, но достаточно мощный и популярный в мире продукт — Visula компании Zuken. Продукты этой компании обеспечивают сквозной цикл проектирования и предлагают мощные средства моделирования и синтеза программируемой логики с последующей разработкой печатной платы. Здесь имеется стандартный набор инструментария, а также собственные средства авторазмещения и автотрассировки. Следует отметить, что компания Zuken также предлагает пользователям интегрированные средства трехмерного твердотельного моделирования разрабатываемых устройств (рис. 3).

Рис. 3. Трехмерное моделирование платы средствами компании Zuken.

Почти все программы были ориентированны на оформление документации согласно IEEE и ISO. Для привязке к отечественным ГОСТ, требовались доработки. Проблему переложили на плечи самих пользователей, дав им в руки DBX-интерфейс, позволяющий разрабатывать надстройки к программе. Оформлением текстовой документации по ГОСТ, можно с помощью программы TDD, а используемый редактор схем получил название Schemage (читается «схема-джи»). Редактор может генерировать список соединений в форматах P-CAD ASCII или Tango на основании полученной схемы может быть разработана печатная плата во многих популярных САПР, таких как P-CAD 200Х, Protel или OrCAD.

Анализ электромагнитной совместимости

Легко заметить, что мощность всех перечисленных выше программ в значительной мере определяется встроенными средствами анализа электромагнитной совместимости (ЕМС). В этой связи нельзя не отметить некоторые специализированные программы. Современные тенденции развития цифровой техники диктуют необходимость изменения подхода к этой проблеме. Большинство программ анализа EMC используют модели микрополосковых линий, считающих проводники питания и заземления идеальными, и не учитывают распределение токов в них.

Пионером в данной области выступила компания Sigrity, которая разработала пакет Speed XP. Эта программа использует не упрощенные модели, а численные методы решения электродинамических задач, благодаря чему стало возможным исследование распространения помех по внутренним слоям питания (рис. 17.4). Однако, наличие столь мощной математики делает программу почти на порядок дороже продуктов ближайших конкурентов, которые предпринимают попытки реализовать аналогичные методы в своих системах, как например, компания Mentor Graphics.

Рис. 4. Анализ помех в слое заземления в пакете Speed 2000.

Из программ, реализующих классический подход к анализу EMC, следует отметить канадскую компанию Quantic EMC предлагающую на рынок продукт Omega PLUS. Этот пакет не является системой проектирования, зато имеет средства импорта проектов из всех вышеперечисленных САПР. Помимо обычного анализа целостности сигналов и перекрестных искажений, здесь могут быть получены спектры и интенсивность излучения платы в заданном диапазоне частот, уровни токов в проводниках, а также интенсивность электрического и магнитного полей над платой.

Системы проектирования СВЧ-устройств

Принципиально иной уровень сложности задач решают системы проектирования СВЧ - устройств. Как правило, для получения характеристик объемных структур требуется решение уравнений Максвелла, а для моделирования линейных и нелинейных СВЧ — схем привычных моделей и методов, используемых в алгоритме SPICE, недостаточно. Поэтому предлагаются специализированные продукты:

* Интегрированный пакет Microwave Office 200Х компании AWR;

* Система полного электромагнитного моделирования CST Microwave Studio компании CST;

* Система полного электромагнитного моделирования QuickWave-3D компании QWED;

* Система полного электромагнитного моделирования EMPIRE компании IMST;

Наиболее интегрированным из перечисленных является пакет Microwave Office 200Х, объединяющий модули анализа линейных и нелинейных схем, проектирования топологий, электромагнитного моделирования планарных многослойных структур, моделирования систем связи па уровне структурных схем. Нелинейный анализ выполняется методом гармонического баланса и рядов Вольтерра. Электромагнитное моделирование пленарных СВЧ-устройств выполняется методом моментов Галеркина. Редактор топологий представляет собой не просто графическую среду прорисовки топологий устройств, но и инструмент технологической подготовки к производству.

Все остальные продукты решают задачу полного трехмерного электромагнитного моделирования объемных СВЧ — устройств. Наилучший результат обеспечивают программы CST Microwave Studio немецкой компании CST и QuickWave-3D польской компании QWED (CONCERTO). Обе программы используют метод конечных разностей (FDTD), дополненный методом конфорных преобразовании. Основное отличие программ в степени завершенности пользовательского интерфейса: немецкий продукт является графической средой описания задачи, а польский продукт помимо прорисовки структуры требует от пользователя написания программного кода. Программы имеют средства оптимизации и обеспечивают лучшие результаты моделирования, чем одноименные продукты HFSS компаний Agilent и Ansoft.

Более дешевое решение предлагает компания IMST в продукте EMPIRE. Где используется классическая реализация метода FDTD, из-за чего для получения точных результатов для объемных структур произвольной формы, образованных криволинейными поверхностями, требуется большее время и вычислительные ресурсы. Здесь можно получать различные частотные характеристики СВЧ — устройств и диаграммы направленности антенн.

Системы теплового анализа

Отдельной задачей проектирования печатных плат является тепловой анализ. Наиболее мощным решением в этой области является программа BETAsoft-Board компании Dynamic Soft Analysis. Здесь также имеются интерфейсы импорта проектов из всех выше перечисленных продуктов, богатые библиотеки моделей и материалов. Программа больше подойдет для разработчиков монолитных многомодульных устройств. В процессе расчета могут быть получены температуры отдельных компонентов, карты прогрева плат, градиент температур (рис. 5). Отметим, что программа BETASoft-Board поставляется как штатное средство теплового моделирования для продуктов Mentor Graphics.

Рис. 5. Тепловой анализ платы в пакете BETASoft-Board.

Другая программа теплового анализа Sauna компании Thermal Solutions позволяет моделировать поведение не только плат, но и блоков и шкафов. Здесь присутствуют обширные библиотеки компонентов и материалов. Имеется специальный графический редактор, позволяющий прорисовывать конфигурацию оборудования. Система дает возможность назначать специальные рабочие циклы с учетом включения и выключения внешних источников питания.

Английская фирма Flomerics предлагает пользователям свой пакет Flotherm, главной особенностью которого является интерфейс, построенный на базе современных интернет-технологий на основе обычного браузера. Программа позволяет моделировать отвод тепла от микросхем, упакованных в современные корпуса PBGA и TBGA, а также позволяет учитывать технологию поверхностного монтажа перевернутых кристаллов (flip-chip). Например, компания National Semiconductor включила в состав своего программного комплекса Webench специальный модуль Webtherm, позволяющий получать цветную карту градиента температур для платы, построенный на базе вычислительного ядра Flomerics.

Из российских программ следует отметить, пожалуй, единственный коммерческий пакет теплового моделирования ТРИАНА (АСОНИКА-Т), разработанный специалистами Сибирского Федерального института (СФУ) и Московского Государственного Института Электроники и Математики (МИЭМ). Пакет предназначен для моделирования стационарных и нестационарных тепловых процессов, протекающих в конструкциях радиоэлектронных средств (РЭС), таких как стоечные конструкции, блоки с регулярной и нерегулярной структурами, печатные узлы, функциональные ячейки, микросборки. В состав пакета входит редактор, позволяющий формировать геометрическую модель исследуемой печатной платы или гибридной интегральной схемы, а также специализированный модуль подготовки тепловых моделей. Имеет ряд функций, недоступных ни в одной западной САПР. Прежде всего, это специальная база данных, содержащая тепловые модели компонентов для различного конструктивного исполнения и способа монтажа. Имеется возможность задания внешних граничных условий. Отдельный модуль позволяет готовить тепловые модели произвольных систем, определенных на уровне графов. Программа имеет интерфейс с современными системами проектирования печатных плат P-CAD 200Х (OrCAD), Protel DXP, Allegro, SPECCTRA, а также старыми, но все еще распространенными в России, версиями P-CAD 4.5−8.7. Кроме того, пакет может обмениваться данными с тепловизионным диагностическим комплексом ТЭРМИД РЭС.

Тепловой анализ конструкции позволяет снизить габариты устройства за счет правильного размещения теплоотводов оптимального размера и избежать перегрева и разрушения участков платы. С помощью анализа методом конечных элементов (FI) можно выявить части, склонные к разрушению из-за разности коэффициентов теплового расширения используемых материалов. Сейчас применяется зачастую порочная практика приближенной оценки объема корпуса устройства и площади поверхности радиаторов исходя из рассеиваемой элементами мощности, что иногда приводит к неоправданному завышению габаритов и веса конструкции. Следует отметить, что полученные с помощью теплового анализа температура отдельных элементов, а также динамика ее изменения в течение рабочего цикла могут быть переданы в специализированные системы анализа механических нагрузок.

Системы подготовки производства

Важным этапом проектирования печатных плат является подготовка уже разработанного проекта к производству. Под этим подразумевается генерация управляющих файлов для изготовления фотошаблонов, станков для сверления отверстий, оборудования для автоматического тестирования плат и расстановки компонентов. Как правило, все системы проектирования печатных плат имеют встроенные средства генерации таких файлов, тем не менее, имеется ряд задач, которые необходимо выполнять в специально предназначенных для этого продуктах. Большинство проблем связано с получением оптимизированных файлов в формате Gerber для изготовления фотошаблонов.

Одним из наиболее мощных CAM — систем является пакет Genesis 2000 компании PCB Frontline. Эта программа ориентирована на мощные аппаратные платформы, работающие под управлением операционной системы UNIX. Основная особенность пакета Genesis 2000 — высокий уровень автоматизации обработки топологий. Здесь имеются специальные средства верификации и корректировки, которые позволяют увеличить технологичность платы и учесть особенности производства на данном предприятии. Широкий набор интерфейсов импорта/экспорта позволяют обмениваться данными с большинством известных систем проектирования печатных плат.

Достаточно мощной и дорогой программой является CAMMaster, Все функции этого пакета доступны с использованием языка VBA, поэтому интерфейс программы может легко меняться с учетом особенностей технологического цикла конкретного предприятия.

Более доступные по цене, но достаточно мощные средства CAM предлагаются на рынок сразу несколькими производителями. Прежде всего, здесь следует отметить наиболее популярную в России программу CAM350 компании Downstream Technologies. Ранее облегченная версия этого продукта поставлялась с пакетом Accel Eda, поэтому имела схожую с ней идеологию и позволяла загружать проект платы не в виде набора Gerber файлов, а файл PCB с сохранением информации об электрических связях. В качестве основного стандарта обмена данными сейчас принят формат ODB++.

Другая компания Pentalogix, ранее известная как Lavenir, предлагает пользователям линейку продуктов, самым мощным из которых является. Последние версии продуктов Pentalogix предоставляют специалистам все необходимые средства подготовки печатных плат к производству, отличительной особенностью которых является поддержка языка макроскриптов Visual Basic for Application.

Компания Wise предлагает на рынок программу GerbTool. Эта программа хорошо известна пользователям системы проектирования OrCAD, так как долгое время поставляется в составе этого пакета как штатный CAM-модуль. Здесь имеется полный набор инструментов первичной подготовки проектов плат к производству: обработка топологий, генерация файлов сверления и фрезерования, средства верификации и улучшения технологичности.

Нельзя не упомянуть о простой, но эффективной программе CAMtastic компании Altium. Эта программа поставляется бесплатно в качестве штатного CAM-средства совместно с пакетами P-CAD 2000;200X и Protel DXP. В дополнение к обработке формата Gerber, введена качественная поддержка формата ODB++. Появился макрорекордер, позволяющий автоматизировать большинство процедур с помощью специального языка Client Basic.

Компания Valor предлагает собственные решения по автоматизации процесса производства печатных плат Trilogy 5000 и Enterprise 3000. Эти системы позволяют моделировать процесс производства, выявлять наиболее критичные его этапы и оптимизировать, поэтому являются не просто CAM, а скорее ERP-системами (управление производством). Они тесно взаимодействуют с системами проектирования печатных плат и позволяют проанализировать качество размещения компонентов на плате, а также трассировку. Специальные библиотеки Valor Part Library содержат достоверную информацию о большинстве компонентов и позволяют получать реалистичный трехмерный вид платы. Основным форматом обмена данными между различными частями системы является ODB++, который компания Valor разработала и успешно внедряет через организацию OSA (Open Systems Alliance). В будущем на базе формата ODB++ будет разработана спецификация IPC-2581.

Системы проектирования ПЛИС

Другой актуальной задачей проектирования является синтез цифрового устройства для последующей реализации на ПЛИС типа PLD, CPLD, FPGA. В России на долю FPGA-on-Board приходится более 90% проектов. В подобных продуктах функционирование устройства формализуется с помощью одного из языков описания аппаратуры (HDL). Например, VHDL или Verilog. Для простых устройств проект может быть задай и в виде принципиальном схемы. Следует отмстить следующие продукты:

Программа PeakFPGA компании Altium;

Модуль PLD, входящий в состав пакета Protel компании Altium;

Программа FPGA Studio компании Cadence Design Systems;

Программы Fusion/SpeedWave, Fusion/VSCi, Fusion/ViewSim, ViewPLD компании lnnoveda;

Пакет программ System View компании Elanix.

Программа PeakFPGA предназначена для описания проектов на языке VHDL (IEEE 1076−1987 и 1076−1993) и упаковки их в ПЛИС от различных производителей. Поддерживает библиотеки VITAL и Synopsys. Имеющиеся средства моделирования и верификации позволяют производить быстрый поиск ошибок по различным критериям и отладку разрабатываемого устройства.

Для описания проектов в составе пакета Protel используется модуль синтеза логики PLD, использующий язык CUPL, позволяющий описывать логические схемы произвольной комбинацией трех методов: булевыми выражениям, таблицами истинности и методом конечных автоматов. Синтезированное устройство упаковывается в конкретную микросхему, для программирования которой генерируется файл в формате JEDEC.

Большими возможностями обладает программа FPGA Studio, которую Cadence Design Systems предлагает вместо OrCAD Express. Она обеспечивает расширенные возможности синтеза и моделирования логических схем с последующей упаковкой их в ПЛИС ведущих производителей. По возможностям превосходит вышеперечисленные продукты, но и стоит почти на порядок дороже.

Оптимальным решением данной проблемы представляется семейство продуктов Fusion, входящее в состав интегрированного продукта Product Designer. Программа Fusion/SpeedWave позволяет работать на языке VHDL; Fusion/VSCi на языке Vcrilog; View PLD на языке ABEL, Fusion/ViewSim на вентильном уровне. Все ЭТИ программы объединяются в единое целое под управлением модуля IntclliFlow, а в комбинации с упомянутым модулем View Analog предлагают пользователям непревзойденные возможности по разработке сложных иерархических проектов, отдельные части которых используют различные технологии.

Отдельного упоминания стоит пакет SystemView, также позволяющий моделировать логические схемы и упаковывать их в ПЛИС фирмы Xilinx. Однако способ моделирования проекта здесь принципиально другой эта программа предназначена для моделирования систем на уровне структурных схем. Здесь используются поведенческие модели, позволяющие оценить работоспособность проекта на вентильном, а не на схемотехническом уровне. К достоинствам пакета можно отнести наличие модуля синтеза цифровых фильтров, к недостаткам совместимость лишь с устаревшей версией Xilinx CORE Generator 1.5 Это объясняется тем, что фирма Xilinx переключила свое внимание на имеющий сходные возможности, но более дешевый продукт Simulink 4.0 компании Mathwork, тесно интегрируемый с математической программой Matlab.

Следует отметить, что некоторые фирмы выпускают достаточно развитые бесплатные версии САПР. Например, пакет Max+Plus II Baseline фирмы Alter и др.

В современных САПР поддерживаются как стандартизованные языки описания аппаратуры, такие как VHDL, Verilog HDL, так и языки описания аппаратуры, разработанные компаниями производителями ПЛИС специально для использования только в своих САПР и учитывающие архитектурные особенности конкретных семейств ПЛИС. Примером может служить AHDL (Altera Hardware Description Language), поддерживаемый САПР Max+Plus II и Quartus компании Altera. Кроме того, многие крупные фирмы производители САПР интегральных схем активно включились в процесс создания ПО, поддерживающего ПЛИС различных производителей. Это позволяет проводить разработку алгоритмов, пригодных к реализации на ПЛИС не только разных семейств, но и различных производителей, что облегчает переносимость алгоритма и ускоряет процесс разработки. Примером таких систем являются продукты серии FPGA Express фирмы Synopsys, OrCAD Express фирмы OrCAD, продукты фирм VeriBest, Aldec, Cadence Design Systems и многих других.

Проектирование электротехнических схем и чертежей

В проектных организациях находит широкое применение категория продуктов — проектирование электротехнических схем и чертежей. Многие компании, выпускающие механические САПР, предлагают решения для этих целей. Тем не менее, следует помнить, что механические САПР представляют собой всего лишь системы черчения с использованием компьютера. Здесь затруднена обработка информации, связанной со списком соединений. Особенность же систем для электротехники заключается в том, что первичной должна быть именно электрическая информация. Здесь выделяются следующие продукты продукта:

Модуль Elektra-CAD компании Desktop EDA для пакета Protel;

Пакет WSCAD компании WSCAD Electronic;

Пакет PCschematic ELautomation компании DpS CAD-centerApS;

Пакет Autocad Electrical компании Autodesk.

Модуль Elektra-CAD представляет собой встраиваемое решение, замечательно расширяющее возможности пакета Protel. Этот модуль добавляет в стандартный редактор принципиальных схем ряд функций, библиотек и панелей инструментов для создания электротехнических схем. При этом здесь отсутствуют такие важные для электротехники функции, как генерация таблиц кабелей и т. п. Прорисовка механических чертежей возможна только в рамках редактора схем, что не всегда удобно из-за используемой здесь системы измерений.

Пакет WSCAD разрабатывался специально для решения электротехнических задач. Помимо всех необходимых функций создания электротехнических схем имеются возможности прорисовки механических чертежей. Но главным достоинством этого продукта является наличие полностью русифицированного интерфейса с адаптацией под российские стандарты, а также технической документации па русском языке. Все работы по локализации выполнены компанией TE-K. ON.

Продукт PCschematic ELautomation хотя и не русифицирован, но очень эффективен. Применена оригинальная система хранения разнообразной проектной информации, будь то схемы, чертежи или текстовая документация. Программа легко настраивается для соответствия национальным стандартам. Специальная система обеспечивает доступ к информации, хранящейся в базах данных компонентов и изделий различных производителей. Имеется документация на русском языке.

Пакет Autocad Electrical предназначен автоматического проектирования многозвенных и других электрических схем. Возможность отслеживания номеров проводов и обозначений компонентов, а также формирования перекрестных ссылок между данными о катушках и контактах. Функция автоматического формирования отчетов, спецификаций и перечней проводов с указанием мест присоединения помогает избежать ошибок, практически неизбежных при ручном составлении отчетов. Возможность двусторонней передачи данных о присоединении проводов (между AutoCAD Electrical и Autodesk Inventor). Библиотека программируемых логических контроллеров ввода/вывода содержит более 3 тысяч компонентов наиболее известных производителей. С их помощью вы сможете быстро создавать чертежи программируемых логических устройств ввода/вывода.

Системы моделирования

Следующая категория продуктов нацелена па моделирование электронных систем на поведенческом уровне. Здесь от программы требуется большая гибкость, наличие разнообразных библиотек функциональных элементов, возможность сопряжения с другими системами моделирования. В этой области предлагается два продукта:

* Пакет System View компании Elanix;

* Пакет Microwave Office компании AWR.

Назначение данных продуктов сходное, но в них просматривается ярко выраженная специализация. Продукт SystemView предназначен для моделирования любых динамических систем. То есть, он позволяет провести моделирование во временной области любой системы, будь то цифровая логическая схема, аналоговая схема или просто некая математическая абстракция. Имеется возможность создания пользовательских библиотек любой сложности.

Пакет Microwave Office больше предназначен для разработчиков СВЧ-устройств. Используемый в нем модуль анализа поведения структурных схем разработан компанией ICUCOM для моделирования обработки сложных цифровых сигналов в телекоммуникационном оборудовании. Прилагаемые библиотеки функциональных модулей насчитывают более 400 моделей. Оригинальная объектно-ориентированная архитектура вычислительно ядра пакета Microwave Office и используемые в нем методы моделирования дают возможность отслеживать процессы в системах практически в режиме реального времени. Например, используя инструмент тюнер, можно плавно изменять уровень гетеродина одного из преобразователей частоты приемника и сразу же отслеживать изменение коэффициента побитовых ошибок на выходе демодулятора.

Проектирования конструкции устройства

Разработка конструкции в целом осуществляется при помощи механических САПР. На этом этапе определяются габариты отдельных узлов системы, которые должны быть учтены разработчиками электронной «начинки». Наиболее распространены здесь системы AutoCAD, ProEngineer и SolidWorks, а также отечественная программа Компас. Только одна система проектирования позволяет решить задачи «электрического» проектирования и разработка конструктива в рамках одного продукта — это программа CADSTAR фирмы Zuken, причем здесь решается даже задача оптимизации размещения элементов в объеме. Во всех остальных случаях приходится использовать связку специализированных систем проектирования печатных плат и механических САПР. Главное требование здесь только одно — системы должны легко обмениваться данными через стандартные форматы, например, уже упоминавшиеся выше DXF и IDF, однако почти во всех системах интерфейсы являются однонаправленными. Например, система Altium Designer (Protel DXP) позволяет импортировать твердотельные модели элементов из механических САПР, просматривать реальный трехмерный вид платы и выполнять проверку правил проектирования (DRC), например, контроль высоты компонентов на различных участках платы. Однако при этом невозможно проконтролировать зазоры между компонентами, когда они расположены один над другим. Имеющиеся интерфейсы связи с системами AutoCAD, SolidWorks, ProEngineer позволяют передавать в них не плоскую, а объемную твердотельную модель устройства в целом. В большинстве других продуктов (P-CAD 200Х, OrCAD, PowerPCB) передача данных в механические САПР реализована только через «плоские» форматы, в результате чего часть проектной информации теряется.

И последнее, очень затрудняет ориентироваться в программах тенденция поглощения конкурирующих пакетов программ одной фирмы другой, с дальнейшим приоритетным развитием одной из них и сменой названий программ.