Средства сквозного проектирования интеллектуальных измерительных устройств

Системное единство САПР обеспечивается наличием комплекса взаимосвязанных моделей, определяющих объект проектирования в целом, а также комплексом системных интерфейсов, осуществляющих указанную взаимосвязь. Системное единство внутри проектирующих подсистем обеспечивается наличием единой информационной модели той части объекта, проектное решение по которой должно быть получено в данной подсистеме.

Формирование и использование моделей объекта проектирования осуществляется комплексом средств автоматизации проектирования (КСАП) системы. Структурными частями КСАП системы являются различные комплексы средств, а также компоненты организационного обеспечения. Комплекс средств - это совокупность компонентов и/или комплексов средств, предназначенная для тиражирования и ориентированная на проектирование объектов определенного класса (вида, типа) и/или выполнение унифицированных процедур, используемая в соответствующих проектирующих или обслуживающих подсистемах САПР.

Комплексы средств подразделяют на комплексы средств одного вида обеспечения (технического, программного, информационного) и комбинированные.

Комплексы средств одного вида обеспечения содержат комплексы и/или компоненты одного вида обеспечения; комплексы средств комбинированные - совокупность комплексов и компонентов разных видов обеспечения. Комбинированные КСАП, относящиеся к продукции производственно-технического назначения, подразделяются на программно-методические и программно-технические.

Программно-методический комплекс (ПМК) представляет собой взаимосвязанную совокупность компонентов программного, информационного и методического обеспечений (включая компоненты математического и лингвистического обеспечений), необходимую для получения законченного проектного решения по объекту проектирования (одной или нескольким его частям или объекту в целом) или выполнения унифицированных процедур.

Программно-технический комплекс представляет собой взаимосвязанную совокупность ПМК с комплексами и (или) компонентами технического обеспечения.

Комплексы средств могут объединять свои вычислительные и информационные ресурсы, образуя локальные вычислительные сети подсистем или систем в целом.

Структурными частями комплексов средств являются компоненты следующих видов обеспечения: программного, информационного, методического, математического, лингвистического и технического.

Компоненты видов обеспечения выполняют заданную функцию и представляют наименьший (неделимый) самостоятельно разрабатываемый (или покупной) элемент САПР (например, программа, инструкция, монитор и т.п.). Эффективное функционирование комплекса средств автоматизации проектирования и взаимодействие структурных частей САПР всех уровней должно достигаться за счет ориентации на стандартные интерфейсы и протоколы связи, обеспечивающие взаимодействия комплексов средств.

Эффективное функционирование комплекса средств автоматизации проектирования должно достигаться за счет взаимосогласованной разработки компонентов, входящих в состав комплекса средств.

Комплексы средств автоматизации проектирования обслуживающих подсистем, а также отдельные программно-технические комплексы этих подсистем могут использоваться при функционировании всех подсистем.

Общесистемные ПМК включают в себя программное, информационное, методическое и другие виды обеспечений. Они предназначены для выполнения унифицированных процедур по управлению, контролю, планированию вычислительного процесса, распределению ресурса САПР и реализации других функций, являющихся общими для подсистем или САПР в целом.

Примеры общесистемных ПМК: мониторные системы управления функционированием технических средств, информационно-поисковые системы, системы управления базами данных, средства машинной графики, подсистема обеспечения диалогового режима и др.

Мониторные системы управления функционированием технических средств в САПР. Основными функция мониторных систем являются: формирование заданий и контроль пакета задач, требуемых и наличных ресурсов; права доступа к базе данных с установлением приоритета и номера очереди; обработка директив языка управления заданиями и задачами, а также реакция на прерывания с перехватом управления, анализом причин и их интерпретацией в терминах, понятных проектировщику; обслуживание потоков задач с организацией диалогового и интерактивно-графического сопровождения в условиях параллельной работы подсистем; управление проектированием в автоматических режимах с анализом качества исполнения проектных операций, проверкой критериев повторения этапа или продолжения маршрута, выбором альтернативных вариантов маршрута; ведение и оптимизация статистики эксплуатации системы; распределение ресурсов САПР с учетом приоритетов заданий, задач и подсистем, плановых заданий и текущих указаний и запросов; защита ресурсов и данных от несанкционированного доступа и непредусмотренных воздействий.

Информационно-поисковые системы в САПР выполняют такие функции, как заполнение информационного фонда сведениями; арифметическую обработку цифровых данных и лексическую обработку текстов; обработку информационных запросов с целью поиска требуемых сведений; обработку выходных данных и формирование выходных документов. Особенности информационно-поисковых систем заключаются в том, что запросы к ним формируются нс программным путем, а непосредственно пользователями, и нс на формальном языке, понятном компьютеру, а на естественном языке в виде последовательности ключевых слов - дескрипторов. Перечень дескрипторов, содержащихся во всех принятых на хранение описаниях, составляет словарь дескрипторов, или тезаурус, и предназначен для формирования поисковых предписаний.

Существуют и более сложные, по сравнению с дескрипторными, информационно-поисковые системы. Важную роль в них играет информационно-поисковый язык, в котором учитываются семантические взаимоотношения между информационными объектами. Это позволяет уменьшить число неправильно распознаваемых языковых конструкций, а обработку запросов производить на основе различных критериев смыслового соответствия.

Банки данных являются наиболее высокой формой организации информации в больших САПР. Они представляют собой проблемноориентированные информационно-справочные системы, обеспечивающие ввод необходимой информации, не зависимые от конкретных задач ведения и сохранения информационных массивов и выдачи необходимой информации по запросам пользователей или программ. Примером такого банка служит база данных электронных компонентов системы автоматизированного проектирования печатных плат Altium Designer.

Система управления базами данных (СУБД) - программнометодический комплекс для обеспечения работы с информационной базой, организованной в виде структуры данных.

СУБД выполняет следующие основные функции: определение баз данных, т.е. внешнего и внутреннего уровней схем; запись данных в базу; организацию хранения, выполняя изменение, дополнение, реорганизацию данных; предоставление доступа к данным (поиск и их выдача).

Для определения данных и доступа к ним в СУБД имеются языковые средства. Так, определение данных, состоящее в описании их структур, обеспечивается с помощью языка определения данных. Функции доступа к данным реализуются с помощью языка манипулирования данными и языка запросов.

Программно-методические комплексы машинной графики обеспечивают взаимодействие пользователя с компьютером при обмене графической информацией, решение геометрических задач, формирование изображений и автоматическое формирование графической информации. Графическое взаимодействие пользователя с компьютером (так называемый графический метод доступа) базируется на подпрограммах ввода-вывода, которые обеспечивают прием и обработку команд от устройства ввода-вывода и выдачи управляющих воздействий на эти устройства. Решение геометрических задач (геометрическое моделирование) сводится к преобразованию графической информации, которое представляет собой выполнение той или иной последовательности элементарных графических операций типа сдвиг, поворот, масштабирование и т. п. Для геометрического моделирования могут быть реализованы графические преобразования трехмерных изображений, процедуры построения проекций, сечений и т. п.

Диалоговый режим обеспечивается программно-методическими комплексами, осуществляющими ввод, контроль, редактирование, преобразование и вывод графической и/или символьной информации. Диалоговый удаленный ввод заданий обеспечивает ввод и редактирование заданий через каналы связи, выполнение заданий в пакетном режиме и вывод результатов через каналы связи на удаленные терминалы. В САПР могут использоваться как диалоговые ПМК общего назначения, так и специализированные. ПМК общего назначения целесообразно применять на начальных стадиях создания и эксплуатации САПР для отработки и проверки методологии проектирования, технологии обработки данных и прикладных программ. В дальнейшем возможна модификация ПМК с учетом специфических требований по организации диалога в САПР. При этом необходимо учитывать наличие диалогового или пакетного режима обработки запросов; ориентацию системы на пользователя-непрограммиста; возможность расширения системы путем включения диалоговых прикладных программ на языках высокого уровня; возможность управления диалогом с помощью «меню» и директив, желательность общения на родном языке и т. и.

Базовые ПМК подразделяют на проблемно-ориентированные ПМК и объектно-ориентированные ПМК.

Проблемно-ориентированные ПМК могут включать программные средства, предназначенные для автоматизированного упорядочения исходных данных, требований и ограничений к объекту проектирования в целом или к сборочным единицам; выбор физического принципа действия объекта проектирования; выбор технических решений и структуры объекта проектирования; оценку показателей качества (технологичности) конструкций, проектирование маршрута обработки деталей.

Объектно-ориентированные ПМК отражают особенности объектов проектирования как совокупной предметной области К таким ПМК, например, относят ПМК, поддерживающие автоматизированное проектирование сборочных единиц; проектирование деталей на основе стандартных или заимствованных решений; деталей на основе синтеза их из элементов формы; технологических процессов по видам обработки деталей и т.п.

Лекция 6 Классификация систем автоматизированного проектирования

На основе классификации САПР решают основные задачи: формирование укрупненного формализованного описания САПР по совокупности установленных признаков классификации;

обозначение САПР, создаваемых в организациях отраслей промышленности и в строительстве;

- планирование повышения значений уровня автоматизации проектирования, комплексности автоматизации проектирования и других показателей САПР в процессе их создания и развития;

- задание условий для разработки технически обоснованных норм обеспечения процесса создания, функционирования и развития САПР специалистами, техническими средствами, энергией, информацией, финансовыми и другими ресурсами.

В соответствии с ГОСТ 23501.108-85 формализованное описание САПР включает в себя коды классификационных группировок САПР по 31

установленным стандартом признакам классификации; наименования классификационных группировок, соответствующие приведенным кодам; указания, в соответствии с какими классификаторами, стандартами или методиками определены коды каждой классификационной группировки.

САПР характеризуют следующие признаки:

- тип объекта проектирования;

- разновидность объекта проектирования;

- сложность объекта проектирования;

- уровень автоматизации проектирования;

- комплексность автоматизации проектирования;

- характер выпускаемых документов;

- количество выпускаемых документов;

- количество уровней в структуре технического обеспечения.

Три первых признака отражают особенности объектов проектирования, следующие четыре возможности систем, восьмой признак - особенности технической базы САПР. Для получения даже общего представления о конкретной САПР она должна быть оценена по исем перечисленным признакам. Рассмотрим их подробнее.

Тип объекта проектирования. ГОСТ предусматривает деление САПР на девять групп: 1) САПР изделий машиностроения; 2) САПР изделий приборостроения; 3) САПР технологических процессов в машино- и приборостроении; 4) САПР объектов строительства; 5) САПР технологических процессов в строительстве; 6) САПР программных изделий; 7) САПР организационных систем. Остальные группы (8 и 9) являются резервными и предназначены для выделения и кодирования САПР, не относящихся к перечисленным группировкам.

Разновидность объектов проектирования. ГОСТ нс устанавливает специальных обозначений на объекты проектирования, а требует их указания и кодирования в соответствии с действующими в каждой отрасли промышленности системами обозначения документации на объекты, проектируемые системой. Например, для САПР изделий машиностроения и приборостроения - по классификаторам ЕСКД.

Сложность объекта проектирования. Можно выделить САПР: 1) простых объектов с числом составных частей до 10"; 2) объектов средней сложности (10² - 10³); 3) сложных объектов (10³ - 10⁴); 4) очень сложных объектов (10⁴ -10⁶); 5) объектов очень высокой сложности (число составных частей свыше 10⁶).

Составной частью объекта проектирования, представляющего собой технический комплекс, сооружение или изделие, является деталь. Если объектом проектирования будет технологический процесс, то выделить его составные части сложнее. Существует два подхода, один из которых основан на разделении технологического процесса на элементарные технологические операции, другой - на разделении объекта на части условно в соответствии с номенклатурой выпускаемой технологической документации.

Уровень автоматизации проектирования. Выделяют системы проектирования: 1) низкоавтоматизированного (до 25% проектных процедур); 2) среднеавтоматизированного (25 - 50 %); 3) высокоавтоматизированного (свыше 50%). Чтобы отнести САПР к третьей группе, в ней должны быть использованы методы многовариантного оптимального проектирования.

Комплексность автоматизации проектирования. Различают САПР: 1) одноэтапныс; 2) многоэтапные; 3) комплексные. Если система автоматизации охватывает один из этапов проектирования соответствующего объекта, то се относят к первой группе. Под комплексной САПР подразумевается автоматизация всех этапов проектирования.

Характер выпускаемых проектных документов. Установлены пять классификационных групп САПР, выпускающих документы: 1) на бумаге; 2) на машинных носителях; 3) на фотоносителях (в виде микрофильмов, микрофиш, фотошаблонов и др.) 4) комбинированные (выполняют документы на двух носителях данных или более). Пятая группировка является резервной.

Число выпускаемых проектных документов. Различают САПР малой, средней и высокой производительности. САПР малой производительности выпускает до 10⁵ документов, в пересчете на формат А4, за год. Для САПР средней производительности число выпускаемых документов в год составляет от 10 до 10, для САПР высокой производительности свыше 10⁶.

Число уровней в структуре технического обеспечения. Выделяют САПР одно-, двух- и трехуровневые.

Одноуровневая САПР - это система, построенная на основе средней или большой ЭВМ со штатным набором периферийных устройств, включая средства обработки графической информации.

Двухуровневая САПР - это система, построенная на основе средней или большой ЭВМ и взаимосвязанных с ней одного или нескольких автоматизированных рабочих мест, имеющих собственную ЭВМ.

Трехуровневая САПР - это система, построенная на основе большой ЭВМ, нескольких автоматизированных рабочих мест и периферийного программно-управляемого оборудования для централизованного обслуживания этих рабочих мест, или на основе большой ЭВМ и группы автоматизированных рабочих мест, объединенных в вычислительную сеть.

Подходы к автоматизированному проектированию

Базовые подходы к автоматизированному проектированию

Можно выделить два базовых подхода к проектированию на основе компьютерных технологий.

Первый подход базируется на двухмерной геометрической модели (2Э-модели) - графическом изображении и использовании компьютера как «электронного кульмана», позволяющего ускорить процесс конструирования и улучшить качество оформления конструкторской документации. Центральное место в этом подходе к проектированию занимает чертеж, который служит средством графического представления изделия, содержащего информацию для решения графических задач, а также для изготовления изделия (рис. 4). Этот подход характерен для ранних САПР (конец 80-х - начало 90-х годов).

Рисунок 4 Схема традиционной технологии конструирования

В основе второго подхода лежит компьютерная пространственная геометрическая модель QD-модель) изделия (рисунок 5), которая является более наглядным способом представления оригинала и более мощным и удобным инструментом для решения геометрических задач.

Чертеж в этих условиях начинает играть вспомогательную роль, а методы его создания основаны на методах компьютерной графики, методах отображения пространственной модели. Современные технологии предусматривают построение процесса от трехмерного проектирования к двумерному. В отличие от предыдущего десятилетия, когда плоское двумерное черчение (на кульмане или с помощью компьютера), как правило, определяло идеологию систем проектирования, сегодня, с появлением новой компьютерной техники и развитием математического аппарата, основой построения системы является трехмерное твердотельная параметрическая модель. Данный подход стал возможен с развитием как компьютеров, так и программного обеспечения.

Рисунок 5 Схема новой технологии проектирования

В настоящее время при проектировании интеллектуальных измерительных устройств графические 2D и 3D-моgели электрических схем и печатных плат часто создаются в САПР Altium Designer, а для разработки геометрической модели корпуса изделия разработчики используют графические редакторы, например, Solid Works.

Лекция 7 Сквозное проектирование в Altium Designer

Программные продукты САПР австралийской фирмы Protel Technologies, предназначенные для проведения сквозного проектирования функциональных узлов РЭС, известны с 90-х годов прошлого века. На рынок последовательно выходили версии Tango PRO, Protel 99 SE (1999 г.) и Protel DXP (2002-2004 гг.). Права на продукты Protel в 2005 году перешли к фирме Altium Ltd., и в следующем, 2006 году, версия Protel DXP, получившая определенное развитие, вышла на рынок под именем Altium Designer 6. Это современная мощная "сквозная" САПР, превосходящая многие другие по эффективности. Продукт интенсивно обновляется: на рынок последовательно поступили версии 6.7 и 6.9, потом (датированные по моменту выпуска): Summer 08, Winter 09 и Summer 09 -- в 2008-2009 гг., а затем -- версии Altium Designer 10, AD12, AD13 и AD14, соответственно, в 2011-2013 гг. В настоящий момент уже вышла 20-я версия продукта.

Отличительная особенность продуктов Altium Designer -- возможность проектировать функциональные узлы на микросхемах программируемой логики (ПЛИС, или FPGA -- в англоязычной лексике) с использованием как обычного схемного ввода исходных данных, так и с заданием логики на языке описания схем VHDL. Это позволяет модернизировать проекты, ранее разработанные на микросхемах малой и средней степени интеграции, выполнив их на ПЛИС, и создавать новые решения на ПЛИС непосредственно в среде Altium Designer. Современные версии программного комплекса оснащены развитыми средствами импорта входных данных из других САПР -- например, P-CAD 2000/2006, из САПР фирм Cadence Design Systems (OrCAD, Allegro), Mentor Graphics (PADS, DX Designer), ZUKEN (Cadstar).

Фирма Altium Ltd, обладающая также правами на P-CAD, в 2006 году приняла решение прекратить дальнейшую поддержку линии продуктов P- CAD, закончив ее версией 2006, полностью перейти на Altium Designer и в дальнейшем развивать только этот продукт. Тем не менее в интересах пользователей, обладающих лицензией на P-CAD, фирма ввела в состав продуктов Altium Designer развитые средства конвертации форматов данных P-CAD и ряда других известных САПР с тем, чтобы при переходе с P-CAD на Altium Designer не пострадала преемственность разработок.

В первые годы распространения продукта Altium Designer наблюдалась определенная озабоченность его разработчиков перспективой отказа пользователей от продукта P-CAD. Это находило отражение в дискуссии на форуме сайта производителя www.altium.com. В настоящее время положение в пользу Altium Designer заметно изменилось. Наблюдается все большее увеличение количества пользователей Altium Designer и заинтересованность отечественных организаций-производителей радиоэлектронных средств в обучении своих сотрудников правилам и приемам работы в среде Altium Designer.

Стоит отдельно отметить высокую заинтересованность работодателей в специалистах со знанием и P-CAD, и Altium Designer, в связи с поддержанием существующих и зарегистрированных ранее разработок, чертежи для которых были подготовлены именно в P-CAD. Документация и чертежи новых проектов при этом готовятся зачастую в Altium Designer.

С выходом на российский рынок фирма-производитель предпринимает меры по адаптации функций и формата документов к требованиям отечественной системы стандартов ЕСКД. Представляется, что внесенные обновления, а также возможность выполнения проектов с использованием интегральных микросхем программируемой логики (ПЛИС, они же FPGA) в интегрированной среде Altium Designer дают этому программному комплексу определенные преимущества перед конкурентами.

При всех своих достоинствах Altium Designer, однако, как и другие "электронные" САПР, не дает возможности провести полный цикл сквозного проектирования изделия, включающий этап выпуска конструкторской документации по ЕСКД. Конечным результатом работы "электронных" САПР является интегральный графический образ печатной платы и файлы управляющей информации для автоматизированного производства печатных плат. Этого достаточно для "бездокументного" производства, но принятые на практике системы ведения рабочей конструкторской документации предполагают также выпуск комплекта документов на "твердом" (бумажном) или "электронном" (в виде компьютерных файлов) носителе. Проведенные в 2006 году обновления ЕСКД устанавливают равноправный статус электронных и бумажных конструкторских документов, не отменяя при этом последние.

Для выполнения конструкторского этапа сквозного проектирования, включая выпуск документов по ЕСКД, приходится пользоваться связками САПР, одни из которых выполняют разработку "электронной" составляющей проекта радиоэлектронного функционального узла, а другие -- "машиностроительную" часть проекта.

Состав и базовые концепции Altium Designer

Основные функции Altium Designer

Рассмотрим состав интегрированной САПР радиоэлектронных функциональных узлов Altium Designer и охарактеризуем основные функции входящих в нее компонентов.

О Интегрирующая оболочка DXP (аббревиатура от Design eXPlorer), организующая среду проектирования и объединяющая составные части выполняемой разработки в проект.

О Базовые средства проектирования (Foundation). К ним относятся компоненты Altium Designer, обеспечивающие: