Средства сквозного проектирования интеллектуальных измерительных устройств

Базовая концепция формирования данных, вырабатываемых в Altium Designer и относящихся к одному объекту того или иного вида, -- проект. Он представляет собой текстовый файлоболочку, объединяющий иерархически организованный набор документов, предполагающих воплощение их в единственном объекте.

В свою очередь, группа проектов, относящихся к объекту со сложной организацией, например, радиоэлектронному устройству, состоящему из нескольких ячеек или блоков, может быть объединена в так называемое рабочее пространство (Workspace). Удобство организации и использования рабочего пространства состоит в том, что в интерфейсных окнах графических редакторов и рабочих панелях программы отображаются документы и другие данные, относящиеся только к проектам активного рабочего пространства. При этом никак не ограничивается возможность включения и исключения из данного рабочего пространства любых других документов.

В Altium Designer поддерживается несколько видов проекта:

Проект печатной платы (PCB Project). В графическом схемном редакторе на основе библиотек компонентной базы строят электрическую принципиальную схему и проводят схемотехническое моделирование. Описание схемы передается в графический редактор печатной платы, в котором строят контур печатной платы, задают число и свойства слоев печати, правила выполнения трассировки, выполняют импорт описания схемы, размещение компонентов на монтажном пространстве, трассировку печатного монтажа, формируют стандартные файлы выходных данных для изготовления печатной платы, сборки и монтажа функционального узла. Документы проекта объединяются оболочкой с именем файла *.PrjPcb.

Проект ПЛИС (FPGA Project). Имя файла оболочки проекта -- *.PrjFpg. Разработку начинают с формирования схемного или HDL-описания логики проектируемого устройства. В проект вводят файлы, в которых содержатся ограничения, связанные с выбором семейства и типа ПЛИС, определяют коммутацию входов и выходов логических сигналов на выводы выбранной ПЛИС, задают требования к рабочей частоте, подключению внешних тактовых сигналов и т. п. Заданная логика компилируется в комбинации логических ячеек нижнего уровня внутренней структуры ПЛИС. Результаты логического синтеза выдаются в виде описания в конструкциях языка обменного формата EDIF. После этого данные EDIF-формата передаются в специализированную САПР производителя выбранного семейства ПЛИС (Vendor Tools), в которой программируется коммута- ция логических ячеек и блоков внутренней структуры ПЛИС и вывод логиче- ских сигналов на физические контакты выбранной микросхемы. Вырабатываются управляющие файлы для программирования ПЛИС в аппаратуре пользователя или на специальном программаторе. В результате микросхема ПЛИС может быть запрограммирована и протестирована на стенде NanoBoard.

На этом выполнение собственно проекта ПЛИС завершается. Однако запрограммированная микросхема не может "висеть в воздухе" -- в любой аппаратуре пользователя ПЛИС окружена целым рядом компонентов: резисторами, конденсаторами, микросхемами более низкой степени интеграции или еще несколькими ПЛИС, электрическими соединителями и т. п. В отличие от традиционных цепочек, образуемых самостоятельными инструментами проектирования, Altium Designer предоставляет единую модель проектных данных и единую среду, в которой обеспечивается связь и синхронизация проекта логического ядра на ПЛИС и "окружения" этой ПЛИС в рамках проекта функционального узла на печатной плате. Таким образом, на завершающей стадии выполняется объединение FPGA- и PCB-проектов и исполнение всего устройства в виде ячейки (модуля) на печатной плате, на которой ПЛИС выступает как обычный компонент, наравне с остальными.

Интегрированная библиотека. Имя файла оболочки -- *.LibPkg, имя файла библиотеки -- *.IntLib. В редакторе библиотек формируют наборы схемных символов (УГО) электрорадиокомпонентов, определяют ссылки на модели компонента. В качестве модели выступают топологическое посадочное место (ТПМ), формируемое в среде редактора библиотек, модели для схемотехнического моделирования, модели для анализа целостности сигнала -- расщепления фронтов логических сигналов в быстродействующих устройствах за счет отражений от концов печатного проводника, а также трехмерные геометрические модели компонентов. Файлы описаний моделей либо ссылки с указанием пути к ним включаются в структуру библиотечного пакета *.LibPkg. После этого выполняют компиляцию компонентов библиотечного пакета в единый файл интегрированной библиотеки.

Встроенный проект (Embedded Project). Имя файла оболочки -- *.PrgEmb. Это набор проектных документов, образующих программное приложение. Исходный текст программы и (или) подпрограмм формируется в конструкциях языка С или Ассемблера и компилируется в объектные модули. Подпрограммы связываются в исполняемый модуль в машинном коде, готовый для загрузки в выбранный процессор или микроконтроллер. Таким образом достигается органическая связь между "схемотехнической" составляющей проекта ПЛИС и программным при- ложением, разрабатываемым в рамках "встроенного" проекта (Embedded Project), когда на ПЛИС проектируется микроконтроллер или микроЭВМ.

Проект логического ядра, неоднократно повторяющегося как элемент логической структуры в других проектах ПЛИС (Core Project). Имя файла оболочки -- *.PrjCor. Проект заканчивается формированием графического схемного символа и описания логики в формате EDIF.

Скрипт-проект. Имя файла оболочки -- *.PrjScr. Цель программирования в среде Altium Designer -- модификация объектов в других открытых проектах. Для управления предназначен интерфейс программирования приложений API (DXP Application Programming Interface).

Панели рабочего пространства. Категории панелей

Панели рабочего пространства Altium Designer сгруппированы в 14 категорий. Для выбора той или иной категории панелей рабочего пространства служит кнопочное меню, расположенное в правом нижнем углу главного окна программы. Состав кнопок-команд выбора категорий меняется по контексту -- в зависимости от активности документа, с которым происходит работа в текущий момент.

Полное описание категорий, состава и функций панелей рабочего пространства Altium Designer представлено в документе HELP-системы TR0104 Altium Designer Panels Reference.pdf, ниже дана расшифровка состава панелей:

? System -- системные панели, используемые во всех операциях:

• Files (файлы) -- панель управления активизацией документов;

• Projects (проекты) -- панель, отображающая дерево логических связей документов всех проектов активного рабочего пространства;

• Libraries (библиотеки) -- панель, служащая для вызова компонентов из библиотек в активный рабочий документ;

• Storage Manager (менеджер памяти)--- панель, отображающая местонахождение проектных документов на диске компьютера:

• Messages -- панель сообщений о результатах выполнения таких операций, как компиляция документов, автотрассировка и др.;

• Output -- панель выходных данных, попадающих в файлы протокола;

• Clipboard -- панель, отображающая содержимое буфера обмена;

• Favorites -- избранное;

• Snippets-- вырезки из документов проекта, предназначенные для повторения в других документах;

• Supplier Search -- панель поиска поставщиков компонентной базы;

• То Do -- панель-памятка "что осталось сделать".

? Design Compiler -- панели компилятора проектов:

• Navigator (навигатор)-- панель, отображающая структуру компилированных документов и обеспечивающая поиск и просмотр связей объектов (компонентов, цепей, контактов) в документе;

• Differences -- панель, отображающая различия документов, сравниваемых по команде меню Project | Show Differences;

• Compile Errors -- ошибки компиляции;

• Compiled Objects Debugger-- отладчик ошибок в объектах компилированных документов.

? SCH (схема) -- категория панелей, доступная при работе с документом схемы

(*.SchDoc) или с библиотекой схемных компонентов (*SchLib):

• SCH List/SCHLIB List -- список всех или выбранных объектов схемного документа (документа библиотеки схемных компонентов);

• SCH Filter/SCHLIB Filter (фильтр) -- панель управления наложением маски, выделением, масштабированием объектов схемного документа или библиотеки схемных компонентов;

• SCH Inspector/SCHLIB Inspector ("инспектор")-- панель обзора и редактирования свойств выбранных объектов схемного документа или библиотеки схемных компонентов;

? РСВ (печатная плата) -- категория панелей, доступная при работе с документом печатной платы *.PcbDoc или с библиотекой топологических посадочных мест (ТПМ) *,PcbLib:

• РСВ панель, отображающая состав и содержащая функции редактирования активного документа печатной платы;

• РСВ List/PCBLIB List -- список всех или выбранных объектов активного документа печатной платы (документа библиотеки ТПМ);

• РСВ Filter/PCBLIB Filter (фильтр) -- панель управления наложением маски, выделением, масштабированием объектов документа печатной платы или библиотеки ТПМ;

• РСВ Inspector/PCBLIB Inspector (" инспектор") -- панель обзора и редактирования свойств выбранных объектов документа печатной платы или библиотеки ТПМ;

• Board Insight ("взгляд внутрь")-- панель-линза, обеспечивающая просмотр в увеличенном масштабе участка печатной платы или библиотечного ТПМ, указанного курсором в графическом окне программы;

• РСВ Rules And Violations -- панель со списком установленных по команде Design | Rules правил выполнения активного документа печатной платы и обнаруженных On-Line DRC контролем нарушений правил;

• 3D Visualization -- панель управления функциями трехмерного отображения РСВ-документа;

• РСВ Library (библиотека ТПМ) -- панель, отображающая список компонентов активного документа библиотеки ТПМ, список графических примитивов, образующих выбранный компонент (ТПМ), функции выделения и наложения маски на выбранный графический примитив (линию, контактную площадку и т. п.).

• Sheet (лист) -- панель, отображающая в уменьшенном масштабе лист схемного документа с обозначением участка схемы, видимого в графическом окне программы;

• SCH Library (библиотека схемных компонентов) -- панель, отображающая список компонентов активного документа библиотеки схемных компонентов, состав и свойства электрических контактов выбранного компонента, набор присоединенных моделей, информацию о поставщике компонентов.

Библиотеки компонентной базы

Залог успешного выполнения проекта радиоэлектронного функционального узла -- обеспеченность библиотеками компонентной базы. Концепции библиотечного обеспечения Altium Designer¹ и САПР Р-CAD 200х [2] имеют и сходства, и различия.

Обычно компонент представляет собой тот базовый "кирпичик", из которых составляется проект радиоэлектронного функционального узла. При выполнении различных этапов работы над проектом компонент описывается по-разному: в электрической схеме используется так называемый логический символ, при проектировании печатной платы -- топологическое посадочное место (ТПМ), в схемотехническом моделировании компонент представлен SPICE- или XSPICE-моделью, при анализе целостности сигнала -- IBIS-моделью своих входных и выходных цепей, при объемном проектировании функционального узла -- трехмерной геометрической моделью (3D-model). Все эти представления компонента, за исключением логического символа, в Altium Designer объединяются понятием модель.

Наличия полной совокупности этих представлений для каждого компонента не обязательно, но в качестве отправной точки проектирования непременно требуется представление компонента его логическим символом. Это то минимальное представление, без которого невозможно начать разработку электрической принципиальной схемы. Логический символ является элементом библиотеки схемного редактора. Он включает условно-графическое обозначение (УГО) и электрические контакты, может быть односекционным или многосекционным.

Таким образом, полное описание электронных компонентов в Altium Designer складывается из следующих самостоятельных описаний:

? элемента библиотеки схемных символов *.SchLib (в отечественной терминологии -- УГО);

? элемента библиотеки топологических посадочных мест *.PCBLib;

? элемента библиотеки трехмерных геометрических моделей *.PCB3DLib;

? элемента библиотеки трехмерных моделей в STEP-формате "машиностроительных" конструкторских САПР (SolidWorks, Pro Engineer и др.);

? файлов описания SPICE/XSPICE-модели аналогового компонента или Digital

SimCode-модели цифрового компонента;

? файлов описания IBIS-модели для анализа паразитных эффектов в печатном монтаже (целостности сигнала).

Элемент схемной библиотеки, кроме непосредственно УГО и описания электрических контактов, содержит ссылку на модель. Модель представляет собой иерархическую структуру, объединяющую ссылки на две последние составные части полного описания компонента.

Библиотечные описания схемного символа, посадочного места и других моделей используются в проектировании самостоятельно либо могут быть скомпилированы в интегрированную библиотеку (имя файла *.IntLib). Преимуществами такой библиотеки являются: ее компактность, возможность переноса с компьютера на компьютер без разрушения связи символа с моделями, возможность автоматически извлекать в проект составные части интегрированного образа в зависимости от того, ведется ли проектирование электрической схемы или печатной платы либо моделирование, а также невозможность непосредственного редактирования компонентов, что защищает их от неумелого или несанкционированного вмешательства.

Компонент можно открыть для редактирования из интегрированной библиотеки командой File | Open <NameOfLibrary.IntLib>, выбрав в диалоговом окне открытия файла функцию Extract Sources.

После создания всех библиотечных элементов, требующихся в проекте, проводят компиляцию интегрированной библиотеки.

Конфигурация графического редактора

Проект печатной платы Altium Designer должен содержать как минимум два основных документа: электрическую принципиальную схему и интегральный графический образ печатной платы.

Здесь производится настройка редактора, которая позволяет получить документ электрической принципиальной схемы, оформленный по ЕСКД.

На следующем этапе проектирования осуществляется формирование и редактирование электрической схемы, после которого производится передача схемы в среду проектирования печатной платы.

Трассировка печатного монтажа

Проектирование печатных плат в свое время было и в некоторой степени до сих пор остается сродни искусству. Это связано с тем, что конечный результат-- удачно спроектированная печатная плата, проводники которой образуют изящные конфигурации, обтекающие препятствия, переходящие со слоя на слой, -- требует от конструктора проявления максимума его творческих способностей и пространственного воображения, соединенных с методическим подходом, понимания того, какие приемы позволяют добиться хорошего стиля и качества.

Одной из главных целей разработки и использования САПР при проектировании функциональных узлов РЭС на печатных платах является автоматизация разводки трасс печатного монтажа. Только автотрассировка дает настоящий скачок в производительности труда конструктора. Работа, которая вручную выполняется за недели и даже месяцы, в современных высокоэффективных САПР занимает секунды или минуты, в самых трудных случаях-- часы. При разработке программных средств автотрассировки в них вкладываются элементы искусственного интеллекта: алгоритмы действия нейронных сетей (на том уровне представлений, который достигнут современной наукой о мозге), топологические алгоритмы поиска пути на графе, анализ геометрии препятствий на пути печатного проводника и т. п. В этой области получен ряд впечатляющих результатов: SPECCTRA, P-CAD Shape Router, отечественный TopoR, автотрассировщик Situs, входящий в состав Protel DXP и Altium Designer, и ряд других.

Тем не менее выполнение трассировки вручную сохраняет право на существование. Автотрассировщик обычно перебирает электрические связи проекта по очереди и применяет при разводке систему правил и приоритетов, так называемую стратегию, в которой не всегда возможно указать "тонкие" приемы разводки. Конструктор, приступая к ручной трассировке, в состоянии окинуть проект более широким взглядом и выстроить для себя неформальную и более сложную систему правил и приоритетов, чем та, которая может быть продиктована программе. Поэтому человеческий интеллект в состоянии решать задачу прокладки пути на монтажном пространстве с препятствиями не хуже современных программ автотрассировки, правда, ценой затраты значительно большего времени.

Существует мнение, что 90 % успеха обеспечивается правильным размещением компонентов, и только 10 % -- непосредственно трассировкой. Поэтому в процессе трассировки может понадобиться корректировать выполненное первоначально размещение, выполнять пробные попытки, пока, наконец, не получится приемлемый результат. По этим соображениям начнем изложение вопроса с описания средств ручной трассировки печатного монтажа, заложенных в графический редактор печатных плат Altium Designer.

? (Standard) Interactive Routing-- стандартная интерактивная трассировка. Программа в этом случае подсказывает возможный путь прокладки очередного сегмента печатного проводника;

? Smart Interactive Routing-- "тонкая", изощренная интерактивная трассировка. Программа подсказывает и частично выполняет более сложные варианты прокладки трассы;

? Differential Pair Routing -- трассировка дифференциальных пар.

Результаты трассировки печатного монтажа, как ручной, так и автоматической, еще не дают окончательного образа печатной платы, пригодного для передачи в производство:

? может, по разным причинам, потребоваться перепрокладка некоторых трасс печатного монтажа;

? может потребоваться перестановка связей логически эквивалентных выводов (чаще всего это логические входы интегральных микросхем) или логических вентилей ЭРК;

? может потребоваться размещение полигонов металлизации в сигнальных слоях или полигонов-вырезов в Plane-слоях или других несигнальных слоях;

? может потребоваться групповое редактирование множества однородных объектов на печатной плате (формы и размеров отверстий, контактных площадок и других объектов).

Список литературы

1. Суходольский В.Ю. Altium Designer: сквозное проектирование функциональных узлов РЭС на печатных платах, 2014.

2. Белоус И.А. Сквозное автоматизированное проектирование в системе Altium Designer, 2016.

3. САПР для машиностроения и промышленного производства // Электротехника и электроника. Altium Designer [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.cad.ru/ru/software/detail.php?ID=25542#.

4. Altium Designer [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.altium.com/altium-designer/overview.

5. ГОСТ 2.702-2011 Единая система конструкторской документации (ЕСКД). Правила выполнения электрических схем http://docs.cntd.ru/document/1200086241.

6. Сабунин А. Altium Designer. Новые решения в проектировании электронных устройств // Солон-пресс, 2009. 432 с.