Разработка цифрового электронного устройства в системе автоматизированного проектирования Multisim

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1 Микропроцессорные системы на железных дорогах

1.1 Микропроцессорные системы на отечественном подвижном составе

1.2 Микропроцессоры в тормозном оборудовании

2 Описание программного обеспечения Multisim

2.1 Электронные средства Electronics Workbench

2.2 Описание программы Multisim

2.3 Интерфейс программы Multisim

2.3.1 Панель инструментов Standard

2.3.2 Панель инструментов Main

2.3.3 Панель инструментов Simulation

2.3.4 Панель инструментов View

2.3.5 Панель инструментов Components

2.3.6 Панель инструментов Virtual

2.3.7 Панель инструментов Graphic Annotation

2.3.8 Панель инструментов Instruments

2.3.9 Браузер добавления элемента

2.4 Базы данных Multisim

2.5 Моделирование

3 Описание программы Ultiboard

3.1 Общие возможности программы Ultiboard

3.2 Интерфейс программы Ultiboard

3.3 Панели инструментов программы Ultiboard

3.3.1 Панель инструментов Стандартная

3.3.2 Панель инструментов Вид

3.3.3 Панель инструментов Основная

3.3.4 Панель инструментов Select

3.3.5 Панель инструментов Draw Settings

3.3.6 Панель инструментов Edit

3.3.7 Панель инструментов Align

3.3.8 Панель инструментов Place

3.3.9 Панель инструментов Wizard

3.3.10 Панель инструментов Autoroute

3.4 Работа со слоями печатной платы в программе Ultiboard

4 Методика проектирования цифровых устройств

4.1 Применение САПР в создании электронных устройств

4.2 Разработка счетчика

4.2.1 Триггеры

4.2.2 D триггер

4.3 Разработка преобразователя кодов

4.4 Логические основы компьютерной схемотехники

4.5 Получение совершенной дизъюнктивной нормальной формы СДНФ и конъюнктивной нормальной формы (СКНФ)

4.6 Минимизация логических функций

4.6.1 Минимизация логических функций методом Квайна

4.6.2 Минимизация логических функций методом Квайна-Мак-Класки

4.6.3 Переход от сокращенной формы к минимальной форме методом Петрика

4.6.4 Минимизация функций с использованием карт Карно и диаграмм Вейча

5 Моделирование цифрового устройства в Multisim и трассировка печатной платы Ultiboard

6 Безопасность труда при работе за компьютером

6.1 Основные понятия

6.2 Выявление опасных и вредных производственных факторов

6.3 Нормирование опасных и вредных производственных факторов

6.4 Разработка мероприятий по обеспечению безопасности труда за компьютером

7 Оценка экономической эффективности от внедрения новой методики создания моделей цифровых электронных устройств

7.1 Расчет стоимости внедрения новой методики разработки цифровых электронных устройств

7.1.1 Расчет стоимости нового программного обеспечения

7.1.2 Амортизационные отчисления

7.1.3 Затраты на электроэнергию

7.1.4 Расходы на заработную плату

Заключение

Библиографическое описание

Приложения

Введение

В настоящее время невозможно представить себе ни одну отрасль железнодорожного транспорта без микропроцессорных систем управления. Понимание студентами, а в будущем - работниками железнодорожной сферы основ схемотехники выходит на тот же уровень что и понимание механических и электрических процессов, происходящих на подвижном составе. В усвоении этих знаний большую роль играет не только научная теоретическая подготовка, но и наглядность получаемых студентами знаний. Так как воспроизвести процесс схемотехнического конструирования во время учебных занятий в рамках прикладной дисциплины довольно проблематично, идеальным вариантом для решения проблемы является компьютерное моделирование. Использование компьютерных технологий позволяет внедрять возможности, недоступные для некоторых лабораторных классов: неограниченное количество деталей, составных приборов - все это стирает традиционные препятствия при проектировании электрических схем. В отличие от ограничений, связанных с проектированием и реализацией электрических схем, появляющихся в лаборатории, работа со схемами в системах автоматизированного проектирования значительно проще. Эта простота позволяет расширять границы научных исследований.

В наши дни на рынке программного обеспечения нет проблем с выбором систем автоматизированного проектирования для решения различных задач. Современные САПР как отечественного, так и зарубежного производства подходят как для учебных, так и для научных целей. В данном дипломном проекте предлагается в качестве образовательных средств использовать программные пакеты фирмы Electronics Workbench - Multisim и Ultiboard.

Целью данного дипломного проекта является создание методики выполнения курсового проекта по разработке цифрового электронного устройства в системе автоматизированного проектирования Multisim. Студенты, выполнившие курсовой проект по данной методике, должны получить знания теоретических основ расчета необходимого количества элементов для создания печатных плат, научиться использованию программы Multisim для создания моделей цифровых электронных устройств, получить навыки работы в программе Ultiboard по созданию макетов печатных плат, получить представления о принципах работы многих цифровых устройств, видах трассировки и промышленного производства плат.

1 Микропроцессорные системы на железных дорогах

1.1 Микропроцессорные системы на отечественном подвижном составе

В настоящее время широкое распространение получают автоматизированные комплексы для испытания и диагностирования узлов подвижного состава. Среди основных достоинств таких комплексов следует выделить снижение трудоемкости диагностического процесса, минимизацию участия оператора в процессе испытаний и повышение достоверности результатов диагностирования. Микропроцессорное устройство для контроля временных параметров токоприемников подвижного состава (УИВП) позволяет в автоматическом режиме производить запись информации о времени подъема и опускания полоза токоприемника из сложенного состояния до максимальной высоты подъема и сохранять информацию во встроенном накопителе информации.

Накопленная информация передается в ЭВМ, где она анализируется программным обеспечением, и формируется результат диагностирования в виде протокола испытаний.

Переносное устройство УИВП включает в себя датчик угловых перемещений (ДУП) и цифровой регистратор (ЦР), состоящий из измерительного усилителя (ИУ), аналого-цифрового преобразователя (АЦП), накопителя информации (НИ) и пульта управления (ПУ).

После проведения испытаний выход НИ подключается к стационарной ЭВМ для передачи и обработки полученной информации с последующей распечаткой протокола испытаний на принтере.

В соответствии с техническим заданием, утвержденным МПС, ФГУП ВНИКТИ совместно с ОАО «ВЭлНИИ» был разработан технический проект на унифицированную микропроцессорную систему управления и диагностики (МСУД), предназначенную для использования на строящихся и проектируемых магистральных электровозах и тепловозах. Кроме того, система предназначена для модернизации эксплуатируемого тягового подвижного состава различных типов и серий.

МСУД состоит из унифицированной и специализированной частей. Специализированная часть системы является блочно-модульной, и ее состав зависит от конкретного типа локомотива. Унифицированная часть МСУД состоит из следующих конструктивно законченных функциональных частей:

- блок центральный координирующий (БЦК);

- дисплейный модуль (ДМ) со встроенной клавиатурой или координатно-указательным устройством;

- измеритель температурный (ИТ);

- блок управления локомотивом(БУЛ);

- устройство энергонезависимое запоминающее (УЭНЗ);

- программное обеспечение;

- отладочные программно-аппаратные средства.

МСУД обеспечивает бесконтактное управление электрической схемой локомотива, контроль режимов работы локомотивного оборудования, диагностику основных систем и узлов с выдачей информации машинисту о состоянии локомотивного оборудования, межсекционный обмен управляющей и диагностической информацией.

МСУД построен по радиально-сетевому принципу. Идеология построения МСУД предусматривает независимость каждой из его составляющих в части выполнения функций управления от других устройств системы, т.е. отказ любого из блоков системы не влияет на работоспособность других устройств, за исключением функций диагностики и автоведения, что не оказывает влияния на живучесть локомотива в целом.

Применение МСУД позволяет:

- существенно сократить номенклатуру локомотивного оборудования с одновременной его унификацией дляразличных типов и серий;

- повысить технический уровень оснащенности локомотивов за счет применения современных средств микропроцессорной техники;

- применить перспективные структурные решения, позволяющие совместить функции управления и диагностики, реализовать модульные принципы построения локомотивов;

- реализовать новые, более совершенные алгоритмы управления, регулирования и диагностики оборудования локомотивов.

Учеными и специалистами Отраслевого центра внедрения новой техники и технологий (ОЦВ), ВНИИЖТа, МИИТа и предприятий ОАО «РЖД» разработан комплекс интеллектуальных систем автоматизированного управления движением пригородных, пассажирских и грузовых поездов. Основой таких систем является бортовая унифицированная микропроцессорная система ведения поезда. Она представляет собой сложный аппаратно-программный комплекс, построенный по модульному принципу и обеспечивающий автоматизированное энергооптимальное управление режимами движения (тяга, переход на выбег, повторное включение тяги или торможение и т.д.) на основе оптимальных расчетов в реальном времени.

Система позволяет с высокой точностью выполнять график движения, выбирать рациональные с позиций экономии электроэнергии и выполнения требований безопасности режимы движения и тем самым облегчает труд машиниста.

Органичной составной частью системы автоведения является регистратор параметров движения и автоведения (РПДА), специально разработанный для измерения и регистрации во время поездки данных о 38 параметрах движения и управления локомотивом.

Собранная информация сохраняется на съемном накопителе. Ее обработка производится на автоматизированном рабочем месте (АРМ РПДА), поставляемом в локомотивные депо при внедрении системы в эксплуатацию. Анализ расшифрованных данных позволяет диагностировать техническое состояние локомотива, оценивать результаты поездки, действия машиниста, принимать решения по устранению недостатков, совершенствованию расписания движения, проведению необходимых ремонтов и т.п.

В настоящее время системой автоведения оборудован практически весь парк электропоездов и более 1000 электровозов, а регистратором параметров движения -- около 1000 электропоездов и столько же локомотивов.

Комплексы систем автоведения и РПДА можно внедрять на всех типах электровозов постоянного и переменного тока, а также на дизель-поездах. Полученные результаты применения систем автоведения и РПДА стали основой дальнейшего развития новых технологий и интеллектуальных устройств автоматизированного управления движением поездов. Так, в 2002 году был разработан и передан в эксплуатацию на Московскую железную дорогу речевой информатор для оповещения пассажиров на платформе непосредственно с прибывающего электропоезда (РИДОП) о пути прибытия, маршруте следования и остановках. Это устройство повышает качество обслуживания и уровень безопасности движения; сегодня оно внедряется и на других железных дорогах.

Применение систем автоведения, а также разработка системного интерфейса, обеспечивающего сопряжение существующих локомотивных устройств безопасности, позволили создать единую комплексную систему управления и обеспечения безопасности движения на тяговом подвижном составе (ЕКС). Эта система объединяет и органически увязывает функционирование автоведения (УСАВП), системы автоматического управления торможением поезда (САУТ), комплексного локомотивного устройства безопасности (КЛУБ) и телемеханической системыконтроля бодрствования машиниста (ТСКБМ).

Опыт эксплуатации ЕКС подтвердил эффективность комплексного использования приборов автоведения и безопасности, интегрированных в единую систему автоматизированного управления поездом, обеспечивающую безопасность движения и предупреждение возможных ошибок машиниста. Система не допускает опасных режимов ведения поезда, исключает использование тягового и тормозного оборудования локомотивов с запредельными нагрузками. ЕКС предназначена для установки на всех сериях электровозов и электропоездов. Она допускает возможность наращивания и других функций, повышающих эффективность эксплуатации локомотивов и уровня их технического состояния.

В серийный ряд микропроцессорных систем автоведения входит также разработанная коллективом ученых ВНИИЖТа и специалистов ОЦВ интеллектуальная система автоматизированного вождения соединенных поездов с распределенной тягой по длине состава (ИСАВП_РТ). Она позволяет одновременно управлять распределенными в поезде локомотивами (двумя и более).

С 2004 года Отраслевой центр совместно с железными дорогами приступил к внедрению в эксплуатацию этих систем. Их функциональные возможности обеспечивают безопасное вождение поездов с массой до 18 тыс. т и длиной до 780 осей. Особенно эффективны эти системы будут на тех направлениях, где исчерпаны резервы пропускной способности и грузовые перевозки целесообразно осуществлять соединенными поездами, а также при наличии «окон» в период путевых ремонтных работ.

Интеллектуальные системы автоматизированного управления движением поезда входят в состав унифицированного комплекса кабины машиниста (УНИКАМ), который также разработан в ОЦВ. Им в настоящее время оборудовано более 100 электровозов ЧС2К и ВЛ10М. Комплекс объединяет эргономичный пульт с многофункциональным цветным монитором, приборы безопасности САУТ и КЛУБ, а также системы ТСКБМ, автоведения и РПДА.

Дополнительно, в зависимости от серии и назначения локомотива, в состав УНИКАМ могут входить системы управления тяговым приводом (пассажирские электровозы постоянного тока), компенсаторы реактивной мощности и системы ИСАВП-РТ (грузовые электровозы переменного тока) и т.д. Унифицированные технические решения позволяют внедрять комплекс практически на всех сериях локомотивов сети и на вновь создаваемом тяговом подвижном составе. УНИКАМ может интегрировать функциональные возможности всех входящих в него систем, что существенно улучшает условия работы машиниста.

Интеллектуальный комплекс позволяет перейти к существенно новым технологиям управления подвижным составом, свести к минимуму негативное влияние человеческого фактора, повысить эффективность и экономичность управления, эксплуатационную надежность тягового подвижного состава, безопасность поездной работы, а также решать вопросы, связанные с кадровым дефицитом машинистов и их помощников, уже в ближайшее время.

Новые технологии вождения поездов с применением микропроцессорных систем позволяют наращивать провозную способность железных дорог и получать экономию энергоресурсов на тяге поездов от 5 до 15%, значительно облегчают труд машинистов, повышают безопасность движения, открывают пути инновационного развития отрасли. Значимость новых технологий вождения поездов весьма высока. Годовой экономический эффект только за счет экономии электроэнергии составил за 2004-2005 годы более 140 млн. рублей.

1.2 Микропроцессоры в тормозном оборудовании

Тормозные системы, эксплуатируемые в настоящее время на различном подвижном составе - грузовых и пассажирских вагонах, локомотивах и метрополитене, - представляют собой пневматические или электропневматические приборы. В них входят кран машиниста (основной орган управления тормозами на пульте машиниста), воздухораспределители, разобщительные краны, соединительные трубы и др. Развитие тормозных средств всегда шло по пути совершенствования пневматических приборов, повышения их надежности, долговечности, быстродействия, улучшения эксплуатационных показателей.

Следует отметить, что до настоящего времени в стране эксплуатируются и продолжают серийно выпускаться тормозные приборы, которые были разработаны в 50-60-е годы. Поэтому в последние годы стала весьма актуальной задача создания принципиально новых тормозных систем, которые отвечают современным требованиям как с точки зрения технических параметров, так и эргономики, дизайна, особенно для электропоездов и локомотивов скоростного движения. Развитие тормозных систем нового поколения идет по пути разработки новых электропневматических приборов, позволяющих управлять тормозами и по поездным проводам, и от микропроцессорных систем.

В настоящее время и, вероятно, в ближайшей перспективе микропроцессорные системы управления будут применяться не на всех видах подвижного состава. Например, использование даже элементарной автоматики на грузовом подвижном составе весьма затруднительно из-за тяжелых условий его эксплуатации и отсутствия источников питания, обеспечивающих электроэнергией управляющую и исполнительные части тормозной системы. Поэтому тормоза грузового подвижного состава еще продолжительное время останутся пневматическими. Сегодня применять микропроцессорные средства управления наиболее целесообразно на пассажирских вагонах, метрополитене и, особенно, на новом скоростном подвижном составе.

Электронная техника в отечественном тормозостроении впервые появилась в конце прошлого тысячелетия и с первых шагов заставила абсолютно по-новому взглянуть на тормозную систему. В первую очередь это относится к вагонам метро «Яуза», эксплуатирующимся на Люблинской линии Московского метрополитена. По отзывам машинистов, столь полную информацию о состоянии тормозной системы невозможно получить ни на одном составе прежних поколений.

Анализ этих отзывов выявил и ряд интересных фактов. Так, в кабине машиниста нет манометра, показывающего давление в тормозных цилиндрах, но имеется цветной дисплей, в цифровой форме отображающий минимальное и максимальное давление во всех тормозных цилиндрах поезда. В результате внимание машиниста сосредоточивается не на индикаторных лампах сигнализаторов отпуска тормозов, а на показателях фактического давления в цилиндрах, что позволяет с определенным опережением начать сбор схемы на тягу поезда и сократить время на подготовку к движению. Автоматическое доторможивание с замещением электрического тормоза электропневматическим не требует лишних действий машиниста, что значительно снижает его утомляемость и дает возможность остановить состав в строго заданной точке. Применение микропроцессорных средств в вагонах метро нового поколения позволяет не только облегчить управление, но и ввести элементы диагностики основных параметров тормозной системы, выявлять неисправности отдельных тормозных приборов.

В последние годы разрабатывается принципиально новая тормозная система для высокоскоростного электропоезда «Сокол». Здесь для управления тормозами использованы специализированные микропроцессорные устройства, которые позволяют автоматически управлять компрессорами, устройствами очистки и осушки воздуха, магниторельсовыми и стояночными тормозами, а также реализовывать функции автоведения.

Аппаратные и программные средства управления тормозной системой поезда «Сокол» предназначены для оперативной диагностики ее состояния в процессе движения поезда и информирования машиниста в масштабе реального времени о состоянии тормозной системы в целом и отдельных ее элементов. Средства диагностики могут накапливать в «памяти» все отказы и сбои тормозной системы в процессе работы.

В систему управления тормозами высокоскоростного поезда «Сокол» заложены следующие функции:

- действие электропневматического тормоза (ЭПТ) на всех вагонах при отсутствии электрического торможения и только на немоторных вагонах при электрическом торможении на моторных;

- совместное действие с полной тормозной силой электрического тормоза на моторных вагонах и ЭПТ на немоторных при полном служебном торможении;

- замещение электрического тормоза при его отказе на любом моторном вагоне электропневматическим тормозом при регулировочном и полном служебном торможении;

- действие пневматического тормоза с полной тормозной силой при разрыве петли безопасности при экстренном и аварийном торможении на немоторных вагонах;

- автоматическое и дистанционное управление аппаратами подачи и отключения питания катушек магниторельсового тормоза и блоком его управления;

- автоматическое управление основными компрессорами и электропневматическими клапанами и контроль блоков осушки;

- управление стоп-кранами;

- контроль за давлением в тормозной и питательной магистрали;

- исполнение команд безопасности от комплекса бортовой системы управления (КБСУ);

- формирование и выдача сигналов для записи в защищенный регистратор «черный ящик»;

- формирование и выдача информации о состоянии системы управления фрикционными тормозами, ЭПТ и его систем в КБСУ;

- управление автоматическими стояночными тормозами.

Применение микропроцессоров в управлении тормозными системами невозможно без создания новых электропневмовентилей, позволяющих осуществлять управление непосредственно от микропроцессора и выдавать диагностический сигнал о своем состоянии. Электропневмовентиль является связующим звеном между электронной и пневматической частями тормозной системы и поэтому от надежности и четкости его работы зависит надежность тормозной системы в целом.

В настоящее время все более актуальной становится задача создания более надежного дистанционного крана машиниста, обеспечивающего безопасность движения. Он должен отвечать современным требованиям дизайна кабины машиниста, улучшать условия труда локомотивных бригад, а также обеспечивать увеличение межремонтных сроков службы и ресурса по сравнению с ныне эксплуатируемыми кранами 394М и 395М.

Необходимо, чтобы дистанционный кран машиниста обеспечивал обычный порядок управления пневматическими и электропневматическими тормозами, эксплуатируемыми воздухораспределителями и электро-водухораспределителями грузового и пассажирского подвижного состава. Следует предусмотреть возможность управления им от САУТ или системы автоведения поезда.

Дистанционный кран машиниста состоит из контроллера управления, расположенного на пульте управления локомотивом, исполнительных электропневматических и пневматических приборов, а также адаптера, построенного на базе микропроцессора. Последний обеспечивает связь крана с системами управления верхнего уровня и осуществляет диагностику работы его отдельных элементов - электронных, пневматических и электропневматических. Дистанционный кран машиниста может работать автономно, т.е. без использования связей с верхним уровнем через CAN-интерфейс; при этом адаптер выполняет только диагностические функции.

В перспективе должны появиться тормозные системы с микропроцессорным управлением у вагонов наземного городского транспорта, электропоездов, поездов постоянного формирования и др. При этом электронные системы будут не только выполнять диагностические и вспомогательные функции, но и активно участвовать в обеспечении безопасности движения. Так, адаптивные противоюзные устройства практически нельзя реализовать без применения электронных микропроцессорных систем из-за сложного алгоритма их работы. Автоведение поезда также можно осуществить только с использованием микропроцессорной техники.

2 Описание программного обеспечения Multisim

2.1 Электронные средства Electronics Workbench

Electronics Workbench обеспечивает блок инструментальных средств «EDA» (Проектная Автоматизация Электроники), который обеспечивает выполнение основных функций входящих в процесс разработки электронных цепей. Блок состоит из основных следующих компонентов, изображенных на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Блок электронных средств EDA

Multicap - схематическая программа сбора пригодная для схематического введения данных, управления моделированием, и дающая возможность идти «Вниз», как например, переход к формату PCB. Multisim включает в себя весь Multicap и добавляет возможность смешанного аналого-цифрового моделирования.

MultiHDL добавляет возможность создания модели HDL и самомоделирование с Multisim. В зависимости от наличия дополнительных приложений Multisim, могут быть доступны дополнительные опции, как например, моделирование RF и расширенных библиотек частей.

Ultiboard, получающий данные из Multicap или Multisim, используется, чтобы разрабатывать печатную плату цепи, выполнять определенные основные механические действия САПРА и подготавливать ее к производству.

Ultiroute - расширение для Ultiboard, которое обеспечивает автоматизированное размещение частей и набора схем, которые доступны отдельно в Ultiboard.

GerbTool - расширение для Ultiboard, используемое для переведения проектов Ultiboard PCB в формат «Gerber» для дальнейшего экспорта на производство.

CommSim - средство, используемое для моделирования поведения каналов связи.

Все продукты Electronics Workbench доступны как в комплекте, так и по отдельности в зависимости от бюджета проекта и необходимости.

2.2 Описание программы Multisim

Интуитивный редактор схем программы Multisim дает возможность за счет экономии времени на рисовании оставлять больше времени на конструирование. Multisim построен так, что нет необходимости переключаться от режима размещения деталей к режиму разводки, как в других аналогичных программах. Multisim поступает к заказчику с полной базой из 16000 деталей и включает в себя имитационную модель, схематический символ, электрические параметры и макет для разводки. Также имеется бесплатный доступ к центру конструирования (Design Center), в котором имеется более 12 миллионов деталей в поисковой базе данных.

Максимальной точностью и достоверностью обладают классические программы схемотехнического моделирования или SPICE-подобные программы (где SPICE с английского - Имитационная Программа со Встроенным Выражением Цепи), к числу которых и относится Multisim. Принцип их работы основан на машинном составлении системы обыкновенных дифференциальных уравнений электрической цепи и их решении без применения упрощающих предположений. Здесь используются численные методы Рунге - Кутта или метод Гира для интегрирования системы дифференциальных уравнений, метод Ньютона - Рафсона для линеаризации системы нелинейных алгебраических уравнений и метод Гаусса или LU-разложение для решения системы линейных алгебраических уравнений. Модификации этих методов направлены на улучшение сходимости или вычислительной эффективности без упрощения исходной задачи.

В Multisim используются следующие функции SPICE моделирования: SPICE-моделирование индустриального стандарта; XSPICE усиление для расширения Berkeley SPICE3 возможностей; моделирование с подключением VHDL и Verilog; интерактивное моделирование; широкий набор источников, включая DC, синусоидальный, импульсный, пилообразный, случайный, AM, FM; программное моделирование; смешанная аналого-цифровое моделирование; современные алгоритмы для разрешения проблем пересекающихся цепей, расширенные опции для получения компромисса скорость/точность. Функции радиочастотного моделирования: SPICE усиления для высокочастотной имитации; RF инструменты и анализы, RF модели и мастер создания собственных моделей.

Multisim - единственный общецелевой пакет моделирования для использования с частотами свыше 100 MHz, где SPICE обычно становится неработоспособным. Радиочастотный набор программы Multisim включает специальную библиотеку деталей, мастер создания радиочастотных моделей, радиочастотные виртуальные инструменты и радиочастотные анализаторы. VHDL и Verilog функции - простой способ работы для начинающих использовать HDLs, который представляет собой инструмент моделирования сложных цифровых деталей, которые не могут быть смоделированы в SPICE. VHDL и Verilog - возможность моделирования деталей без необходимости понимать HDL синтаксис. VHDL и Verilog - самостоятельный инструмент конструирования с редакторами кодов, менеджерами проектов моделирования, выводом формы колебаний и отладкой, совместным моделированием со SPICE, полным соответствие стандартам.

Multisim позволяет работать группе конструкторов над идентичными схемами в реальном времени через локальную сеть или Интернет. С помощью Multisim можно вводить специальные поля для характеристики деталей, такие как стоимость, время поставки или предпочтительный поставщик.

Совместное использование Multisim и технологии виртуальных приборов, позволяет инженерам-разработчикам печатных плат и преподавателям электротехнических специальностей достичь полной непрерывности цикла проектирования, состоящего из трех этапов: изучение теории, создание принципиальной схемы моделируемой системы, изготовление прототипа и проведение тестовых испытаний.

В Multisim 10.0 и Ultiboard 10.0 реализовано большое количество функции для профессионального проектирования, ориентированных на самые современные средства моделирования, улучшенную компонентную базу данных и расширение пользовательского сообщества. Компонентная база данных включает в себя более 1200 новых элементов и более 500 новых SPICE-моделей от ведущих производителей, таких, как Analog Devices, Linear Technology и Texas Instruments, а также более 100 новых моделей импульсных источников питания.

Помимо этого, в новой версии программного обеспечения появился помощник Convergence Assistant, который автоматически корректирует параметры SPICE, исправляя ошибки моделирования, была добавлена поддержка стандартов BSIM 4, а так же расширены возможности отображения и анализа данных, включая новый пробник для значений тока и обновленные статические пробники для дифференциальных измерений.

2.3 Интерфейс программы Multisim

Multisim обладает интуитивно понятным интерфейсом, обеспечивающим простоту взаимодействия пользователя и программы. Во избежание случайной потери данных, в программе есть функция создания синхронизированной авто-копии файла, отключаемая при необходимости в диалоговом окне параметров.

В Multisim можно импортировать OrCAD или PSpice файлы выбирая желаемый тип в выпадающем списке " Тип Файлов " диалогового окна открытия файлов.

Для того, чтобы работать с файлами из более ранних версий Multisim, нужно выбрать желаемую версию в выпадающем списке " Тип Файлов " диалогового окна открытия файлов.

Интерфейс пользователя состоит из полоски меню, панелей инструментов, панелей компонентов, рабочей области, где отображается сама схема. Так же можно добавить электронную таблицу, отображающую историю построения, либо полностью перестроить интерфейс под свои требования с вынесением ссылок на определенные команды на кнопки быстрого запуска.

Полоса меню состоит из следующих компонентов:

- меню работы с файлами (File)

- меню редактирования (Edit)

- меню настроек отображения (View)

- меню размещения объектов (Place)

- меню моделирования (Simulate)

- меню передачи схем в другие приложения (Transfer)

- меню инструментов (Tools)

- меню отчетов (Reports)

- меню настроек (Options)

- меню работы с окнами (Window)

- меню работы с файлами справок (Help)

В Multisim поддерживается нажатие горячих клавиш для быстрого перехода по инструментам меню с клавиатуры.

В стандартной конфигурации предусмотрены следующие панели инструментов:

- Standard состоит из “быстрых кнопок”, имеющих аналоги в меню File и команд редактирования

- View состоит из команд изменения вида рабочей области

- Main содержит главные операции над электрической схемой

- Graphic Annotation содержит инструменты для вставки графических объектов

- Analog Components содержит аналоговые компоненты

- Basic предусматривает вставку простейших электронных устройств

- Diods содержит диоды

- Transistor Components содержит библиотеку транзисторов

- Measurement Components включает в себя инструменты измерения

- Miscellaneous Components содержит прочие компоненты

- Components содержит кнопки для вставки элементов из полной библиотеки компонентов

- Power Source Components - панель источников питания

- Signal Source Components панель источников сигналов

- Virtual содержит весь набор виртуальных компонентов

- Instruments содержит инструменты.

В Multisim для облегчения работы с приложением есть возможность создания собственных панелей инструментов с определенными наборами команд. Стандартное окно программы изображено на рисунке 2.2.



Рисунок 2.2 - Стандартное окно программы Multisim

В верхней части окна располагается стандартное меню команд. На панели инструментов находятся кнопки для каждого инструмента в отдельности. При нажатии на элемент появляется окно выбора компонента из базы данных Multisim для размещения на схеме. Если в стандартной базе Multisim не найден нужный компонент, включается связь с EDAparts.com, происходит автоматический запуск браузера и открытие страницы, где есть расширенная библиотека компонентов. После этого можно, используя данный сайт, загружать части необходимые для создания схемы.

Окно Проектируемой Схемы - область для формирования цепи. Здесь осуществляется принципиальное построение схемы путем добавления отдельных ее элементов и связей между ними.

Строка состояния отображает полезную информацию текущей операции и описание элемента, к которому в настоящее время подведен курсор.

Окно разработки позволяет управлять другими типами файлов в проекте (схемы, PCB, сообщения), рассматривать иерархию схемы и показывать или прятать разные слои.

Электронная таблица внизу допускает быстрый передовой просмотр и редактирование параметров, включая компонентные такие детали как, например следы, RefDes, атрибуты и проектные ограничения. Пользователь может менять параметры для некоторых или всех компонентов за раз и выполняют множество других функций.

Можно модифицировать фактически любое значение параметров Multisim, включая цвета, используемые в цепи, размер страницы, масштаб, интервал автоматической синхронизации в резервный файл, кодировку символов (ANSI или DIN) и установки принтера.

Установочные параметры настроек сохраняются индивидуально с каждым файлом цепи, так что можно, например, иметь одну цветовую схема для одной цепи и иную для другой цепи. Можно также аннулировать установочные параметры для индивидуальных примеров (например, изменить один конкретный компонент от красного к оранжевому) или для целой цепи.

Настройка делается через диалоговое окно параметров, используемое для установления общих параметров. Эти предпочтения могут изменяться от одной рабочей станции к другой.

Окно свойств страницы используется, для установления параметров активного листа. Эти предпочтения сохранены в самом файле цепи, чтобы при открытии цепи на другой рабочей станции, она использовала те же установочные параметры.

Далее описаны основные кнопки панелей инструментов программы Multisim.

2.3.1 Панель инструментов Standard

Панель инструментов Standard содержит кнопки для обычно выполняемых функций. Кнопки панели инструментов Standard описаны в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Кнопки панели инструментов Standard

Кнопка	Описание элемента
	New создает новый файл
	Open открывает существующий файл
	Open Sample открывает папку, содержащую образцы и запускает файлы
	Save сохраняет активную в данный момент схему
	Print Circuit выводит на печать активную в данный момент схему
	Print Preview выводит на экран функцию предварительного просмотра
	Cut удаляет выбранные элементы и помещает их в буфер обмена
	Copy копирует выбранные элементы и помещает их в буфер обмена
	Paste вставляет содержимое буфера обмена в место положения курсора
	Undo отменяет последнее выполненное действие
	Redo делает заново отмененное последнее выполненное действие

2.3.2 Панель инструментов Main

Кнопки панели инструментов Main описаны в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Кнопки панели инструментов Main

Кнопка	Описание элемента
	Toggle Design Toolbox включает, либо выключает окно Design Toolbox
	Toggle Spreadsheet View включает либо выключает окно электронной таблицы
	Database Manager вызывает диалоговое окно менеджера баз данных
	Create Component нажатие вызывает мастера создания компонентов
	Grapher/Analyses отображает графики, а так же выполняет анализ цепи
	Postprocessor вызывает диалоговое окно Postprocessor
	Electrical Rules Checking проверяет правильность соединения элементов согласно правилам принятым заранее
	Capture Screen Area захватывает область экрана
	Back Annotate from Ultiboard создает изменения в цепи, сделанные в Ultiboard
	Forward Annotate передает изменения сделанные в Multisim в существующий файл печатной платы Ultiboard
	Help вызывает справку

2.3.3 Панель инструментов Simulation

Кнопки панели инструментов Simulation описаны в таблице 2.3.

Таблица 2.3 - Кнопки панели инструментов Simulation

Кнопка	Описание элемента
	Run/resume simulation запускает моделирование процессов в цепи
	Pause simulation приостанавливает моделирование процессов в цепи
	Stop simulation останавливает моделирование процессов в цепи
	Pause at Next MCU Instruction Boundary приостанавливает моделирование процессов в цепи на следующей границе модуля MCU
	Step Into осуществляет переход к выбранному элементу модуля MCU
	Step Over осуществляет переход к последнему элементу модуля MCU
	Step Out завершает работу с модулем MCU
	Run to Cursor осуществляет переход к элементу модуля MCU, который выбран курсором
	Toggle Breakpoint включает, либо выключает контрольные точки
	Remove All Breakpoints удаляет все контрольные точки

2.3.4 Панель инструментов View

Кнопки панели инструментов View описаны в таблице 2.4.

Таблица 2.4 - Кнопки панели инструментов View

Кнопка	Описание элемента
	Toggle Full Screen включает режим полноэкранного просмотра цепи
	Increase Zoom увеличивает масштаб отображения цепи
	Decrease Zoom уменьшает масштаб отображения цепи
	Zoom Area увеличивает масштаб на выбранной области цепи
	Zoom Fit to Page изменяет масштаб для отображения всей цепи

2.3.5 Панель инструментов Components

Кнопки панели инструментов Components описаны в таблице 2.5.

Таблица 2.5 - Кнопки панели инструментов Components

Кнопка	Описание элемента
	Source вызывает окно браузера с выбором источников питания
	Basic вызывает окно браузера с выбором основных элементов
	Diode вызывает окно браузера с выбором диодов
	Transistor вызывает окно браузера с выбором транзисторов
	Analog вызывает окно браузера с выбором аналоговых компонентов
	TTL вызывает окно браузера с выбором компонентов TTL
	CMOS вызывает окно браузера с выбором компонентов CMOS
	Miscellaneous Digital вызывает окно браузера с выбором различных цифровых компонентов
	Mixed вызывает окно браузера с выбором смешанных компонентов
	Power Components вызывает окно браузера с выбором силовых компонентов
	Indicator вызывает окно браузера с выбором индикаторов
	Miscellaneous вызывает окно браузера с выбором прочих компонентов
	Electromechanical вызывает окно браузера с выбором электромеханических компонентов
	RF вызывает окно браузера с выбором компонентов RF
	Place Advanced Peripherals вызывает окно браузера с выбором периферийных компонентов
	Place MCU Module вставляет в окно модуль MCU

2.3.6 Панель инструментов Virtual

Кнопки панели инструментов Virtual описаны в таблице 2.6.

Таблица 2.6 - Кнопки панели инструментов Virtual

Кнопка	Описание элемента
	Show Power Source Components вызывает панель инструментов выбора виртуальных источников питания
	Show Signal Source Components вызывает панель инструментов выбора виртуальных источников сигналов
	Show Basic Components вызывает панель инструментов выбора виртуальных основных компонентов
	Show Diode Components вызывает панель инструментов выбора виртуальных диодов
	Show Transistor Components вызывает панель инструментов выбора виртуальных транзисторов
	Show Analog Components Bar вызывает панель инструментов выбора виртуальных аналоговых компонентов
	Show Miscellaneous Components Bar вызывает панель инструментов выбора прочих виртуальных компонентов
	Show Measurement Components Bar вызывает панель инструментов выбора измерительных элементов
	Show Rated Virtual Components Bar вызывает панель инструментов выбора номинальных компонентов
	Show 3D Components Bar вызывает панель инструментов выбора виртуальных трехмерных компонентов

2.3.7 Панель инструментов Graphic Annotation

Кнопки панели инструментов Graphic Annotation описаны в таблице 2.7.

Таблица 2.7 - Кнопки панели инструментов Graphic Annotation

Кнопка	Описание элемента
	Picture помещает рисунок в рабочую область
	Polygon кнопка для рисования многоугольника
	Arc кнопка рисования дуги
	Ellipse кнопка рисования эллипса
	Rectangle кнопка для рисования прямоугольника
	Multiline кнопка для рисования ломаной линии
	Line кнопка рисования линии
	Place Text размещает текст в рабочей области
	Place Comment размещает комментарий в выбранной области

2.3.8 Панель инструментов Instruments

Кнопки панели инструментов Instruments описаны в таблице 2.8.

Таблица 2.8 - Кнопки панели инструментов Instruments

Кнопка	Описание элемента
	Multimeter помещает мультиметр в рабочее пространство
	Function Generator помещает генератор функций в рабочую область
	Wattmeter помещает ваттметр в рабочее пространство
	Oscilloscope помещает осциллограф в рабочее пространство
	Four Channel Oscilloscope помещает в рабочее пространство четырехканальный осциллограф
	Bode Plotter размещает на рабочем пространстве средство для построения графиков частоты относительно напряжения
	Frequency Counter помещает в рабочее пространство счетчик частоты
	Word Generator помещает в рабочую область генератор кодов
	Logic Analyzer помещает в рабочее пространство логический анализатор
	Logic Converter помещает в рабочее пространство логический преобразователь
	IV-Analysis помещает в рабочую область прибор для измерения вольтамперных характеристик различных компонентов
	Distortion Analyzer помещает в рабочую область анализатор искажений
	Spectrum Analyzer помещает в рабочее пространство спектральный анализатор
	Network Analyzer помещает в рабочее пространство анализатор сети
	Agilent Function Generator помещает в рабочую область 15 MHz генератор функций, выполненный по технологии Agilent
	Agilent Multimeter помещает в рабочую область программируемый мультиметр, выполненный по технологии Agilent
	Agilent Oscilloscope помещает в рабочую область программируемый осциллограф, выполненный по технологии Agilent
	Tektronix Oscilloscope помещает в рабочую область 200MHz четырехканальный программируемый осциллограф, выполненный по технологии Tektronix
	Current Probe помещает в рабочее пространство контактный датчик для измерения тока
	LabVIEW Instrument вставляет в рабочее пространство инструмент LabVIEW
	Measurement Probe делает указатель мыши активным, когда тот подносится к какому либо элементу схемы, показывает характеристики элемента

2.3.9 Браузер добавления элемента

Любой элемент, находящийся в базе данных, можно так же выбрать через специальный браузер показанный на рисунке 2.3.



Рисунок 2.3 - Окно браузера добавления новых компонентов

В первую очередь пользователь выбирает базу данных, в которой находится желаемый элемент. Затем из раскрывающегося окна групп компонентов выбирается необходимая группа, к которой относится искомый элемент. Далее происходит выбор самого компонента по его функциональному назначению. При выборе определенного компонента в отдельной области окна будет видно его будущее изображение на схеме. Также будет подписан его официальный серийный производитель и функциональные особенности. При необходимости компонент можно искать по его названию в международной классификации, воспользовавшись опцией поиска. Можно вызвать отдельное окно детального отчета для нужного элемента, либо выбрать его модель.

2.4 Базы данных Multisim

Схематический сбор является первым этапом в разработке цепи. На этом этапе, выбираются компоненты, которые будут использованы, устанавливаются в окне цепи в желаемой позиции и ориентации, соединяются вместе, и в итоге отображают конечный проект. Multisim позволяет модифицировать свойства компонентов, ориентировать цепь в сетку, добавлять текст и блоки названий, добавлять подсхемы и шины и управлять цветом фона окна цепи, компонентов и проводов.

База данных компонентов Multisim предназначена для хранения информации необходимой при описании любого элемента. Оно содержит все детали необходимые для схематического сбора, моделирования в формат PCB, а также другую информацию относительно электрических свойств компонентов.

Есть три уровня базы данных предусмотренных в Multisim. Основная база данных (master database) предназначена только для чтения и содержит компоненты поставленные Electronics Workbench. База данных пользователя (user database) индивидуальна для каждого отдельного пользователя. Она используется для компонентов созданных самостоятельно, но которые не собираются распространять. Корпоративная база данных (corporate database) служит для загрузки заказных компоненты, которые собираются распространять в пределах организации. Различные инструментальные средства управления представлены для того, чтобы перемещать компоненты между базами данных, объединять базы данных и редактировать их. Все базы данных подразделены на группы и затем в семейства в пределах тех групп.

Когда разработчик выбирает компонент из базы данных и вставляет его в цепь, это - копия компонента, взятого из базы. Любое редактирование сделанное с компонентом в цепи не влияет на оригинальную базу данных, или любые аналогичные компоненты прежде установленные в цепи. Подобно, любое редактирование сделанное с компонентом в базе данных, не будет влиять на прежде установленные компоненты, но повлияет на все установленные впоследствии. Когда цепь сохраняется, информация по каждому компоненту сохраняется вместе с ним.

Multisim делит компоненты в логические группы. Каждая группа содержит семейства связанных компонентов. Группы указаны ниже:

- Источники

- Основные

- Диоды

- Транзисторы

- Аналоговые устройства

- TTL

- CMOS

- Смешанные

- Цифровые

- Индикаторы

- Прочее

- Электромеханические

- RF (для пользователей с модулем RF)

2.5 Моделирование

Моделирование является математическим путем эмуляции поведения цепи. С моделированием можно определить большинство вариантов исполнения цепи без физического создания или использования инструментов фактического теста. Хотя Multisim делает моделирование интуитивно удобным, технология, лежащая в основе скорости и точности моделирования, а также удобства использования сложная.

Multisim включает SPICE3F5 и XSPICE - являющиеся имитационными алгоритмами, с модифицированными по заказу пользователя расширениями, разработанными Electronics Workbench, таким образом, чтобы оптимизировать имитационное исполнение с цифровым и смешанным способами моделирования. Как SPICE3F5, так и XSPICE приняты промышленностью и стандартизированы. SPICE3F5 - наиболее последнее издание SPICE, ядро которой разрабатывалось Университетом Калифорнии в Berkeley. XSPICE - набор уникальных расширений сделанных, для SPICE, по контракту с Военно-воздушными Силами США, которые включали смешанное моделирование с изменяющимися событиями, и подсистему расширяемой модели конечного пользователя. Electronics Workbench расширило это ядро с определенными стандартными характеристиками совместимости присущими PSPICE, чтобы добиться использования более широкого диапазона SPICE в моделях.

Модуль Multisim RF имитирует цепи RF, использующие оптимизированный алгоритм SPICE. Нет необходимости каким то образом обозначать в Multisim, что цепь является именно цепью RF. Моделирование RF использует имитационный алгоритм SPICE, но оптимизированный так, чтобы точно имитировать цепи разработанные, для более высоких частот. Эта оптимизация использует части созданные особым образом и настроенные так, чтобы моделирование осуществлялось именно на желаемых более высоких частотах.

Приобретенное отдельно, MultiHDL обеспечивает способность имитировать компоненты, смоделированные в VHDL или Verilog. Это приложение легко добавляется к Multisim, при этом смоделированные части VHDL можно ставить рядом с главными аналого-цифровыми частями. Использование средства MultiHDL ни чем не отличается от стандартной работы в среде и имеет тот же самый интерфейс. Если схема содержит сложные цифровые чипы, смоделированные в VHDL, моделирование происходит автоматически и с высокой точностью.

Multisim обладает характеристиками, которые включаются в любые программы формата PCB, и особенно хорошо интегрируются в свой однотипный продукт Ultiboard.

В Multisim определяются слои PCB, затем ограничиваются сети, которые нужно помещать в эти слои. Есть возможность также указать для специфических сетей желаемую минимальную и максимальную ширину дорожки, минимальную и максимальную длину дорожки, минимальные расстояний между дорожками, панелями, методы прохождения, и так далее. Также, Multisim следит за мощностью и заземляет сети и ограничивает их, чтобы они были помещены только в слоях подходящего типа.

Когда проект схематический подготовлен, он будет выровнен, сохранен и передан в Ultiboard для оформления платы. В Ultiboard разрабатывается форма платы и размеры, устанавливаются компоненты на плате и направляются дорожки так на столько слоев сколько необходимо. Размещение производится для более удобного соединения дорожек между слоями. Ultiroute и дополнительные продукты надстраиваемые на Ultiboard, используются как в части размещения элементов так и, чтобы направлять дорожки автоматически.

Библиотеки Multisim/Ultiboard также содержат полную механическую информацию САПРА 3D для платы и ее частей. 3D Вид платы позволяет быстро просматривать механические свойства. Небольшой механический пакет САПРА в Ultiboard работает быстро и разрабатывает наиболее подходящий корпус. Для большей работы, информация 3D платы может быть экспортирована в популярные механические пакеты САПРА.

Для проведения наилучшей маршрутизации, Ultiboard или Ultiroute может менять положения ножек компонентов. Multisim обеспечивает Ultiboard всей информацией требуемой для выполнения этих операций.

Изменения сделанные в Ultiboard могут быть записаны в Multisim. Например, если компонент переименован, компоненты пересекаются друг с другом, ножки пересекаются, части удалены, и так далее. Изменения будут сделаны в Multisim также. Подобно, последующие изменения на схеме в Multisim могут быть записаны обратно в Ultiboard, для того, чтобы добиться наилучшего результата при разработке.

Как только плата полностью спроектирована, проект переходит в Gerbtool для подготовки файлов промышленного стандарта Gerber к поставке изготовителю плат.

3 Описание программы Ultiboard

3.1 Общие возможности программы Ultiboard

National Instruments Ultiboard - программная среда для разработки печатных плат, позволяющая переносить схематические модели проектов, созданных с помощью Multisim или Multicap, на макет платы и производить соответствующую разводку. Среда Ultiboard обладает всеми необходимыми функциями и инструментами для создания широкого диапазона современных печатных плат. Благодаря интеграции с Multisim и удобному интуитивному интерфейсу Ultiboard создает макеты плат из схематических проектов и осуществляет эффективную разводку дорожек. А наличие программ-помощников, возможностей просмотра динамических таблиц и гибких настроек позволяет максимально просто управлять макетами и проектами.