Система Cатурн — средство 3D-проектирования печатных плат

1-е место на конкурсе статей АСКОН

Айдын Фирумян, Дмитрий Багаев

Представляем статью, занявшую одно из двух первых мест на конкурсе статей АСКОН. В публикации представителей Ковровской государственной технологической академии им. В.А.Дегтярева рассказывается об авторской разработке в области САПР.

В настоящее время пользователям доступно огромное количество систем автоматизированного проектирования в области электроники, таких как Or cad, Proteus, Multisim, P-Cad, Electronics WorkBench, MicroCap и т.д. Однако все они позволяют получать лишь схематическое изображение, чего зачастую бывает недостаточно для пространственного представления изделия и его последующего интегрирования в другие системы. Для создания трехмерного макета изделия или платы необходимо самостоятельно спроектировать такую плату в специализированных САПР. В случае не очень сложного изделия это не составит особого труда, но если сложность изделия высока, то проектирование макета окажется длительным и трудоемким.

Повышение эффективности применения электронных САПР зависит от способов интерпретации цифровой проектной информации в среде пользователя, совмещения и чередования автоматических и интерактивных проектных операций, рационального планирования процесса проектирования и создания новых информационных каналов для пользователя, способствующих лучшему восприятию проектной информации.

Основные требования, предъявляемые к конструкторским САПР:

• решение всех задач проектирования электронной аппаратуры (ЭА), то есть ввод структурной, функциональной и принципиальной схем; проведение расчетов и моделирования; конструирование аппаратуры всех уровней; технологическая подготовка производства и изготовление;
• полнота библиотек элементов и узлов, легкость их модификации;
• дружественный, удобный, интуитивно понятный интерфейс;
• качественная визуализация электронных элементов;
• наличие справочной базы данных, соответствие ГОСТам и различным международным стандартам;
• возможность импорта и экспорта информации из других систем.

Важным направлением исследований в конструкторских САПР является поиск методов и средств оптимального планирования и управления процессом проектирования.

Одним из направлений совершенствования САПР электроники является развитие техники и методики отображения свойств проектируемого объекта, а также хода рабочего процесса в целях обеспечения оперативного принятия решений в реальном времени с автоматическими программами синтеза топологии. Это направление имеет два аспекта: выбор оптимальных динамических характеристик отображения проектной документации и эргономически обоснованное применение изобразительных средств графики. Таким образом, конструкторские САПР приобретают черты информационных и управляющих систем реального времени, создающих, как правило, большое количество быстро изменяющихся данных. Принятие решения в таких системах, особенно в критических ситуациях, становится предельно сложной задачей. Это связано, с одной стороны, с трудностями отображения всей необходимой информации, а с другой — с возможностями человека охватить и использовать ее всю в деталях, что в целом отражается на приведенных выше требованиях.

Достижения современной технологии производства электронной аппаратуры, постоянное развитие элементной базы и повышение степени ее интеграции приводят к необходимости создания более совершенных САПР.

Необходимость оперативного отображения, а следовательно, активного включения конструктора в задачи оценки и принятия решений связана с достижением компромисса между требованием учета большого количества свойств, критериев и ограничений проектирования и вычислительной сложностью алгоритмов автоматических синтезирующих программ, способных учесть и реализовать их на современных компьютерах.

Одним из примеров, реализующих приведенные направления, является система САТУРН. Структуру системы САТУРН можно представить следующим образом (рис. 1).

Рис. 1. Структура автоматизированной системы САТУРН

Система Сатурн — приложение, функционирующее в среде КОМПАС-3D. Вместе с тем оно может работать отдельно, в виде справочника по электронным элементам. Система эффективно использует собственную библиотеку элементов, которая содержит несколько графических обозначений, распределенных по классификационным признакам.

Необходимые требования, позволяющие успешно работать с данных комплексом:

• операционная система Windows 2000 SP2, Windows XP SP1;
• наличие системы КОМПАС-3D V8, V8 Plus;
• процессор Pentium II с тактовой частотой 450 МГц;
• оперативная память 128 Мбайт;
• свободное пространство на жестком диске не менее 100 Мбайт.

Библиотека, включенная в систему САТУРН, в настоящее время содержит следующий спектр радиоэлектронных устройств: диоды, стабилитроны, стабисторы, импульсные ограничители, варикапы, конденсаторы, резисторы проволочные, резисторы непроволочные, транзисторы различной мощности и структуры, тиристоры, интегральные микросхемы.

В зависимости от сложности платы, требований к качеству и сроков проектирования система предоставляет конструктору возможность выбора режимов: пользовательского (интерактивного) и автоматизированного, которые он может комбинировать в процессе работы.

Интерактивный режим представляет собой многошаговый итерационный процесс, состоящий из следующих этапов:

• первым этапом проектирования является поиск и выбор необходимого компонента. Система позволяет задавать условия, по которым из многочисленных компонентов, входящих в базу данных, отфильтровывается компонент, удовлетворяющий заданным условиям;
• вторым этапом является настройка параметров и свойств компонента, под которой подразумевается настройка геометрических параметров, а также само расположение элемента на печатной плате (рис. 2);

Рис. 2. Форма электронного элемента

Рис. 3. Фантом электронного элемента

• третий этап заключается в проверке на совместимость заданных параметров и реализуемого элемента. Для каждого элемента имеется система уравнений, путем решения которой определяются допустимые значения параметров элемента;
• на четвертом этапе на основании данных, полученных из предыдущих этапов, формируется трехмерная модель, представляющая собой предварительное изображение — фантом (рис. 3);
• пятый этап обеспечивает оптимальную установку электронного элемента на поверхность печатной платы, благодаря части экспертного модуля — сопряжения (совмещение поверхностей: печатной платы и электронного элемента) — рис. 4;
• шестой этап — сохранение параметров электронного элемента для возможности последующего редактирования в системе САТУРН.

Рис. 4. Вид электронного элемента на печатной плате

Рис. 5. Печатная плата, созданная в системе САТУРН

Существенным отличием автоматизированного режима от интерактивного является генерация трехмерной модели из различных EDA посредством форматов IDF, PCB, PDF, DXF и др. (рис. 5). Трехмерная модель печатной платы создается на основе файлов, импортируемых из ECAD-систем. САТУРН считывает данные и производит построение. Результатом работы системы является трехмерная сборочная модель печатной платы. Полученная плата — обычная 3D-сборка, дальнейшие действия с которой ничем не отличаются от работы с изделием, созданным непосредственно в системе КОМПАС-3D.

В систему САТУРН входит обширная база данных отечественных (российских) и импортных производителей, которая содержит текстовую и графическую информацию об электронных элементах (рис. 6). Достоинством библиотеки является то, что она содержит отдельные электронные элементы (детали) в параметрическом виде. Параметризация совместно с механизмом работы с переменными дает возможность создавать группы однотипных деталей, различающихся определенными параметрами.

Рис. 6 Справочные данные по элементу: a — сравнительные таблицы; б — параметры элементов; в — характеристики элементов

При разработке программного обеспечения системы САТУРН использовано инструментальное средство разработки приложений КОМПАС-МАСТЕР, который обеспечивает организацию вызова посредством API-функций КОМПАС-3D из программ на языках программирования C++, Pascal и Basic.

В итоге использование системы САТУРН позволяет существенно ускорить процесс проектирования трехмерной модели печатной платы и повысить качество ее визуализации, а соответственно и всего проекта в целом. Кроме того, предоставляется возможность конвертации трехмерной модели платы в различные форматы обмена данных для CAE-систем с целью проведения прочностного, теплового и других видов анализа, расчетов вибрации, а также получение сопутствующей технической документации на изделие.

Ковровская государственная технологическая академия им. В.А.Дегтярева

Айдын Камович Фирумян

Студент кафедры приборостроения.

Дмитрий Викторович Багаев

Доцент кафедры ПМ САПР.

САПР и графика 9`2007