4.2.3. Структура автоматизированного проектирования
Конструкторское проектирование является одним из наиболее трудоёмких и ответственных процессов проектирования РЭА и её элементной базы. Оно включает в себя решение следующих основных групп задач :
- коммутационно-монтажного проектирования конструктивных узлов аппаратуры;
- конструирование электромеханических узлов;
- обеспечение допустимых тепловых узлов;
- изготовление конструкторской документации.
Исходными данными для конструкторского проектирования являются результаты структурного, функционально-логического и схемотехнического проектирования, т.е. структурные, функциональные, и принципиальные схемы устройств, принципиальные схемы ИС и фрагменты БИС.
В свою очередь результаты конструкторского проектирования служат основой технологического проектирования и применяются для разработки технологических процессов изготовления элементов, узлов и блоков аппаратуры.
При разработке конструкции РЭА в целом характерно восходящее проектирование: на базе определённой серии логических ИС создаются функциональные ячейки (ТЭЗы), затем разрабатываются блоки, шкафы и т.д.
На каждом из этих уровней проектирования последовательно решаются задачи компоновки элементов конструкции в узлы данного иерархического уровня, их размещения по конкретным установочным местам и трассировки соединений между ними.
Задача компоновки определяет однозначное соответствие между функциональным и конструктивным делением проектируемого устройства. Она имеет два аспекта :
- покрытие функциональной схемы узла схемой соединения типовых конструктивных элементов, например преобразование функциональной схемы соединений базовых логических элементов в схему соединения ИС и дискретных ЭРЭ. Здесь же рассматриваются вопросы выбора класса элементов и минимизация их типов. Конечным этапом решения должен быть выбор оптимальной конструктивно-технологической базы проектируемого устройства ;
- разбиение схемы соединения типовых конструктивных элементов на подсхемы с целью компоновки конструктивных узлов более высокого уровня иерархии, например распределение ИС по ТЭЗам, ТЭЗов по блокам, блоков по стойкам и т.д. Иными словами решается задача расчленения системы на части, которые можно изготовить не нарушая аппаратных ограничений в заданном геометрическом объёме.
В зависимости от конструктивных особенностей проектируемого устройства критериями оптимальности компоновки могут быть: общее число модулей и их типов в покрытии, количество и длина связей между модулями, объём конструкции, характеризуемый числом узлов разбиения и др.
Задача размещения определяет точное местоположение типовых конструктивных элементов в монтажном пространстве конструктивного узла более высокого уровня иерархии, например размещение ИС в различных посадочных местах на плате ТЭЗа.
Показателями качества решения задачи размещения для узлов различных конструктивно-технологических уровней могут быть: суммарная длина всех монтажных соединений между модулями, максимально возможные наводки, число пересечений проводников, концентрация источников тепла в монтажном пространстве и др.
Задача трассировки задаёт точные пути проводников, которые должны оптимальным образом соединить типовые конструктивные элементы данного конструктивно-технологического уровня. Это наиболее трудная задача.
Критериями оптимальности трассировки могут быть: минимальная суммарная длина соединений, минимальное число слоёв монтажа, минимальные наводки в цепях связи элементов и др.
Ограничения для задачи трассировки тесно связаны с технологией получения межэлементных соединений и конструктивными требованиями к монтажу. К технологическим ограничениям относятся: тип монтажа ("в навал" или жгутовой), минимальная длина проводов; для печатного монтажа: ширина проводников и расстояние между ними, максимальное число слоёв и др.
К конструктивным ограничениям относятся: размеры коммутационного поля, наличие проводников, трассы которых заданы, максимальная длина проводников и другие.
Рис. 4.1. Иерархическая структура рабочей станции
Эта группа задач относится к коммутационно-монтажному проектированию и называется задачами структурного синтеза.
Другая важная группа задач конструкторского проектирования - задачи анализа разработанных вариантов конструкций. Они включают в себя анализ тепловых режимов в конструкциях, помехоустойчивости элементов, узлов и устройств, механических характеристик конструкций. Задачи анализа связаны с исследованием объектов и дают ответ на вопрос: какими свойствами обладает разработанная конструкция и насколько она удовлетворяет требованиям, сформулированными при постановке задач оптимизации.
Все перечисленные задачи неразрывно связаны между собой и подчинены общей проблеме - разработке оптимального варианта конструкции изделия. Большая трудоёмкость их решения не позволяет осуществить общую оптимизацию на всех этапах коммутационно-монтажного проектирования (хотя такие попытки уже есть). Поэтому решаются они последовательно с использованием на каждом этапе частных критериев оптимизации и определённого набора ограничений, учитывающих требования общей задачи проектирования. Основная особенность данных задач - их комбинаторный характер, так как оптимальный вариант ищется в конечном множестве. Разнообразие критериев оптимальности сводит их решение к задачам целочисленного линейного программирования, а в некоторых случаях и к использованию приближённых, эвристических методов решений.
При разработке конструкций РЭА используется иерархический принцип конструирования сборочных единиц - конструктивных узлов: интегральные схемы и ЭРЭ; блоки (панели), объединяющие группу ячеек; шкафы (стойки), включающие несколько блоков и элементы их крепления и монтажа; изделия в целом (РЭА, ЭВА), соединённые кабелями связи.
Для автоматизации процесса конструирования необходима высокая степень унификации узлов проектируемой РЭА, так как состав и последовательность задач, решаемых при конструкторском проектировании, определяется делением устройства на конструктивные единицы (модули). Представление устройства в виде совокупности модулей разного структурного уровня определяет формальную модель конструкции РЭА.
Необходимой и составной частью всех структурных уровней РЭА является её несущая конструкция, которая при базовом методе конструирования представляет собой базовую несущую конструкцию (БНК), т.е. типовое конструктивно-технологическое решение несущей конструкции сборочных единиц ряда модификаций РЭА.
В основу построения базовых конструкций технических средств РЭА, ЭВА положен модульный принцип конструирования. Раскрытие модульного принципа по соответствующим уровням показано в таблице.
Таблица 4.6.
Состав конструктивных модулей по уровням.
Уровень модуля |
РЭА, ЭВА (конструктивный модуль) |
БНК |
Первый |
ЭРЭ, ИС, БИС |
Корпус, подложка |
Второй |
Функциональная ячейка, ТЭЗ |
Плата |
Третий |
Блок, панель |
Каркас блочный |
Четвёртый |
Шкаф, стойка, пульт |
Каркас, рама, корпус пульта |
Пятый |
Функционально-законченное изделие |
|
Иерархическая структурная модель конструкции РЭА, заданная делением всей конструкции на модули разного уровня, обеспечивает удобство проектирования, изготовления, эксплуатации и является необходимым условием автоматизированного конструирования.
Постановка и решение конструкторских задач невозможно без разработки математической модели монтажного пространства для каждого уровня модуля. Монтажным пространством модуля i -го уровня называется некоторая область, ограниченная габаритами этого модуля. Оно является метрическим пространством и в нём размещаются модули
( i - 1 ) уровня и осуществляется их электрическое соединение.
ММ объекта (в общем случае) - это любое математическое описание, отражающее с требуемой точностью поведение реального объекта в реальных условиях. ММ являются основным "строительным материалом" при разработке любых САПР и могут быть различной степени точности. ММ сложных объектов расчленяются на частные подмодели, отражающие отдельные стороны функционирования объекта.
ММ конструкций различных устройств РЭА можно представить в виде графов, гиперграфов, структурных чисел и их матричных и списковых эквивалентов. Такая форма представления информации является гибкой, позволяет разрабатывать эффективные алгоритмы, легко реализуемые в ЭВМ.
Большинство задач конструкторского проектирования относятся к задачам структурного синтеза и связано с выбором проектных вариантов. Их цель - получение в некотором смысле наилучшей (оптимальной) структуры изделия. ММ в этом случае должна наиболее полно отображать структурные (в частном случае геометрические) свойства объекта. На каждом иерархическом уровне конструирования используются свои ММ.
Системы автоматизации конструирования РЭА классифицируются по разным принципам: по видам РЭА, видам конструкторских работ, общности элементов атематического обеспечения (МО).
По общности элементов МО САПР РЭА и системы автоматизации конструирования РЭА можно разделить на: системы проектирования двумерной топологии (платы, микросборки, плоские конструктивы), системы проектирования трёхмерных изделий (объёмная компоновка, механические изделия), системы выпуска текстовых конструкторско-технологических документов и информационно- поисковые системы, системы расчётного типа и др.
Наиболее типичным представителем проектирования двумерной топологии является автоматизированное проектирование функциональных ячеек (ТЭЗов). Несмотря на различие технологических методов их изготовления, структура этих систем едина, она приведена на рис.4.2.
Информация, описывающая ячейку и процесс её конструирования, содержится в БД задания. Она содержит описание электрической схемы, геометрические параметры каждого элемента конструкции платы и ЭРЭ, результаты, полученные в процессе конструирования к данному моменту времени, и другую информацию, являющуюся специфической по отношению к конструируемой ячейке. БД задания может обращаться к данным, не зависимым от конкретного задания. К таким данным относятся параметры методов изготовления печатных плат, типовые наборы управляющих параметров САПР и т.п. С помощью БД осуществляется связь между отдельными этапами проектирования по вертикали. Это значит, что результаты обработки данных на предыдущем этапе проектирования заносятся в БД и являются исходными данными для последующего этапа. Таким образом, БД превращаются в систему, которая не только обеспечивает размещение и хранение информации, но и способствует организации наиболее эффективного функционирования всей системы.
Важным элементом системы является подсистема корректировки, с помощью которой проводят изменения в конструкции ячеек, если они не полностью удовлетворяют предъявленным требованием, или при совершенствовании электрических схем ячеек (по результатам испытаний). Здесь желательным является диалоговый режим работы. "Дотрассировка" не разведенных цепей в современных САПР может производиться и вручную.
В диалоговом (интерактивном) режиме решаются задачи, когда :
- проектирование РЭА предполагает решение большого количества творческих задач, которые не поддаются формализации и могут быть решены только конструктором;
- формализация задачи очень громоздка и неэффективна, в то же время конструктор может решить эту задачу значительно быстрее, используя свой опыт, интуицию и зрительный аппарат ;
- необходимо оперативно оценивать промежуточные результаты проектирования и управлять дальнейшим ходом вычислительного процесса, контролировать и корректировать данные.