Сквозное проектирование радиоэлектронной аппаратуры

СКВОЗНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ  
АППАРАТУРЫ

Матаев  Д.В

Научный руководитель: канд.техн.наук, профессор Образцов Н.С

Белорусский государственный университет информатики  и радиоэлектроники,

Кафедра радиоэлектронных средств

 

Аннотация — Проектирование радиоэлектронной аппаратуры с использованием автоматизированной системы сквозного проектирования.

С началом XXI века стала очевидна тенденция к увеличению динамики развития радиоэлектронной аппаратуры в связи с ее внедрением во многие сферы хозяйственной деятельности человека.

Для создания конкурентоспособной  радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) в  условиях бурно развивающейся области  электроники необходимо сократить  время, затрачиваемое на их разработку и корректировку конструкторской  документации (КД), а также сократить количество конструкторских ошибок. Тем самым снизится стоимость продукции. Добиться этого возможно, лишь применяя информационные технологии, а также реализовав сквозной цикл проектирования изделий.

Можно выделить следующие направления развития РЭА:

• уменьшение массогабаритных показателей;
• увеличение степени интеграции компонентов — степень интеграции достигла таких порядков, что полнофункциональные устройства можно выполнять в интегральном исполнении;
• повышение плотности монтажа печатных узлов, являющееся результатом роста удельного веса интегральных схем (ИС) в РЭА, а также повышения степени интеграции элементов в самих ИС, при том, что плотность монтажа в печатных узлах напрямую зависит от массогабаритных характеристик компонентов;
• повышение рабочих частот из-за необходимости обрабатывать и передавать большие объемы информации.

На сегодняшний  момент многие производители САПР позиционируют  свои программные продукты как системы  сквозного проектирования. Однако, это не совсем так. Такие САПР, обладая рядом дополнительных функций, которые, скорее всего, не будут востребованы, но которые перегружают систему проектирования, не предоставляют весь необходимый функционал для реализации сквозного цикла проектирования.

Например, при  разработке печатных плат необходимо учитывать влияние внешних факторов на работу РЭА и проводить мероприятия по минимизации этого влияния. Так, увеличение плотности монтажа при высоком удельном весе активных компонентов в устройствах приводит к увеличению выделения тепловой мощности на отдельных участках печатной платы, усложнению теплоотвода с поверхности (или объема) конструктивного узла, что может вызвать перегрев изделия и быстрый выход его из строя. Поэтому необходимо конструировать РЭА таким образом, чтобы конструкция обеспечивала работу изделия в заданном тепловом режиме. То же относится к проблеме электромагнитной совместимости РЭА, решение которой усложняется с повышением рабочих частот [1].

К тому же, высокая  стоимость изготовления опытных  образцов и измерительной аппаратуры для исследования указанных явлений создает разработчику РЭА дополнительные трудности, преодолеть которые поможет применение соответствующих информационных технологий для их моделирования. Следует отметить, что программные продукты, позиционируемые как САПР сквозного проектирования, не предоставляют возможности проводить анализ влияния указанных внешних факторов, для решения этих задач существуют специализированные САПР.

При реализации сквозного цикла проектирования необходимо применять комплексный  подход к решению данной проблемы. Построение системы сквозного проектирования сводится к выполнению процедур интеграции основных ресурсов. Для удобства следует выделить несколько уровней интеграции:

• на уровне САПР,
• на уровне проектных данных,
• на уровне процессов.

Решение задач  первых двух уровней интеграции сводится к построению единого информационного  пространства. При этом интеграция САПР реализуется совместно с  интеграцией проектных данных для  получения единой интегрированной  информационной системы проектирования, нацеленной на реализацию всех проектных операций сквозного цикла [2].

Эффективное функционирование такой интегрированной системы  возможно, если она обладает следующими свойствами:

• гибкостью — интегрированная система должна работать с любыми САПР;
• масштабируемостью — количество и состав входящих в систему САПР должен изменяться без разработки нового программного обеспечения;
• централизованностью — все проектные данные, над которыми ведется работа, должны быть доступны всем САПР, входящим в интегрированную систему;
• адаптируемостью — форматы выходных данных (в том числе КД) должны адаптироваться к любому технологическому оборудованию.

Это вызывает необходимость  разработки универсальной методики интеграции, которая должна базироваться на разработке единой интегрирующей платформы, центром которой является информационное ядро (ИЯ). Сопряжение САПР осуществляется путем интеграции с информационным ядром посредством специальных программных адаптеров, а для реализации последнего свойства необходимо ввести в интегрированную систему набор конвертеров, состав которых уточняется для каждой конкретной реализации интегрированной системы, и может варьироваться в процессе ее эксплуатации [3].

Интегрированные системы, базирующиеся на использующихся в настоящее время методиках интегрирования, не обладают всеми необходимыми свойствами для оптимизации всех этапов сквозного цикла проектирования. Кроме того, их применение является весьма дорогостоящим.

В настоящее время для  решения задачи интеграции САПР широко используется методика "точка-точка", которая подразумевает под собой прямую интеграцию друг с другом всех САПР посредством специального программного обеспечения — конвертеров (рис.1). В этом случае каждая интегрируемая САПР сопрягается с остальными интегрируемыми САПР напрямую, посредством так называемых конверторов. С увеличением числа сопрягаемых САПР количество конвертеров лавинообразно увеличивается, так как каждая САПР должна сопрягаться со всеми остальными, входящими в интегрируемую систему. Это приводит к усложнению (и увеличению стоимости) процесса интеграции и обслуживания такой системы. Кроме того, каждая отдельно взятая САПР может работать с данными своего формата, при этом иногда может поддерживаться импорт/экспорт данных в форматах других, наиболее популярных и распространенных систем (например, чертежи в формате AutoCAD могут быть импортированы во многие системы проектирования).

Рис. 1. Интеграция САПР посредством конвертера

Конвертеры обеспечивают согласование форматов проектных данных, используемых отдельными САПР. При этом при передаче данных от одной САПР к другой путем конвертирования часть необходимых проектных данных может быть утеряна (обычно эта проблема возникает при передаче атрибутов объектов, так как различные САПР могут работать с разными наборами атрибутов для одних и тех же типов объектов). Следует также помнить, что каждая САПР имеет свои библиотеки и базы данных компонентов, объектов и моделей, используемых при проектировании изделий. Методика интеграции "точка-точка" не обеспечивает согласования этих данных. Кроме того, при изменении отдельных частей полученной системы необходимо проводить коррекцию интегрирующего программного обеспечения (конвертеров), которая является трудоемким и дорогостоящим процессом.

Другой подход, также широко использующийся в настоящее  время, методика интеграции на основе PDM-системы (Product Data Management, сопровождение  данных об изделии), реализованной в виде реляционной базы данных. Данная методика подразумевает лишь централизацию и структурирование КД и не обладает всеми необходимыми свойствами интегрированной системы проектирования, а следовательно, не позволяет реализовать сквозной цикл проектирования. САПР, входящие в состав интегрированной системы, остаются автономными. Между ними нет возможности прямой передачи проектных данных, ведения единых библиотек, распараллеливания проектных процедур, а проблема согласования форматов проектных данных остается открытой. Таким образом, использование этой методики для построения интегрированной системы практически не дает преимуществ по сравнению с использованием автономных САПР.

Еще один подход к интеграции—  использование готовых решений "от одного производителя". В качестве примера можно привести такие комплексы САПР, как АСОНИКА, T-Flex Комплекс, Компас, Altium Designer и т.д. Они обладают высокой степенью интеграции, являются достаточно эффективными, но они не обладают универсальностью и рассчитаны на решение ограниченного круга задач. Следовательно, применение такой системы также не позволит почувствовать преимущества использования сквозного цикла проектирования. Кроме того, в составе такой системы могут присутствовать подсистемы (модули) которые могут и не использоваться при решении конкретных задач, их присутствие делает подобную систему сложной в освоении, требовательной к вычислительным ресурсам и трудномасштабируемой. К тому же, закупка, внедрение, и техническая поддержка такой системы, а также обучение персонала требуют значительных финансовых вложений и времени.

Устранить недостатки, присущие рассмотренным выше подходам построения интегрированных систем проектирования возможно с помощью предлагаемой методики. Основой для разработки единой интеграционной платформы, на базе которой можно построить интегрированную систему проектирования и обеспечить согласование всех проектных данных и процедур в рамках сквозного цикла проектирования (от ТЗ до испытаний), служит реляционная база данных, являющаяся информационным ядром интегрированной системы. В таком информационном ядре обеспечивается классификация и согласование проектных данных.

Интегрируемые САПР сопрягаются с информационным ядром посредством специальных  программных адаптеров, которые  реализуют необходимые функции работы с информационным ядром (рис.2).

Рис. 2. Интегрируемые САПР сопрягаются с ядром посредством программных адаптеров

Их количество равно количеству сопрягаемых программ, а изменение состава системы  влечет лишь изменение количества и конфигураций адаптеров для изменяемых САПР. Кроме того, такой подход подразумевает прямой обмен проектными данными между интегрированными САПР посредством информационного ядра. То есть, вся информация, необходимая для проектирования изделия, централизована и доступна всем сопряженным САПР. Более того, возможно организовать параллельный доступ к проектным данным сразу для нескольких САПР [4]. Таким образом, проектные процедуры могут выполняться параллельно, в результате чего время, затраченное на проектирование, значительно уменьшается.

Такой подход позволяет  обеспечить все необходимые требования к интегрированным САПР для полной реализации сквозного цикла проектирования. Следует отметить, что в процессе интеграции практически не происходит вмешательства в работу САПР. Единственным вмешательством является внедрение подключаемого модуля (адаптера), который конфигурируется CASE-системой, используемой конечной подключаемой САПР. Таким образом, работа приложения не дестабилизируется. Системный менеджер позволяет проводить конфигурацию информационного ядра и программных адаптеров, а также изменять состав интегрированной системы.

В связи с  этим возникает необходимость работать с большим количеством САПР одновременно, что заставляет интенсифицировать  процессы освоения данного программного обеспечения, так как все САПР, входящие с состав интегрированной системы, функционируют как единое целое.

Интеграция на уровне процессов требует скорее решения задач организационного характера. Основным мероприятием по проведению интеграции на уровне процессов является создание единой деловой среды, назначением которой является организация групповой параллельной работы сотрудников различных подразделений. Для реализации групповой параллельной работы необходимо обеспечить тесное взаимодействие между всеми разработчиками (причем, независимо от их территориального расположения), дабы они могли работать как единое целое. Такой подход необходим для эффективной работы с единым информационным пространством и интегрированной системой САПР.

Создание автоматизированной системы сквозного проектирования — довольно сложная задача. Для успешного освоения и работы таких систем необходимы дальнейшие исследования в направлении интеграции САПР и обеспечения организационно—методической поддержки разработки, обучения сотрудников всех подразделений работе с интегрированной системой проектирования и САПР, входящими в ее состав, применяя интенсивные методики обучения.

ЛИТЕРАТУРА

[1].Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования. — М.: Издательство МГТУ им. Баумана, 2006. 
[2].Бунчина Н.Ю. Разработка интегрированной системы информационных технологий проектирования электронно-вычислительных средств. — Труды Международной молодежной научной конференции XXXIV Гагаринские чтения. — М.: МАТИ — РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2008. 
[3].Бунчина Н.Ю., Липатов А.И. Аспекты интеграции информационных систем проектирования электронных систем. — Труды Всероссийской научно-технической конференции Новые материалы и технологии НМТ—2008, Том 3. — М.: МАТИ—РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2008. 
[4].Соломенцев Ю.М., Митрофанов В.Г., Павлов В.В., Рыбаков А.В. Информационно-вычислительные системы в машиностроении CALS-технологии. — М.: Наука, 2003.