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.