Разработка и исследование подсистемы учебно-исследовательской САПР РЭА

Дипломником самостоятельно разработана программа, содержащая описания большого количества РЭК, позволяющая рассчитать конструктивный объем проектируемых изделий и размеры печатной платы, что не позволяет сделать система P-CAD. Пояснительная записка содержит большое количество рисунков, выполненных средствами компьютерной графики, в частности в пакетах P-CAD, Picture Maker, Paint Brush и др.

Графический материал представлен плакатами, исполненными на плоттере под управлением программы PC-PLOT. Подготовлен ряд демонстрационных слайдов, поясняющих ход экспериментов и наглядно отображающих результаты исследований.

Результаты работы - методика исследований и данные экспериментов - могут быть использованы при организации курса лабораторных работ на основе пакета P-CAD, а так же будут полезны разработчикам РЭА, использующим эту систему.

Дипломная работа заслуживает оценки 'Отлично', а дипломник Горбач Д.А. присвоения квалификации радиоинженера.

Начальник отдела САПР АО Приморгражданпроект И.В.Третьяков . Дальневосточный технологический институт Кафедра радиоэлектроники и компьютерной техники 'УТВЕРЖДАЮ' Зав.кафедрой ____________________ '___'__________ 1993г. З А Д А Н И Е на дипломное проектирование студенту Горбач Дмитрию Александровичу 1. Тема работы: Разработка и исследование подсистемы учебно-исследовательской САПР РЭА. Утверждена приказом по институту No 191/1 от 22.03.93. 2. Срок сдачи работы 01.06.93 3. Техническое задание к работе 3.1. Цель: исследование и разработка подсистем и звеньев учебно-исследовательской САПР РЭА. 3.2. Решаемые задачи: обзор алгоритмов и методов конструирования печатных плат; pазpаботка пpогpаммы pасчета констpуктивного объема РЭА; исследование алгоритмов, используемых в системе автоматизированного проектирования на основе пакета P-CAD; технико-экономическое обоснование внедpения pассматpиваемой САПР в пpомышленное пpоизводство. 4. Работа представляется пояснительной запиской и гpафическим матеpиалом. 5. Содержание пояснительной записки: введение; обзоp алгоpитмов, используемых в САПР РЭА (pасчет констpуктивного объема, модель печатной платы, алгоpитмы компоновки и тpассиpовки печатных плат); исследование методов пpоектиpования и алгоpитмов, используемых в САПР РЭА на основе пакета P-CAD; экономическое обоснование внедpения pассматpиваемой САПР в пpомышленное пpоизводство; пpиложения (пpогpамма pасчета констpуктивного объема РЭА, стpуктуpы баз данных пpогpаммы). 6. Перечень гpафического матеpиала (плакаты формата А3): 1) Пример I. Блок видеомагнитофона. Схема электрическая принципиальная; 2) Пример I. Компоновочный эскиз печатной платы. 3) Пример I. Трассировка в слое COMP. 4) Пример I. Трассировка в слое SOLDER. 5) Диаграмма - сравнение эффективности алгоритмов трассировки. 6) Диаграмма - снижение трудоемкости при внедрении САПР. 7. Консультант по экономическому разделу работы _______________________________________ Бешенцева О.В. Дата выдачи задания 10.03.93. Руководитель дипломного проектирования _______________________________________ Колесник Н.Я. . АННОТАЦИЯ Горбач Д.А. Разработка и исследование подсистемы учебно-исследовательской САПР РЭА. Дипломная работа. ДВТИ, 1993, 102 с., 37 илл., 7 табл., 14 библ., 6 пл. Цель дипломной работы - исследование и разработка подсистем и звеньев учебно-исследовательской САПР РЭА на основе пакета P-CAD, в частности программ компоновки и трассировки печатных плат, как наиболее трудоемкого и нуждающегося в автоматизации этапа проектирования радиоэлектронной аппаратуры. В работе приводится обзор современных алгоритмов, используемых на различных этапах радиотехнических САПР - при расчете конструктивного объема РЭА, компоновке печатных плат и их трассировке. С целью облегчить расчет конструктивного объема проектируемых изделий была разработана программа RTN (IBM PC, Clipper), содержащая описание более 2000 компонентов отечественной элементной базы. На примере разработки двух разнотипных блоков произведен ряд экспериментов с целью исследовать возможности программ пакета P-CAD. Приведена методика компоновки в автоматическом и интерактивном режимах программы PC-PLACE, определена последовательность действий оператора, позволяющая достичь максимального использования ресурсов печатной платы. Дан сравнительный анализ алгоритмов трассировки программы PC-ROUTE. Расчет экономической эффективности САПР с применением данного пакета убедительно показывает снижение трудоемкости работы проектировщиков более чем в два раза. При внедрении подобной системы на промышленном предприятии срок окупаемости составит 2-3 месяца.

Результаты работы - методика исследований и данные экспериментов - могут быть использованы при организации курса лабораторных работ на основе пакета P-CAD, а так же будут полезны разработчикам РЭА, использующим эту систему. . СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 4 1. АНАЛИЗ АЛГОРИТМОВ САПР ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ 6 1.1. Модель печатной платы для электрических соединений 6 1.2. Алгоритмы компоновки печатных плат 11 1.3. Алгоритмы проектирования печатного монтажа 19 1.4. Способы соединения контактов 39 2. ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В СИСТЕМЕ P-CAD 41 2.1. Постановка задачи 41 2.2. Пример I. Блок видеомагнитофона. 41 2.3. Пример II. Имитатор целей РЛС. 65 3. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ САПР P-CAD 81 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 90 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 92 Приложение I. Программа RTV. 93 . ВВЕДЕНИЕ С увеличением степени интеграции современной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) существенно возрастает и трудоемкость ее проектирования. Это связано с ростом размерности задач, решаемых в процессе разработки.

Эффективным средством решения этой проблемы является применение компьютерной техники на всех этапах создания РЭА. В последнее время методы автоматизированного проектирования, как и радиоэлектроника в целом, находятся на этапе стремительного совершенствования.

Поскольку высокоэффективные компьютеры перестали быть редкостью, методы машинного проектирования постепенно превращаются в инструмент, пользоваться которым может практически каждый.

Инженер по радиоэлектронике и автоматике в условиях технической оснащенности интеллектуальной деятельности должен свободно владеть средствами математического и программного моделирования и решения задач проектирования и эксплуатации аппаратуры с помощью ЭВМ. При этом, направленное обучение специалистов по использованию компьютерной техники и программного обеспечения АРМ инженера, является весьма актуальным и обусловлено широким внедрением в инженерную практику персональных ЭВМ. В настоящее время в промышленности широкое распространение получили различные системы автоматизированного проектирования (САПР). В частности, для проектирования печатных плат (ПП), гибридных интегральных схем (ГИС), микросборок (МБС) и других подобных конструктивов широко используется система P-CAD, разработанная фирмой Personal CAD System. По оценке специалистов система P-CAD является несомненным лидером среди других систем аналогичного назначения, функционирующих на персональных компьютерах класса IBM PC. Cистема P-CAD (Personal Computer Aided Design) предназначена для автоматизированного проектирования печатных плат.

Данный пакет включает в себя средства, позволяющие пользователю создавать описания радиоэлектронных компонентов (РЭК), электрических принципиальных схем, задавать форму печатной платы, расставлять РЭК на плате как вручную, так и автоматически, а также производить трассировку печатной платы.

Результаты могут быть выданы на принтер, плоттер, фотошаблон. - 5 - $$$ При подготовке специалистов радиотехнических специальностей целесообразно в курсах по конструированию РЭА (или аналогичных курсах) организовать учебную исследовательскую работу студентов на системах автоматизированного проектирования промышленного уровня, преследуя при этом следующие цели: - сформировать достаточно полное представление об основных элементах, структуре и принципах функционирования промышленных систем автоматизированного проектирования; - способствовать получению своеобразного 'фундамента' для упрощения в дальнейшем освоения других промышленных систем автоматизированного проектирования.

Необходимость организации такой работы пользователей со средствами САПР РЭА в диалоговом режиме ставит задачу разработки учебных систем диалогового проектирования, ориентированных на дисплейные классы.

Рассмотренная система на основе пакета P-CAD предназначена для конструирования разнообразных устройств РЭА и изучения методов и алгоритмов автоматизированного проектирования. Целью данной дипломной работы является исследование различных алгоритмов и методов, используемых пакетом P-CAD для решения задач размещения радиоэлектронных элементов и трассировки печатных плат. Эти задачи составляют основу подсистемы учебно-исследовательской САПР, связанной с вопросами компоновки и топологии, как наиболее трудоемкого и нуждающегося в автоматизации этапа проектирования радиоэлектронной аппаратуры. . - 6 - $$$ 1. АНАЛИЗ АЛГОРИТМОВ САПР ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ 1.1. Модель печатной платы для электрических соединений Использование формальных методов проектирования топологии проводников на монтажных платах требует решения вопросов о компьютерном представлении модели поверхностей слоев платы.

Необходимым условием корректности модели монтажного пространства является требование адекватности отображения в ней всех факторов, определяющих ресурсы и ограничения прообраза при проектировании печатного монтажа. К числу основных параметров модели следует отнести: число слоев и размеры каждого слоя платы, координаты и геометрию контактов, допустимые формы печатных проводников и минимальные зазоры между ними, зоны запрета на трассировку.

Наибольшее распространение в практике трассировки получила ортогональная модель поля платы.

Рассмотрим правила построения такой модели. Пусть на каждый слой платы, имеющей контакты, проводники и зоны запрета, наложена некоторая регулярная сетка, образованная множествами вертикальных и горизонтальных прямых и состоящая из ячеек размером (dx x dy) каждая.

Каждой ячейке соответствует некоторый признак, значение которого идентифицирует одну из следующих ситуаций: - ячейка содержит участок проводника, зоны запрета или контакта, то есть ячейка занята и через нее недопустима прокладка проводника; - ячейка не содержит перечисленных выше компонент.

Размеры dx и dy выбираются из условия: dx >= Hmin, dy >= Hmin, где Hmin - минимальное расстояние между осями двух параллельных сигнальных проводников.

Введенную сетку, покрывающую монтажное пространство слоя платы, будем называть дискретной сеткой.

Описанная дискретная модель достаточно просто формируется и представляется в компьютерной памяти с помощью двумерного числового массива-матрицы, каждый компонент которого взаимно-однозначно соответствует одной ячейке сетки.

Соответствующий ячейке нулевой код означает, что она свободна для прокладки печатного проводника, ненулевой код устанавливает запрет на - 7 - $$$ прокладку. Платы с двумя и более слоями монтажа программно представляются в виде трехмерного массива-матрицы M( x, y, z), где значения индекса z соответствуют номерам слоев платы.

Недостатком матричного отображения монтажного пространства плат является большой объем компьютерной памяти, требуемый для представления этой модели.

Однако до настоящего времени она остается наиболее популярной.

Рассмотрим вопрос о размещении матрицы в компьютерной памяти и систему адресации ее элементов.

Актуальность данного вопроса связана с повышением быстродействия алгоритмов трассировки, использующих матричную модель. Для большинства современных компьютеров характерна векторная структура представления многомерных массивов (в частности, трехмерных M( x, y, z). Положение элемента матрицы M( x, y, z) относительно начального адреса вектора V определяется выражением kj = (zj - 1) * Xo * Yo + Xo * (yj - 1) + xj (1.1) где kj - индекс вектора V; Xo, Yo - максимальные значения индексов x и y для матрицы M. Представленная схема адресации элементов матрицы в векторе V имеет один существенный недостаток.

Действительно, при распространении волнового фронта (см.п.1.3.6) на каждой итерации обработки очередного элемента выполняется анализ состояния матрицы в соответствии с рис. 1.2. В данном случае рассмотрение осуществляется на одном из слоев, например Zj = 1. Если положить индексы текущего дискрета в M( x, y, z), Xj и Yj, то в векторе V этот дискрет займет положение kj в соответствии с (1.1). Тогда дискреты 1, 2, 3, 4 (рис. 1.2) будут занимать места в векторе V в соответствии со следующими выражениями: 1. kj = kj + Xo 2. kj = kj + 1 3. kj = kj - Xo 4. kj = kj - 1 . - 8 - $$$ Zj = 1 Zj = 2 3 G H I 3 P R S 2 D E F 2 M N O 1 A B C 1 J K L Yj / 1 2 3 Yj / 1 2 3 ] Xj Xj а) б) V A B C D E F G H I J K ... R S 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 17 18 Kj в) Рис. 1.1. Иллюстрация расположения элементов матрицы в векторной структуре: а, б - условное представление элементов матрицы M( x, y, z) (Xo = Yo = 3); в - расположение элементов матрицы M( x, y, z) в векторной структуре. 1 4 2 3 Рис. 1.2. Схема анализа соседних элементов. . - 9 - $$$ Очевидно, что такое расположение элементов вектора является неудачным, так как требует для анализа этих четырех элементов четыре команды обращения к памяти.

Практика трассировки показывает, что операции выборки и анализа дискретов при распространении волнового фронта полностью определяют быстродействие алгоритма.

Поэтому актуальной задачей является поиск новых вариантов упаковки элементов массивов в векторы, позволяющих сократить количество обращений к последним. Одним из решений этой задачи является диагональное представление рабочего поля платы в компьютерной памяти [1], где упаковка массива производится по следующей формуле: kj = [(xj + yj)*Yo + yj + (zj - 1)*Xo*Yo] mod( Zo Xo Yo) (1.2) где T, при T T mod(q) = { (T - q), при T >= q В 1.2 предполагается, что индексы трехмерной матрицы M( x, y, z) лежат в следующих диапазонах: x E [ 0, Xo - 1] y E [ 0, Yo - 1] z E [ 0, Zo - 1]. На рис. 1.3 представлена иллюстрация упаковки элементов матрицы M( x, y, z) в вектор V. Анализ (1.2) и иллюстрация показывают, что данная упаковка выгодно отличается от предыдущей тем, что элементы, соседние с каждым текущим (рис.1.2) при распространении волнового фронта, располагаются в векторной структуре попарно с соседними. Такое расположение элементов позволяет сократить число обращений к памяти вдвое за счет одновременной выборки пары соседних элементов.

Сопутствующий положительный эффект представленной упаковки элементов является и то, что программе поиска пути волновым методом нет необходимости 'помнить', на каком слое находится данный текущий элемент.

Переход с любого - 10 - $$$ Zj = 1 Zj = 2 3 G H I 3 P R S 2 D E F 2 M N O 1 A B C 1 J K L Yj / 1 2 3 Yj / 1 2 3 ] Xj Xj а) б) V A R B D S C E G J F H ... N P 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 17 18 Kj в) Рис. 1.3. Иллюстрация расположения элементов матрицы в векторной структуре при диагональном представлении рабочего поля. из двух слоев на другой выполняется всегда корректно при увеличении zj на единицу. И, наконец, диагональное представление модели рабочего поля позволяет осуществлять эффективный контроль за процессом распространения волнового фронта, не позволяя значению индекса элемента выходить за границы размера массива. . - 11 - $$$ 1.2. Алгоритмы компоновки печатных плат 1.2.1. Общие вопросы практики компоновки Компоновка РЭА - размещение в пространстве или на плоскости ЭЛ, имеющих электрические соединения в соответствии с принципиальной схемой, и обеспечение допустимого минимума паразитных взаимодействий, которые не нарушают значения расчетных выходных параметров РЭА. Энергетическое несовершенство РЭА по преобразованию энергии источников питания в энергию выходного сигнала (чаще всего КПД = 10e-3...10e-10) - причина больших тепловыделений, для отвода которых требуется развитие поверхности конструкций и высокая эффективность теплоносителя.

Емкостные и индуктивные ЭЛ РЭА требуют для нормальной работы определенного пространства, в котором при их работе возникают электрические и магнитные поля. Их локализация требует увеличения объема конструкции РЭА либо использования специальных экранов.

Сложные условия эксплуатации, энергетическое несовершенство РЭА, необходимость учета при компоновке 'объемов' электрических и магнитных полей - причина усложнения проблем компоновки ЭЛ РЭА, которая может быть определяющим фактором при выборе того или иного компоновочного решения РЭА. Поэтому компоновочными моделями ЭЛ РЭА в целом являются не геометрически адекватные им модели, а модели, геометрически обобщающие всю совокупность их свойств. Такая модель называется обобщенной геометрической моделью (ОГМ). Сложность расчета объема и формы ОГМ [2] - причина использования в практике компоновочных работ упрощенных компоновочных моделей в виде установочных объемов Vуст или площади Sуст ЭЛ. Vуст (Sуст) - прямоугольный параллелепипед (прямоугольник), описанный вокруг ЭЛ с учетом его максимальных установочных размеров, требований по монтажу и регулировке и дополнительных объемов или пространства, обеспечивающих его нормальную работу при данном тепловыделении, электрических и магнитных взаимодействиях.

Размеры ОГМ (Vуст и Sуст) - функция геометрии ЭЛ и его режима работы. При малых коэффициентах нагрузки (Кн) по мощ- - 12 - $$$ ности (0.1...0.3) можно использовать упрощенные соотношения для вычислений Vуст и Sуст по нормированным установочным размерам (рис.1.4): Vуст = 1.5 * Amax * Bmax * Hmax Sуст = 1.3 * Amax * Bmax При значениях Кн > 0.3...0.5 вычисление Vуст и Sуст затрудняется, так как необходимо вычисление объемной или плоской ОГМ со сложными образующими (рис.1.5), что требует знания начальных и граничных условий. 1.2.2. Аналитическая компоновка В основе аналитической компоновки лежат выражения Vs = Kv * SUM( Vустi) = ( 1/Kvзап) * SUM( Vустi) Ss = Ks * SUM( Sустi) = ( 1/Ksисп) * SUM( Sустi) где Vs (Ss) - суммарный объем (площадь) РЭА; Kv (Ks) - коэффициенты увеличения объема (площади), зависящие от назначения и условий эксплуатации и равные 5..1 (3..1); Vустi (Sустi) - установочный объем (площадь) i-го элемента Kvзап - коэффициент заполнения РЭА по объему (0.2...0.1) Ksисп - коэффициент использования площади платы, шасси и т.п. (0.33...1). Объемная масса РЭА обычно лежит в пределах 0.4...1.6 г/см^3. Расчет конструктивного объема РЭА по вышеизложенному методу реализован в программе RTV, являющейся авторской разработкой (Приложение I). Программа производит расчет объемов изделия и площади печатной платы, а так же сообщает рекомендуемые размеры платы. База данных программы насчитывает свыше 2000 компонентов отечественной элементной базы, проста и удобна в использовании.

Результаты расчетов могут использоваться . - 13 - $$$ на различных этапах проектирования РЭА, в частности служить в качестве исходной информации для компоновки печатных плат. 1.2.3. Задачи компоновки печатных плат РЭА Цель компоновки заключается в создании наилучших условий для последующего синтеза топологии электрических соединений при выполнении конструкторских и технологических ограничений. На решение задачи компоновки большое влияние оказывают типы проектируемых блоков. В зависимости от типа блока (цифровой, аналоговый или цифроаналоговый) решаются различные задачи и определяется тот или иной метод их решения.

Элемент блока является одновременно геометрическим объектом Ti( Xi, Qi), где Xi, Qi - параметры установки элемента, и элементом схемы соединений.

Задача компоновки состоит в оптимизации оценки качества Ф( X1, Q1, Г1,..., Xn, Qn, Гn), при условиях непересечения геометрических объектов, соответствующих любой паре элементов и расположения каждого элемента в поле платы. Эта задача является многопараметрической задачей оптимизации.

Аналитический вид зависимости оптимизируемого критерия от параметров компоновки неизвестен, в связи с этим решение задачи в общей постановке невозможно.

Задача компоновки разбивается на ряд частных задач, которые согласуются со спецификой проектирования субблоков РЭА. В процессе размещения минимизируются суммарная длина соединений и максимальное число соединений в сечении канала. Общая стратегия состоит в получении начального размещения и в последующем его улучшении с помощью ряда итерационных алгоритмов, применяемых в различных порядках. 1.2.4. Допущения, упрощающие задачу Анализ практических задач, возникающих при проектировании конкретных устройств РЭА, позволил выделить следующие ограничения, упрощающие постановку задач упаковки: пространство проектирования двумерное; угол поворота системы координат элемен- - 14 - $$$ та относительно системы координат платы может принимать значения: 0', 90', 180' или 270'; координаты расположения элементов на поле платы при упаковке могут принимать только конечное множество значений; все типы элементов, как геометрические объекты, имеют вид прямоугольников. 1.2.5. Последовательный алгоритм упаковки элементов на плате с заданной сеткой посадочных мест Пусть во множество A входят элементы k видов T1, T2, ..., Ti, ..., Tk. Некоторые элементы могут быть фиксированы на поле платы. Тогда упаковка производится в следующей последовательности: Шаг 1. Вычеркивание занятых посадочных мест из заданной сетки, в том числе учитываются фиксированные элементы; Шаг 2. Выбор вида элемента. Из множества элементов A выбирается один вида Ti. Критерии выбора могут быть различными.

Например: выбор по наибольшим габаритам, по наибольшему количеству контактов, по наибольшему количеству элементов в виде; Шаг 3. Производится последовательно-одиночная упаковка элементов выбранного вида в заданное множество посадочных мест.

Занятые посадочные места отмечаются; Шаг 4. Контроль упакованных элементов на наложение с сеткой посадочных мест неупакованных элементов. Шаг 5. Проверка на возможность дальнейшей упаковки.

Проверяется возможность в свободные посадочные места упаковать оставшиеся элементы. Если возможно, переходим к следующему шагу, иначе меняется последовательность упаковки. Шаг 6. Поиск незанятых посадочных мест, оставшихся после упаковки данного вида элементов.

Координаты этих посадочных мест запоминаются для дальнейшего использования программами расстановки. Шаг 7. Проверка на завершение. Все виды элементов упакованы? Если нет, переходим ко второму шагу, иначе упаковка завершена.

Рассмотренный алгоритм прост в реализации, не требует большого объема компьютерной памяти, время счета линейно за- . - 15 - $$$ висит от количества видов элементов и практически не зависит от количества элементов в каждом виде. 1.2.6. Упаковка элементов на плате без задания сетки посадочных мест В данном случае возникает необходимость в автоматическом построении сетки посадочных мест.

Пространство проектирования покрывается сеткой квадратов t1 x t2 и поле проектирования To представляется в виде упорядоченных пар ( t1, t2) индексов попавших в него квадратов - позиций. В каждую позицию поля проектирования может быть установлен полюс элемента Ti( Xi, Qi), где Xi=( t1i, t2i), Qi={ 0, 90', 180', 270'). Задачу упаковки можно свести к линейной (одномерной). Это даст возможность использовать при решении методы целочисленного программирования, упростит и ускорит получение результата. 1.2.7. Упаковка элементов методом раскроя Для решения задачи упаковки без задания сетки посадочных мест можно использовать алгоритмы задачи раскроя прямоугольного листа на прямоугольные заготовки, суть которого состоит в следующем: задан плоский лист размером X на Y и m прямоугольных площадок размером xi на yi, i = 1...m. Требуется найти наименьшее неотрицательное решение функционального уравнения: f(x,y)=MAX{ max( f(i,y)+f(x-i,y)), max( f(x,i)+f(x,y-i))}(1.3) i=0..x i=0..j обеспечивающее условия f( x, 0) = f(0,y) = 0, f(xi,yi) >= Ci, (1.4) где Ci - стоимость i-й детали. . - 16 - $$$ Функция f(x,y), являющаяся наименьшим решением уравнений (1.3)-(1.4), кусочно-постоянна, не убывает по x и y и допускает представление f(x,y) = max ( fj ), j:xj где { xj, yj, fj} - некоторый набор троек чисел. Идея метода состоит в последовательном итерировании решения (1.3) путем пересчета набора троек по следующим правилам. Пусть задан некоторый набор троек (xj, yj, fj), j = 1..R. Примем, что xj x'(j1,j2) = xj1 + xj2, y'(j1,j2) = yj1 + yj2, x'(j1,j2) = MAX{ xj1, xj2 }, y'(j1,j2) = MAX{ yj1, yj2 }. Назовем записью набор из натуральных чисел n, k и списка n троек (xj,yj,cj), расположенных так, что если i=1..k и j=i..n, то либо xi вем началом списка. Это стабильная часть списка, которая будет изменяться только за счет увеличения. Когда весь список будет состоять из n троек, процесс заканчивается.

Алгоритм упаковки: Шаг 1. Начальное формирование записи с пустым началом. В список включаются все имеющиеся элементы. Если какие-либо элементы разрешается переворачивать, то в список, кроме тройки (xi,yi,ci), включается и тройка (xi,yi,ci)k=0. Переход к шагу 4. Шаг 2. Пополнение начала. Из n-k троек, не входящих в начало, выбирается тройка с наименьшим x, а если их несколько, то та, у которой наименьшая y. Эта тройка ставится на k+1-е место, k присваивается значение k+1. Шаг 3. Пополнение списка. Для всех i=0..k формируются тройки: (x'(i,k), y'(i,k),fi+fk) и (x'(i,k), y'(i,k),fi+fk). Те из них, которые удовлетворяют ограничениям, включаются в список с изменением n. - 17 - $$$ Шаг 4. Редукция списка.

Осуществляется процесс попарного сравнения троек. Если найдутся такие i и j, что xi и fj ни одна из троек начала не будет исключена. Если после этого исключения окажется, что n=k, процесс завершается и f(X,Y) = max(fj), иначе переход на шаг 2. Изложенный метод прост в реализации и не требует большого объема памяти. Из алгоритмов компоновки монтажных плат следует также упомянуть алгоритм совместного решения задачи упаковки и расстановки без задания сеток посадочных мест, описанный в [1]. Работа его осуществляется в три этапа: упорядочение элементов, упаковка элементов, оптимизация размещения, полученного при упаковке.

Большинство существующих промышленных систем САПР помимо применения описанных алгоритмов до начала трассировки осуществляют дополнительную оптимизацию полученных вариантов размещения - производят распределение элементов по сторонам платы, назначение цепей на контрольные гнезда и выводы соединителей, переназначение эквивалентных контактов деталей. Все эти действия позволяют улучшить исходную компоновку элементов и облегчить проведение последующего этапа разработки РЭА - трассировки печатной платы. 1.3. Алгоритмы проектирования печатного монтажа 1.3.1. Задача трассировки межсоединений монтажных плат Одним из основных этапов технического проектирования РЭА является процесс прокладки межконтактных электрических соединений на поле монтажных плат в соответствии с заданными конструкторско-технологическими ограничениями на их форму и размеры. Этот процесс получил название трассировки электрических (печатных) проводников.

Задача трассировки формулируется так: на заданном множестве слоев монтажной платы необходимо определить формы всех электрических соединений, обеспечивающих функционирование проектируемого электронного уст- - 18 - $$$ ройства.

Наиболее распространенным критерием качества трассировки (а также и предшествующих фаз этапа технического проектирования) является процент (или доля) разведенных цепей по отношению к их общему числу. В ряде случаев при техническом проектировании многослойных печатных плат (МПП) качество трассировки оценивается числом слоев, требуемых для реализации всех заданных электрических соединений. При проектировании печатного монтажа могут использоваться и другие критерии качества, такие как ограничение длин электрических соединений для части или всех цепей, обеспечение требуемых характеристик быстродействия проектируемого устройства. В ряде случаев для обеспечения помехоустойчивости минимизируются длины параллельных участков близко расположенных печатных проводников, принадлежащих разным цепям.

Последние два критерия в настоящее время становятся все более актуальными и существенным образом усложняют процесс синтеза печатных проводников с точки зрения удовлетворения основного критерия качества трассировки.

Результаты автоматической трассировки должны оставлять возможность для трассировки в интерактивном режиме нереализованных соединений.

Поэтому на рабочем поле трассировки должны сохраняться ресурсы для дотрассировки. Для максимизации числа автоматически построенных трасс необходимо предотвращать блокировку выводов элементов, к которым еще не подведены соединения.

Экспериментально установлено, что вероятность блокировки уменьшается при использовании преимущественных направлений трасс в слоях (в одном слое проводятся, в основном, горизонтальные отрезки, в другом - вертикальные) и построении трасс в порядке увеличения сложности. В настоящее время существует и функционирует широкий набор систем, обеспечивающих автоматизированное проектирование монтажных плат.

Однако до сих пор этап трассировки является 'узким' местом в системах технического проектирования.

Несмотря на большую номенклатуру современных алгоритмов размещения и трассировки, проблема получения проектов с требуемым качеством остается нерешенной. Это объясняется следующими факторами. 1. Этапы размещения и трассировки в силу их трудоемкости в программных реализациях разделяются на последовательно выполняемые шаги. - 19 - $$$ 2. Методы решения задач размещения и трассировки базируются на эвристических предпосылках и, следовательно, не гарантируют полной трассируемости соединений на заданном конструктиве. 3. Подавляющее большинство современных методов трассировки печатных проводников относится к классу алгоритмов последовательного типа, не обеспечивающих выполнения формального анализа метрико-топологических зависимостей в расположении проводников и контактов на поле платы с целью поиска оптимальной укладки электрических соединений. 4. Практически во всех эксплуатируемых системах технического проектирования отсутствуют эффективные программные средства доразводки печатного монтажа в автоматическом режиме.

Перечисленные особенности нередко приводят к тому, что проект, получаемый в автоматическом режиме, требует внесения доработок конструктором со всеми вытекающими из этого недостатками. 1.3.2. Входная информация для решения задачи трассировки Исходные данные для трассировки определяются при составлении исходного задания на проектирование и дополняются после выполнения операций компоновки и назначения (см.п.1.2). В итоге входная информация для трассировки представляется двумя компонентами: списком трассируемых контактов и моделью представления поля печатной платы.

Решение задачи трассировки соединений предполагает предварительное выполнение следующих основных этапов: 1. Определение списка всех проводников, которые должны быть проложены между парами различных контактов. 2. Распределение проводников по слоям. 3. Определение последовательности трассировки проводников в каждом слое (назначение парных соединений в каналы при канальной трассировке). 4. Собственно трассировка проводников. . - 20 - $$$ 1.3.3. Алгоритм Прима На первом этапе необходимо решить, в какой последовательности следует соединять контакты одной цепи (т.е. установить Перечень Проводников одной цепи для каждой пары контактов), чтобы суммарная длина всех соединений цепи была минимальна. Эта задача сводится к задаче построения Минимального Связывающего Дерева. На рис.1.6а приведен пример такого дерева для семи контактов.

Наибольшее распространение для решения этой задачи на компьютерах получил алгоритм Прима [3]. На первом шаге алгоритма для произвольного контакта из n находится ближайшая вершина и соединяется ребром. На остальных n-2 шагах из множества неподсоединенных контактов выбирается тот, который находится ближе всего к группе уже связанных контактов и соединяется кратчайшим ребром. На рис.1.6б показаны фрагменты дерева ( x1, x2, x3, x4, x5) после четвертого шага алгоритма, ближайший контакт x6 и кратчайшее ребро ( x5, x6), имеющее минимальную длину среди всех возможных ребер, показанных пунктиром. В результате перечень для трассировки цепи на рис.1.6а будет [(x1,x2) (x2,x3) (x2,x4) (x4,x5) (x5,x6) (x6,x7)]. Алгоритм Прима применяется для определения числа пересечений проводников и оценки качества решения задачи размещения. Для печатного монтажа лучшие результаты будут получены, если искать минимальное дерево в координатной сетке; такое дерево называется Минимальным Ортогональным Деревом (рис.1.6в). Особенность задачи заключается в том, что при построении дерева допускается введение дополнительных вершин x1' и x2', а такое дерево называется Деревом Штейнера. Для решения задачи в данной постановке применяется ортогональная метрика и разработаны алгоритмы, аналогичные алгоритму Прима. 1.3.4. Распределение проводников по слоям Распределение может быть выполнено двумя способами: . - 21 - $$$ 1. Последовательно проводят соединения до заполнения очередного слоя, после чего переходят к заполнению следующего слоя (при таком подходе получается большое число слоев и неравномерное их заполнение). 2. Подсчитывают возможное число пересечений проводников, совмещенных в одном слое, а затем проводят распределение по слоям.

Подсчет возможного числа пересечений проводников можно осуществить для двух различных представлений соединения двух контактов на плоскости: 1. Соединения представляются в виде прямолинейных отрезков и их пересечения определяются по уравнениям прямых линий (рис.1.7а). 2. Соединения представляются в ортогональном пространстве и их пересечения определяются по уравнениям прямых, параллельных осям координат (рис.1.7б) или по факту перекрытия минимальных прямоугольников, построенных для соответствующих контактов (x1,x2) и (x3,x4) на рис.1.7в. Обе оценки дают завышенное число возможных пересечений и имеют примерно одинаковую эффективность. 1.3.5. Определение порядка трассировки проводников Определение порядка трассировки проводников в каждом слое связано с тем, что успех трассировки очередного проводника существенно зависит от конфигурации уже проведенных трасс. Так как задача не формализуется теоретическими методами, для ее решения разработаны различные эвристические алгоритмы.

Наибольшее распространение получили методы, основанные на оценке длины проводников. Здесь возможны два подхода: 1. Соединение проводников в порядке возрастания длины отдельных проводников (в качестве оценки длины принимается кратчайшее расстояние между соединяемыми контактами). Этот метод основан на том соображении, что короткие проводники вносят меньше конфликтных ситуаций. 2. Соединение проводников в порядке убывания длины проводников, так как длинные проводники труднее трассировать. . - 22 - $$$ С точки зрения минимальной суммарной длины соединений оба подхода дают примерно одинаковые результаты.

Другие методы упорядочения связаны с учетом степени влияния проводников друг на друга по площади перекрытия минимальных прямоугольников (см. рис. 1.7в), с учетом числа контактов, попадающих в минимальный прямоугольник, или с другими критериями. Для эффективного использования ресурсов многослойной печатной платы решается задача распределения строящихся проводников между слоями.

Своевременное выявление конфликтов между цепями и их устранение путем разнесения соответствующих печатных проводников на различные слои позволяет существенно повысить качество трассировки. 1.3.6. Волновой алгоритм трассировки соединений и его модификации Среди множества алгоритмов трассировки электрических соединений наиболее распространенным является волновой алгоритм (алгоритм Ли). Он обладает высокой степенью общности, прост в реализации и имеет широкий спектр применимости для трассировки двухслойных, многослойных печатных плат, БИС и т.д.

Основан на 'просмотре' возможных вариантов решений и выборе из них одного, удовлетворяющего требованиям поставленной задачи.

Решение задачи с использованием волнового алгоритма предполагает два этапа: на первом осуществляется поиск возможных решений - распространение волны, на втором выбирается решение, удовлетворяющее условиям поставленной задачи - построение обратного следа.

Модель поля платы для трассировки представляется совокупностью дискретов (см.п.1.1). Все множество дискретов модели D разделяются на два подмножества D' и D'. Подмножество D' объединяет в себе те дискреты модели, которые допустимо использовать для прокладки через них печатных проводников.

Подмножество D' состоит из дискретов, через которые недопустима прокладка трасс.

Каждому дискрету из D присвоены два числа: весовой коэффициент Pj, определяющий особенности расположения j-го дискрета на модели поля; волновое число Aj, характеризую- - 23 - $$$ щее факт участия данного дискрета в процессе распространения числовой волны. Два дискрета с координатами (Xi,Yi) и (Xj,Yj) будем называть соседними, если для них выполняется условие: Xi - Xj + Yi - Yj = 1. Всем дискретам D' присвоим значения P, равные некоторому большому числу. Тогда схема волнового алгоритма на дискретной модели поля может быть представлена следующим образом. Шаг 1. Разметка всех дискретов из D' кодом A=0. Обнуление ячеек массивов фронтов X и Y. Шаг 2. Окраска точки 'истока' волны (Xo,Yo). Шаг 3. Далее Ao := Po; K := 1; X(1) := Xo; Y(1) := Yo. Шаг 4. Xj := X(1); Yj := Y(1); Если X(1) = Y(1) = 0, то перейти к п.6. Шаг 5. Последовательно выбрать все дискреты с координатами (Xi,Yi), удовлетворяющими следующему уравнению: Xi - Xj + Yi - Yj = 1. Если характеристические числа удовлетворяют одновременно двум условиям: Pi <> OO и Ai Xi; Y(K) := yi, Ai = Pj + Pi; продолжение операций шага 5 (если Pi = OO или Ai >= Pj + Pi). После просмотра и соответствующей обработки дискретов на шаге 5 выполнить сдвиг содержимого массивов X и Y на одну ячейку влево.

Перейти к четвертому шагу. Шаг 6. Окончание процесса.

Пример работы представленной схемы волнового алгоритма приведен на рис.1.8. 1.3.7. Канальные методы трассировки Канальные методы трассировки определяют одно из самостоятельных направлений решения задач топологического синтеза. Эти методы имеют определенные преимущества перед другими, но им присущи также и недостатки.

Наибольшее распространение ка- - 24 - $$$ нальные методы получили при проектировании больших интегральных схем.

Однако это не исключает их использование в практике трассировки монтажных плат.

Основной единицей модели поля при канальной трассировке является канал, представляющий множество свободных для трассировки вертикальных и горизонтальных каналов-магистралей, расположенных между рядами запрещенных для трассировки зон.

Соединения между соседними каналами осуществляются через так называемые проходные блоки или через внешнюю область монтажа.

Процесс канальной трассировки обычно разделяют на несколько этапов [ 4, 5]. Создание канала. На этом шаге элементы уже размещены, и интервалы между ними достаточны для проведения любых проводников питания и заземления, которые должны находиться в этих интервалах, и содержат некоторое пространство для проводников других цепей. Нам не нужно особенно заботиться о ширине интервалов, поскольку, если нам не удастся найти разводку сетей в выделенном пространстве, мы сделаем очередную попытку с лучшим пониманием того, какой величины должен быть каждый интервал в действительности. Мы должны разделить все пустое пространств вокруг элементов на каналы, которые определим как условные прямоугольники пустого пространства.

Основная цель здесь состоит в том, чтобы выполнить разделение как можно проще; 'простота' формально определена тем условием, чтобы общая длина ребер, разделяющих прямоугольники каналов, была минимальна. Как обычно, задачу минимизации нельзя решить точно для больших задач, поэтому мы должны прибегнуть к эвристическому методу. Вот простой пример такого эвристического метода: 1. Продолжим все границы элементов до пересечения других границ элементов или границ схемы (рис.1.9). 2. Рассмотрим каждый отрезок продолженных линий, начиная с самого большого.

Удаляем отрезки, если мы можем сделать это без нарушения прямоугольности каналов. Иначе говоря, мы не . - 25 - $$$ можем удалить отрезок границы, если это удаление создает область, имеющую форму буквы L или T (рис.1.10). 3. Если необходимо, добавляем каналы вокруг границ схемы.

Глобальная трассировка Следующей задачей является глобальная трассировка цепей, иначе говоря, выбор для каждой цепи дерева каналов, которые она должна занять. Здесь возможно использование алгоритмы нахождения кратчайшего пути. Наши пути будут проходить по точкам середин границ каналов, начинаясь и заканчиваясь на выводах одной и той же цепи.

Упорядочивание пересечений между каналами На данном этапе происходит выбор точек, в которых проводники пересекают стены между каналами, отдавая приоритет выбору положения проводников внутри каналов.

Трассировка соединений в каналах Выбрав позиции для всех точек пересечения стены, мы можем проложить трассы проводников внутри каждого канала отдельно, зная, что то, что мы делаем в одном канале, не повлияет на другой. Более того, больше не нужно разделять точки на границах канала на точки выводов элементов и точки пересечений стены.

Конечно, поскольку ширина каналов первоначально выбиралась условно, нет гарантии, что можно выполнить требуемую трассировку данного канала даже самым умным и исчерпывающим алгоритмом. В этом нет ничего ужасного, поскольку, когда даже один канал не может быть обработан, последует увеличение каналов и почти весь процесс разводки начинается сначала.

Наиболее известным методом канальной трассировки является метод Стволов и Ветвей [6]. Как показано на рис.1.11. имеет место одно ограничение, состоящее в том, что каждой группе соединительных проводников соответствует одна горизонтальная - 26 - $$$ трасса (Ствол), и поэтому определив, какую горизонтальную дорожку следует использовать в данном случае, задачу трассировки вертикальных проводников (Ветвей) можно решить автоматически.

Известны случаи, когда канальная трассировка с использованием только метода стволов и ветвей оказывается невозможной. Так, например, как показано на рис.1.12а, маршруты двух из трех проводников могут быть легко проложены, а маршрут третьего - нет. Это соответствует появлению замкнутой петли на графе, характеризующем ограничения, связанные с ориентацией ветвей (рис.1.12б). Таким образом, если появляется замкнутая петля, то наложение проводников необходимо предотвратить, используя для части проводников две и более трассы (рис.1.12в). На этом обстоятельстве основаны методы трассировки типа 'Доглег', позволяющие не только предупреждать появление замкнутых петель, но и производить трассировку каналов с уменьшенным количеством дорожек (рис.1.13). Трассировка в областях пересечения (рис.1.14) производится на самом последнем этапе проектирования топологии, и, если она оказывается невозможной, топологию приходится проектировать заново, что связано со значительными затратами. Время, затрачиваемое на решение данной задачи, довольно велико, и для ее решения необходимо использовать алгоритмы, обеспечивающие 100%-ную трассируемость. В частности, в этом случае находят применение алгоритмы с распределением по сетке или специальные алгоритмы, в которых учитывается специфика задачи. 1.3.8. Лучевые алгоритмы трассировки Недостатки волнового алгоритма, проявляющиеся в его низком быстродействии и значительном объеме компьютерной памяти, требуемом для представления модели поля печатной платы, дали стимул для разработки ряда новых алгоритмов трассировки, в частности лучевых.

Рассмотрим работу лучевого алгоритма на конкретном примере (рис.1.15), где требуется определить форму электрического соединения между точками A и B. Из точек (дискретов) трассируемой пары генерируются лучи Л11, Л12 и Т11, Т12 (Ли Т-типа) до встречи запретов или луча - 27 - $$$ того же типа (для контакта А генерируются лучи Л-типа, для В - Т-типа). Если обнаружен факт пересечения лучей Ли Т-типа, то считается, что соединяющий путь найден. В противном случае процесс генерации лучей обоих типов продолжается. Для этого через ранее построенные лучи строятся перпендикулярные по правилам, описанным выше.

Множества лучей Ли Т-типа расширяется: {Л11, Л12, Л21, Л22, Л23, Л24}и {Т11, Т12, Т21, Т22}и т.д.

Построение луча Т22 приводит к пересечению лучей Ли Т-типа.

Представленный алгоритм имеет высокое быстродействие, приблизительно на два порядка выше, чем у волнового, при трассировке электрических связей, 'потенциально' имеющих малое число поворотов (1 или 2). При поиске более сложных соединений по быстродействию этот алгоритм приближается к волновому. В целях повышения быстродействия лучевого алгоритма и в случае многоповоротных соединений допустим метод сокращенного 'просмотра' вариантов.

Генерация лучей от некоторого Лi выполняется не из каждой точки Лj, а с некоторым шагом dЛ, значение которого в программе трассировки устанавливает пользователь.

Учитывая особенности временных характеристик волнового и лучевого алгоритмов трассировки, некоторые авторы организуют двухэтапный процесс трассировки. На первом этапе список трассируемых цепей обрабатывается средствами лучевого алгоритма, а на втором - оставшиеся неразведенными цепи трассируются средствами волнового алгоритма, что повышает процент разведенных связей.

Наибольшее распространение лучевые методы получили при трассировке дискретных печатных плат с регулярным расположением магистралей. 1.3.9. Прочие методы трассировки Из методов трассировки, появившихся сравнительно недавно, можно отметить отечественный метод периферийной трассировки [1] и проектирование методом рекапитуляции.

Основу первого составляет принцип, согласно которому проводники каждой трассируемой цепи должны создавать 'минимум помех' для трасси- - 28 - $$$ ровки последующих цепей. Этому принципу удовлетворяет расположение синтезируемых проводников по периферии модели поля трассировки.

Проектирование печатного монтажа методом рекапитуляции рассматривает трассировку проводников как итерационный процесс, развитие которого сопровождается изменениями в состоянии модели поля. 1.4. Способы соединения контактов В общем случае рисунок межсоединений определяется деревом Штейнера, имеющим несколько точек ветвления (рис.1.16а). В быстродействующих ИС с целью уменьшения задержки на распространение сигналов по проводникам и снижения уровня отражений желательно применять или непосредственное соединение выхода предшествующего логического вентиля с входами следующих (рис.1.16б), или же располагать входы последующих каскадов на одной шине (рис.1.16в). . - 41 - 2. ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В СИСТЕМЕ P-CAD 2.1. Постановка задачи Целью данной дипломной работы является исследование различных алгоритмов и методов, используемых пакетом P-CAD для решения задач размещения радиоэлектронных элементов и трассировки печатных плат. Эти задачи составляют основу подсистемы учебно-исследовательской САПР, связанной с вопросами компоновки и топологии, как наиболее трудоемкого и нуждающегося в автоматизации этапа проектирования радиоэлектронной аппаратуры. Для того, чтобы узнать возможности алгоритмов, реализованных в программах P-CAD, произведем разработку нескольких разнотипных блоков РЭА. Поскольку методика конструирования в значительной мере зависит от элементной базы, используемой в проекте (интегральные схемы в стандартных корпусах, дискретные элементы или равновесное содержание тех и других), для исследований выбираем две схемы.

Элементная база первой (рис.2.1) содержит примерно равное количество дисретных элементов и микросхем. Такое соотношение весьма характерно для современной радио-электронной аппаратуры III поколения средней степени интеграции, где все сильнее делается акцент на использование микросхем.

Вторая схема (рис.2.2), напротив, содержит в основном цифровые интегральные схемы.

Процесс разработки такой печатной платы может служить примером методики конструирования изделий с регулярной структурой. 2.2. Пример I. Блок видеомагнитофона 2.2.1. Расчет конструктивного объема Чтобы определить размеры монтажной платы проектируемого изделия, произведем расчет конструктивного объема.

Расчет выполняется с помощью программы RTV. Результаты работы программы приведены в табл.2.1. . - 44 - Таблица 2.1. Список используемых элементов Наименование элементов Количество Размеры, мм MЛТ_0125 19 6x2.2x2.2 KM-5 4 8x 8x 3 K50-6 1 18x 10x 10 KT315 1 7.2x 3x 8 K155ЛА3 1 19.5x7.5x 5 K155ЛН1 1 19.5x7.5x 5 K155ЛП5 1 19.5x7.5x 5 К155ТМ2 1 19.5x7.5x 5 К155АГ3 1 21.5x7.5x 5 КР556РТ4 1 21.5x7.5x 5 PK-172-TB-1 2 13x3.5x 10 КПК-1 2 16x 11x 9 Разъемы 13 5x 2x 2 Суммарная площадь элементов 1806 мм^2 Коэффициент заполнения 0.4 Площадь платы 45150 мм^2 Размеры сторон 60 x 75 мм 2.2.2. Упаковка конструктивов на плату Данный этап работы выполняет программа PC-PACK. Исходными данными для нее являются список цепей электрической схемы (NLT-файл), библиотека компонентов (LIB-файл) и файл, содержащий контур печатной платы (PCB-файл). По окончанию работы программы создается PKG-файл, содержащий описание платы и компонентов, подготовленных для размещения.

Собственно размещение выполняется программой PC-PLACE, специально предназначенной для этой операции, но может проводится и в редакторе PC-CARDS. По окончании работы программы PC-PACK в данном примере был создан PKG-файл (рис. 2.3). Видно, что программа считает оптимальным размещение деталей на плате размером 205 х 225 мм, - 46 - что не согласуется с поставленными нами условиями и примерно в три раза больше размеров, рекомендованных программой RTV. Поэтому дальнейшие этапы разработки изделия мы будем проводить на плате размером 60 х 75 мм, полученным при расчете конструктивного объема. 2.2.3. Размещение компонентов Размещение компонентов на плате в пакете P-CAD производится программой PC-PLACE, которая обеспечивает как интерактивный, так и автоматический режимы работы. Как правило, автоматическое размещение является только первым этапом компоновки. Очень редко расклад элементов, выполненный машиной является удовлетворительным как со стороны соблюдения конструкторско-технологических требований, так и со стороны обеспечения возможности 100% последующей трассировки. 2.2.3.1. Автоматическое размещение Исходные данные Печатная плата 60 х 75 мм Сетка привязки конструктивов 100 х 100 DBU Сетка привязки трасс 50 х 50 DBU Очередность размещения конструктивов DIP16 DIP14 MLT_0125 C-PF CVAR KT315 K50-6 ZQ Так как элементы PIN (внешние разъемы) имеют жестко заданное положение на плате, они предварительно размещены и зафиксированы и в автоматическом размещении не участвуют. (Примечание: 200 DBU = 5 мм) . - 47 - Статистика автоматического размещения По окончанию работы программы автоматического размещения создается PLR-файл, содержащий отчет о выполненных действиях и результате. Время работы 00:00:17 Общая длинна связей (mils) 134511 Общее число компонентов 54 Число интегральных схем 5 Число интегральных схем (эквивалентных элементов) 10.38 Число дискретных компонентов 49 Число соединителей 0 Плотность элементов на плате 0.69 (в квадратных дюймах на эквивалентную схему) Неразмещенных компонентов 10 (MLT_0125 7) (C-PF 3) Гистограмма автоматического размещения Программа построения гистограммы анализирует число соединений и незадействованных контактов, пересекающих каждую линию ресурсов, получает отношение этого числа к суммарному числу возможных каналов трассировки и выводит результат в виде графика (рис. 2.4). Цвет гистограммы выражает степень использования канала: зеленый - 0-35%; желтый - 35-50%: красный - более чем на 50%. Фактор выигрыша показывает относительное улучшение состояния гистограммы за счет каждого изменения размещения. В начале работы фактор выигрыша обнуляется. . - 49 - Созданный программой отчет о гистограмме предсказываемой плотности трасс по автоматическому размещению: Вертикальная сетка гистограммы (ось X) Выделено 128 каналов трассировки.

Использование Максимальное 40 ( 31 %) Среднее 0 ( 0 %) Минимальное 0 ( 0 %) Итого 5 ( 3 %) Вертикальная сетка гистограммы (ось Y) Выделено 218 каналов трассировки.

Использование Максимальное 40 ( 18 %) Среднее 0 ( 0 %) Минимальное 0 ( 0 %) Итого 11 ( 5 %) Фактор выигрыша 0 2.2.3.2. Ручное размещение Компоновка элементов, не размещенных программой Размещение в интерактивном режиме позволяет разместить элементы, которые не смогла обработать программа автоматической компоновки, а также улучшить условия для последующей трассировки, минимизируя плотность трасс в выделенных каналах. О качестве осуществляемых перестановок можно судить по гистограмме и фактору выигрыша. . - 50 - Вертикальная сетка гистограммы (ось X) Выделено 128 каналов трассировки.

Использование Максимальное 39 ( 30 %) Среднее 0 ( 0 %) Минимальное 0 ( 0 %) Итого 5 ( 3 %) Вертикальная сетка гистограммы (ось Y) Выделено 218 каналов трассировки.

Использование Максимальное 39 ( 17 %) Среднее 0 ( 0 %) Минимальное 0 ( 0 %) Итого 10 ( 4 %) Фактор выигрыша 3 Перестановка логических элементов Программа PC-PLACE имеет возможность осуществить автоматическую перестановку компонентов логических элементов, улучшающую размещение. На данном этапе осуществим перестановку логических элементов для уменьшения суммарной длины связей.

Логические элементы компонентов поддаются перестановке, если они эквивалентны и не используют различное питание.

Система автоматически выполняет итерационные парные перестановки логических элементов с целью улучшения текущего варианта размещения.

Процесс заканчивается по достижению локального оптимума или по команде пользователя.

Проход 1. Общая длина связей 216519 mils Обмен R14 на R18 Обмен DD2.1 на DD2.6 Обмен R5 на R6 Обмен R14 на R17 - 51 - Обмен R4 на R7 Обмен R20 на R5 Обмен DD4.1 на DD4.4 Обмен R20 на R11 Обмен R3 на R16 Обмен DD4.2 на DD4.3 Обмен DD1.2 на DD1.3 Проход 2. Общая длина связей 211305 mils Обмен DD2.6 на DD2.5 Обмен R6 на R18 Проход 3. Общая длина связей 208137 mils Обмен DD2.5 на DD2.4 Обмен R7 на R18 Проход 5. Общая длина связей 206106 mils Обмен не произведен Общая длина связей 206106 mils Время работы 00:00:08 Отчет по гистограмме после перестановке логических элементов: Вертикальная сетка гистограммы (ось X) Выделено 128 каналов трассировки.

Использование Максимальное 38 ( 29 %) Среднее 0 ( 0 %) Минимальное 0 ( 0 %) Итого 4 ( 3 %) Вертикальная сетка гистограммы (ось Y) Выделено 218 каналов трассировки.

Использование . - 52 - Максимальное 36 ( 16 %) Среднее 0 ( 0 %) Минимальное 0 ( 0 %) Итого 9 ( 4 %) Фактор выигрыша 5 Очевидно, что данная операция способствовала улучшению первоначального размещения - уменьшилась общая длина связей и плотность трасс в каналах.

Перестановка компонентов Для дальнейшей оптимизации размещения программа PC-PLACE предоставляет возможность осуществить автоматическую перестановку однотипных компонентов для уменьшения суммарной длины связей.

Процесс заканчивается по достижению локального оптимума или по команде пользователя.

Проход 1. Общая длина связей 109141 mils Обмен R12 на R15 Обмен R5 на R9 Обмен R15 на R6 Обмен R13 на R10 Обмен R7 на R3 Обмен R11 на R4 Обмен R9 на R8 Обмен R2 на R8 Обмен C1 на C6 Обмен C4 на C3 Обмен R14 на R16 Обмен R18 на R17 Обмен DD4 на DD5 Обмен R4 на R8 Обмен C5 на C8 - 53 - Проход 2. Общая длина связей 97583 mils Обмен R15 на R2 Обмен R5 на R20 Обмен R20 на R13 Обмен R18 на R17 Обмен R2 на R7 Обмен C1 на C8 Обмен DD2 на DD4 Проход 3. Общая длина связей 94207 mils Обмен R15 на R3 Обмен R3 на R7 Обмен R2 на R14 Обмен R18 на R16 Обмен R16 на R17 Обмен R11 на R9 Проход 4. Общая длина связей 93093 mils Обмен не произведен Общая длина связей 93093 mils Время работы 00:00:08 Отчет по гистограмме после перестановке компонентов: Вертикальная сетка гистограммы (ось X) Выделено 128 каналов трассировки.

Использование Максимальное 34 ( 26 %) Среднее 0 ( 0 %) Минимальное 0 ( 0 %) Итого 4 ( 3 %) Вертикальная сетка гистограммы (ось Y) Выделено 218 каналов трассировки.

Использование . - 54 - Максимальное 28 ( 12 %) Среднее 0 ( 0 %) Минимальное 0 ( 0 %) Итого 8 ( 3 %) Фактор выигрыша 10 Данная операция оказала наибольшее влияние на общую длину связей и плотность трасс. Можно предположить, что имеется возможность производить дальнейшую оптимизацию данного размещения.

Способна ли программа PC-PLACE достичь лучших результатов, работая в автоматическом режиме? Чтобы проверить это, обратимся к повторной оптимизации размещения логических элементов.

Повторная перестановка логических элементов Проход 1. Общая длина связей 198750 mils Обмен DD1.4 на DD1.3 Обмен DD2.3 на DD2.1 Обмен DD1-D на DD1.2 Обмен R20 на R10 Обмен R11 на R20 Обмен R7 на R3 Обмен R15 на R5 Обмен DD4.4 на DD4.1 Обмен DD4.3 на DD4.2 Обмен DD5.2 на DD5.1 Проход 2. Общая длина связей 196477 mils Обмен R10 на R4 Обмен DD2.1 на DD2.4 . - 55 - Проход 3. Общая длина связей 196295 mils Обмен не произведен Общая длина связей 196295 mils Время работы 00:00:15 Отчет по гистограмме после перестановке компонентов: Вертикальная сетка гистограммы (ось X) Выделено 128 каналов трассировки.

Использование Максимальное 35 ( 27 %) Среднее 0 ( 0 %) Минимальное 0 ( 0 %) Итого 4 ( 3 %) Вертикальная сетка гистограммы (ось Y) Выделено 218 каналов трассировки.

Использование Максимальное 29 ( 13 %) Среднее 0 ( 0 %) Минимальное 0 ( 0 %) Итого 8 ( 3 %) Фактор выигрыша 9 В результате произведенного обмена длина связей безусловно уменьшилась, но гистограмма показывает увеличение плотности трасс в каналах. Здесь возникает проблема - каким результатом воспользоваться для дальнейшей работы.

Критерием выбора может служить фактор, который необходимо обеспечить прежде всего - уменьшение суммарной длины связей может улучшить частотные характеристики изделия, особенно при проектировании высокочастотной и сверхвысокочастотной аппаратуры, но увеличение плотности трасс может затруднить дальнейшую трассировку печатной платы, что особенно нежелательно при малых размерах последней. Так как степень заполненности платы в данной разработке высока, а к конфигурации трасс специальных требований не - 56 - предъявляется, целесообразно выбрать вариант с минимальной плотностью трасс.

Поэтому результаты последней перестановки не используем.

Ручная оптимизация размещения Дальнейшего улучшения размещения компонентов можно достичь поворотом некоторых компонентов на 180` и оптимизацией назначения контактов внешних выводов.

Данная операция позволяет увеличить значение фактора выигрыша до 15. Вертикальная сетка гистограммы (ось X) Выделено 128 каналов трассировки.

Использование Максимальное 30 ( 23 %) Среднее 0 ( 0 %) Минимальное 0 ( 0 %) Итого 4 ( 3 %) Вертикальная сетка гистограммы (ось Y) Выделено 218 каналов трассировки.

Использование Максимальное 28 ( 12 %) Среднее 0 ( 0 %) Минимальное 0 ( 0 %) Итого 8 ( 3 %) Фактор выигрыша 15 Дальнейшие попытки улучшить размещение не дают сколько-нибудь заметного выигрыша, поэтому данное размещение (рис.2.5) можно считать окончательным и использовать для дальнейшей работы. . - 58 - 2.2.4. Исследование методов соединения проводников Программа PC-ROUTE, осуществляющая автоматическую трассировку платы, подготовленной в редакторе PC-PLACE, помимо обычной настройки программ такого типа позволяет выбрать один из четырех методов присоединения проводников: 1. DAISY - соединение пар контактов; 2. MIN-SPAN - соединение пар контактов без Т; 3. STEINER - построение Т-образных соединений пар контактов по методу Штейнера; 4. STEINER-MINVIA - построение Т-образных соединений пар контактов с минимизацией числа переходных отверстий. Выбор того или иного метода для трассировки зависит от технологических особенностей изготовления печатной платы и/или необходимости обеспечить временные и электрические характеристики проектируемого изделия. Так, DAISY, при котором производится непосредственное соединение выхода предшествующего логического вентиля с входами следующих, целесообразно использовать при конструировании быстродействующих ИС с целью уменьшения задержки на распространение сигналов по проводникам и снижения уровня отражений. Если же применение данного метода значительно снижает процент автоматической разводки платы, но требования к временным параметрам остаются высокими, можно рекомендовать использование соединения MIN-SPAN, при котором входы последующих каскадов располагаются на одной шине.

Способ STEINET с построением Т-образных соединений считается наиболее эффективным и его обычно рекомендуется использовать, если позволяет конструкция. На рис.1.16 показаны все три метода.

Проведем исследование методов, предлагаемых P-CADом. В качестве критериев оценки можно выбрать - процент разведенных связей, - длину проложенных проводников, - количество переходных отверстий, - время работы. В исследуемой схеме 46 цепей, 109 связей и 166 контактов. . - 59 - Работа проводилась на компьютере IBM-PC 386DX 40MHz. Результаты четырех трассировок приведены на рис.2.6., в табл.2.2. и табл.2.3. Таблица 2.2. Сравнение эффективности методов построения соединений Метод DAISY MIN-SPAN STEINER STEINER-MINVIA Процент разводки 100 100 100 100 Длина проводников 107746 107025 100975 101575 Переходных отверстий 23 16 22 25 Время работы (мм.сс) 01.25 01.28 01.38 01.45 Таблица 2.3. Распределение времени при трассировке Процесс DAISY MIN-SPAN STEINER STEINER-MINVIA Упорядочение 1 1 1 1 Трассировка 25 19 21 31 Оптимизация.

Проход 1. 23 19 22 25 Минимизация переходов 5 4 5 5 Оптимизация.

Проход 2. 32 28 27 32 Спрямление углов 2 2 2 2 Безусловно, полученные результаты в некоторой степени зависят от конкретной схемы и качества компоновки печатной платы. Но, используя данные этого эксперимента, все же можно сделать некоторые общие выводы: - построение трасс по методу Штейнера является наиболее продолжительным. Это можно объяснить затратами времени на расчет точек присоединения 'ветвей' к 'дереву' трассы; - в литературе данный метод рекомендуется как наиболее выгодный для повышения числа разведенных связей и уменьшения их суммарной длины. В данном примере любой алгоритм обеспечивает 100% разведение цепей, но метод Штейнера, действительно, - 65 - обеспечивает минимальную суммарную длину проводников. DAISY, как и предполагается, выдает максимальное число проводников, что объясняется самим принципом соединения контактов (только две связи на один контакт); - количество переходных отверстий минимально при использовании MIN-SPAN. В данном примере это особенно важно, так как данная плата технологически проще в изготовлении.

Сравнивая результаты трассировок, статистические данные (рис.2.7 - 2.9) и геометрические контуры трасс, для изготовления платы данного устройства следует выбрать второй вариант (MIN-SPAN), как наиболее технологичный (рис.2.10 - 2.11). 2.3. Пример II. 2.3.1. Размеры печатной платы В данном примере разработка изделия производилась по заказу и размеры печатной платы были определены заказчиком исходя из габаритных размеров проектируемой конструкции.

Расчет габаритного объема производился основным разработчиком изделия. Таким образом наша задача упрощается. Мы должны произвести разработку печатной платы размером 60х90 мм.

Электрическая принципиальная схема блока приведена на рис.2.2. 2.3.2. Упаковка конструктивов на плату По окончании работы программы PC-PACK в данном примере был создан PKG-файл (рис. 2.12). Видно, что программа размещает детали на площадке размером 100х110 мм, что, как и в первом примере, не согласуется с поставленными нами условиями. Можно сделать вывод, что при начальном расположении элементов программа выбирает минимальный коэффициент заполнения.

Данный выбор никак не может служить рекомендацией для определения размеров печатной платы, так как такой расклад элементов является крайне неэкономичным. Для проведения дальнейших этапов разработки используем заданные заказчиком размеры печатной платы 60х90 мм. - 68 - 2.3.3. Размещение компонентов 2.3.3.1. Автоматическое размещение Исходные данные Печатная плата 60 х 90 мм Сетка привязки конструктивов 100 х 100 DBU Сетка привязки трасс 50 х 50 DBU Так как элементы PIN (внешние разъемы) имеют жестко заданное положение на плате, они предварительно размещены и зафиксированы и в автоматическом размещении не участвуют.

Статистика автоматического размещения По окончанию работы программы автоматического размещения создается PLR-файл, содержащий отчет о выполненных действиях и результате. Время работы 00:00:16 Общая длинна связей (mils) 188746 Общее число компонентов 53 Число интегральных схем 18 Число интегральных схем (эквивалентных элементов) 19.88 Число дискретных компонентов 35 Число соединителей 0 Плотность элементов на плате 0.43 (в квадратных дюймах на эквивалентную схему) Неразмещенных компонентов 4 (K155ИЕ5 4) . - 70 - Гистограмма автоматического размещения Созданный программой отчет о гистограмме предсказываемой плотности трасс по автоматическому размещению: Вертикальная сетка гистограммы (ось X) Выделено 88 каналов трассировки.

Использование Максимальное 81 ( 92 %) Среднее 0 ( 0 %) Минимальное 50 ( 56 %) Итого 45 ( 51 %) Вертикальная сетка гистограммы (ось Y) Выделено 80 каналов трассировки.

Использование Максимальное 57 ( 71 %) Среднее 0 ( 0 %) Минимальное 46 ( 57 %) Итого 36 ( 45 %) Фактор выигрыша 0 2.3.3.2. Ручное размещение Компоновка элементов, не размещенных программой Размещение в интерактивном режиме позволяет разместить элементы, которые не смогла обработать программа автоматической компоновки, и улучшить условия для последующей трассировки, используя операции перестановки компонентов и логических элементов, минимизируя плотность трасс в выделенных каналах. О качестве осуществляемых перестановок можно судить по гистограмме и фактору выигрыша. . - 71 - Перестановка логических элементов Длина связей = 167990 mils Проход 1 . Длина связей = 167990 mils Проход 2 . Длина связей = 151410 mils Проход 3 . Длина связей = 146788 mils Проход 4 . Длина связей = 140787 mils Проход 5 . Длина связей = 139182 mils Проход 6 . Длина связей = 139015 mils Длина связей = 138931 mils Время работы: 00:00:16 Перестановка компонентов Длина связей = 146160 mils Проход 1 . Длина связей = 146160 mils Проход 2 . Длина связей = 138860 mils Проход 3 . Длина связей = 134839 mils Проход 4 . Длина связей = 129759 mils Проход 5 . Длина связей = 127235 mils Проход 6 . Длина связей = 123560 mils Проход 7 . Длина связей = 123252 mils Длина связей = 123252 mils Время работы: 00:00:18 Мы получили сокращение общей длины связей, но учитывая высокую плотность компоновки печатной платы, необходимо максимально облегчить последующую трассировку.

Повторим перестановки, используя в качестве исходных достигнутые результаты.

Перестановка компонентов Длина связей = 123166 mils Проход 1 . Длина связей = 123166 mils Проход 2 . Длина связей = 119388 mils Проход 3 . Длина связей = 118848 mils - 72 - Проход 4 . Длина связей = 118476 mils Проход 5 . Длина связей = 118026 mils Проход 6 . Длина связей = 117792 mils Проход 7 . Длина связей = 117590 mils Длина связей = 117538 mils Время работы: 00:00:26 Перестановка логических элементов Длина связей = 157613 mils Проход 1 . Длина связей = 157613 mils Проход 2 . Длина связей = 143600 mils Проход 3 . Длина связей = 142331 mils Проход 4 . Длина связей = 141548 mils Длина связей = 141548 mils Время работы: 00:00:14 Перестановка компонентов Длина связей = 130695 mils Проход 1 . Длина связей = 130695 mils Проход 2 . Длина связей = 126391 mils Проход 3 . Длина связей = 119905 mils Проход 4 . Длина связей = 118569 mils Проход 5 . Длина связей = 118225 mils Проход 6 . Длина связей = 117975 mils Длина связей = 117975 mils Время работы: 00:00:23 Перестановка логических элементов Длина связей = 157089 mils Проход 1 . Длина связей = 157089 mils Проход 2 . Длина связей = 142944 mils Проход 3 . Длина связей = 142651 mils Проход 4 . Длина связей = 141868 mils - 73 - Длина связей = 141868 mils Время работы: 00:00:14 Ручная оптимизация размещения Дальнейшего улучшения размещения компонентов можно достичь поворотом некоторых компонентов на 180` и оптимизацией назначения контактов внешних выводов.

Данная операция позволяет увеличить значение фактора выигрыша до 9. Вертикальная сетка гистограммы (ось X) Выделено 72 каналов трассировки.

Использование Максимальное 63 ( 87 %) Среднее 18 ( 25 %) Минимальное 48 ( 66 %) Итого 42 ( 58 %) Вертикальная сетка гистограммы (ось Y) Выделено 44 каналов трассировки.

Использование Максимальное 38 ( 86 %) Среднее 0 ( 0 %) Минимальное 30 ( 68 %) Итого 25 ( 56 %) Фактор выигрыша 9 Дальнейшие попытки улучшить размещение не дают сколько-нибудь заметного выигрыша, поэтому данное размещение (рис.2.13) можно считать окончательным и использовать для дальнейшей работы. 2.3.4. Трассировка соединений Произведем трассировку различными методами, предлагаемыми программой PC-ROUTE. Основными критериями оценки качества трассировки будем считать: - 75 - - процент разведенных связей, - количество переходных отверстий, - общую длину проводников. В исследуемой схеме 62 цепи, 170 связей и 318 контактов.

Статистические данные результатов трассировок приведены в табл.2.3, табл.2.4. и на рис.2.14, рис.2.15. Таблица 2.3. Сравнение эффективности методов построения соединений Метод DAISY MIN-SPAN STEINER STEINER-MINVIA Процент разводки 99.4 100 100 100 Длина проводников 150975 150222 139999 145439 Переходных отверстий 78 77 64 59 Время работы (мм.сс) 03.48 02.41 03.15 03.18 Таблица 2.4. Распределение времени при трассировке Процесс DAISY MIN-SPAN STEINER STEINER-MINVIA Упорядочение 1 1 2 2 Трассировка 120 66 150 88 Оптимизация.

Проход 1. 65 57 70 73 Минимизация переходов 10 10 9 9 Оптимизация.

Проход 2. 9 10 9 9 Спрямление углов 3 3 3 3 Метод DEISY не обеспечил 100% трассировки соединений, поэтому из дальнейшего рассмотрения его исключаем.

Проведенная по методу MIN-SPAN трассировка строит трассы, располагая входы последующих каскадов на одной шине. Это весьма часто используемый в цифровой технике метод трассировки, но в данном случае он обеспечивает наихудшие результаты - максимальную длину трасс и максимальное число переходных отверстий. - 79 - Методы использующие построение дерева Штейнера - STEINER и STEINER-MINSPAN дают лучшие результаты. Здесь практика полностью совпадает с теорией, согласно которой введение дополнительных точек соединения облегчает построение трасс (см. п. 1.3.3). STEINER-MINSPAN обеспечивает минимизацию числа переходных отверстий, но при его использовании суммарная длина соединений увеличивается. Мы должны определиться - какой из двух факторов предпочесть.

Меньшая длина трасс третьего варианта трассировки может улучшить частотные характеристики изделия и его помехозащищенность, но печатная плата с большим количеством переходных отверстий сложнее в изготовлении. В данном проекте следует предпочесть трассировку методом STEINER-MINVIA, так как мы производим разработку проекта на плате весьма малого размера, и большое число переходных отверстий может сильно затруднить ее изготовление.

Исследуем зависимость эффективности трассировки от порядка предварительной сортировки цепей (см.п. 1.3.5). Результаты сравнения приведены в табл.2.5. и рис.2.16. Таблица 2.5. Сравнение трассировок при разной сортировке Сортировка цепей Короткие-Длинные Длинные-Короткие Процент разводки 100 100 Длина проводников 145439 139772 Переходных отверстий 59 40 Время работы (мм.сс) 03:18 02:30 Видно, что предварительная сортировка цепей в порядке убывания длины позволяет получить заметный выигрыш в качестве разводки.

Количество переходных отверстий уменьшилось на девятнадцать, стали короче трассы, сократилось время работы программы.

Данный вариант можно считать наилучшим и использовать для изготовления платы. . - 80 - Проведенные исследования показали, что при проектировании печатных плат немаловажное значение имеет состав элементной базы проекта. При разработке изделия в первом примере, содержащего примерно равное количество дискретных элементов и корпусных микросхем, размеры печатной платы выбирались исходя из результатов расчета конструктивного объема (коэффициент заполнения 0.4). Размеры платы во втором примере (элементная база, в основном, представлена микросхемами) были заданы заказчиком, Плотность размещения компонентов в обоих примерах примерно одинакова, но операции оптимизации размещения, предоставляемые P-CADом, позволяют добиться лучшего результата во втором примере. Так, если в примере I при попытке произвести повторные перестановки компонентов и логических элементов плотность связей не уменьшается, т. е. после первого обращения к этим операциям достигается оптимальное состояние, то в примере II, содержащем относительно большее количество логических вентилей, именно повторное использование перестановок в различных сочетаниях позволяет достичь лучшего результата. Можно сделать вывод, что P-CAD больше приспособлен для компоновки корпусных схем.

Применение одних автоматических операций здесь позволяет достичь вполне удовлетворительных результатов. Но размещение дискретных компонентов лучше всего производить в интерактивном режиме, используя в качестве исходных данных автоматический расклад элементов. . - 81 - 3. РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ САПР ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ НА ОСНОВЕ ПАКЕТА P-CAD Понятие 'автоматизированная система' охватывает все типы систем, в которых функционирование системы осуществляется в результате согласованного взаимодействия человека-специалиста в заданной области - и соответствующего комплекса средств автоматизации его труда на базе компьютера. Для всех систем данного класса характерно включение человека в состав системы при научно обоснованном распределении функций между ним и комплексом средств автоматизации (КСА). Такое распределение предполагает выполнение человеком более свойственных ему функций эвристического характера, основанных на опыте, интуиции, неформальном творческом отношении к выполняемому процессу, и включение в КСА формализованных, алгоритмически представимых функций, основанных на использовании известных методов и знаний.

Оценка эффективности автоматизированных систем необходима не столько для фиксации соотношения произведенных затрат и полученных результатов, сколько для определения форм и методов эффективного создания системы, а затем ее эффективного функционирования.

Знание механизма формирования эффективности автоматизированных систем необходимо не только экономистам, рассчитывающим экономические показатели, характеризующие систему, но и разработчикам автоматизированных систем, а также специалистам, работающим в них и обслуживающих их, с тем чтобы закладывать в систему и практически использовать методы и решения, повышающие ее эффективность.

Понятие эффективности автоматизированной системы шире понятия ее экономической эффективности, поскольку в него входят также понятия научно-технического уровня и качества системы, некоторые составляющие социальной эффективности, которые недостаточно точно фиксируются в величине экономической эффективности.

Основными факторами, определяющими экономическую эффективность САПР, являются: - улучшение качества проектирования, складывающееся из улучшения качества инженерных решений и качества технической - 82 - документации (экономия за счет снижения и ликвидации брака в технической документации, уменьшения затрат на доработку и дублирование технической документации); - уменьшение срока проектирования новой техники, что определяется сокращением цикла 'исследование - производство' и сказывается на увеличении срока морального износа нового изделия, эффекта приоритетной новизны изделия, обеспечивающего его конкурентоспособность, экономии за счет сокращения потребности в оборотных средствах в результате ускорения их оборачиваемости; - снижение затрат на производство, происходящее от экономии капитальных затрат на выполнение исследований и проектирования за счет замены дорогостоящих натуральных испытаний, физического моделирования, специализированных стендов математическим и имитационным моделированием; - экономический эффект от сокращения численности работников, занятых на стадии исследования и проектирования.

Область функционирования САПР P-CAD - проектирование управляющих программ для фотокоординатографа, станков с ЧПУ и плоттера.

Внедрение САПР позволит: сократить сроки разработки и изготовления печатных плат; уменьшить конструкторские ошибки при проектировании фотошаблонов; повысить производительность труда проектировщиков фотошаблонов; уменьшить трудоемкость и стоимость проектирования.

Исходные данные для расчета приведены в табл.1.1. Таблица 1.1. Исходные данные Наименование Условные Единица Значение показателя показателей обозначеизмерения ния без САПР с САПР 1. Количество пеNп, Nап шт/год 280 280 чатных плат, проектируемых за год 2. Трудоемкость tп, tап чел-ч/шт 165 64 проектирования одdtп = 101 ной печатной платы . - 83 - Продолжение табл.1.1. Наименование Условные Единица Значение показателя показателей обозначеизмерения ния без САПР с САПР 3. Количество фотоNф, Nаф шт/год 600 600 шаблонов, проектируемых за год 4. Трудоемкость tф, tаф чел-ч/шт 66 41 проектирования одdtф = 25 ного фотошаблона 5. Количество корNк, Nак шт/год 140 140 ректируемых плат за год 6. Трудоемкость tк, tак чел-ч/год 100 40 схемных корректироdtк = 60 вок по одной плате 7. Удельная стоиCтп руб/чел-ч 500 500 мость трудозатрат одного конструктора плат 8. Удельная стоиCтф руб/чел-ч 550 550 мость трудозатрат проектирования ФШ 9. Отчисления в K1 % 28 28 пенсионный фонд 10. Отчисления на К2 % 5.4 5.4 соц. страхование 11. Отчисления на K3 % 3.6 3.6 обязательное мед. страхование 12. Отчисления в К4 % 2 2 фонд занятости 13. ПредпроизводстKп тыс.руб. 1000 венные затраты на создание САПР, приведенные к расчетному году . - 84 - Продолжение табл.1.1. Наименование Условные Единица Значение показателя показателей обозначеизмерения ния без САПР с САПР 14. Капитальные Kк тыс.руб. 3000 затраты на КТС, используемый в САПР, приведенные к расчетному году 15. Стоимость 1 ч Cми руб/ч 200 работы оборудования КТС 16. Действительный Fд ч 2400 годовой фонд времени работы оборудования КТС 17. Коэффициент Tсапр % 90 загрузки оборудования решением задач САПР 18. Период функциоT лет 5 нирования САПР с одинаковым годовым результатом до обновления системы 1. Расчет затрат на создание и функционирование САПР на основе пакета P-CAD. 1.1. Расчет единовременных затрат на создание и ввод в действие САПР: K = Kп + Tсапр * Kк K = 1000 + 0.9 * 3000 = 3700 тыс.руб. (исходные данные затрат приведены к расчетному году). . - 85 - 1.2. Расчет текущих затрат на функционирование САПР: а) годовые текущие затраты на функционирование САПР: Иг = Tсапр * Сми * Fд / 1000 Иг = 0.9 * 200 * 2.4 = 432 тыс.руб/г б) суммарные текущие затраты на функционирование САПР за 5 лет с приведением к расчетному году (первому году функционирования системы): Так как Ио = И1 = И2 =И3 = И3 = И4 = Иг, то И = Иг*а0 + Иг*а1 + Иг*а2 + Иг*а3 + Иг*а4 И = 432 * (1 + 0.9091 + 0.8264 + 0.7513 + 0.6831) = = 1801.4 тыс.руб. (значения ai взяты из табл.1.2). Таблица 1.2. Значение коэффициентов приведения к расчетному году ai. i ai 0 1 1 0.9091 2 0.8264 3 0.7513 4 0.6831 1.3. Расчет суммарных затрат на создание и пятилетнее функционирование САПР: З = К + И З = 3700 + 1801.4 = 5501.4 тыс.руб. (здесь значения К и И приведены к расчетному году). 2. Стоимостная оценка результатов функционирования САПР (расчет экономии от САПР). . - 86 - 2.1. Расчет сокращения времени проектирования требуемого количества печатных плат и фотошаблонов: dTп = T * (dtп * Nп + dtк * Nк) dTф = T * dtф * Nф dTп = (101 * 280 + 60 * 140 ) * 5 = 183400 часов dTф = 25 * 600 * 5 = 75000 часов 2.2. Расчет годовой экономии по заработной плате, получаемой от снижения трудозатрат при проектировании печатных плат, фотошаблонов и внесении схемных корректировок в условиях САПР: Pз = SUM( Nаi * dti * Ci) * [1 + SUM(Ki)] / 1000 или Pз = [1+(K1+K2+K3+K4)] * [Nап*dtп*Cтп + + Nаф*dtф*Cтф + + Nак*dtк*Cтп]/ 1000, Pз = 1.39 / 1000 * *(280*101*500 + 600*25* 550 + 140*60* 500) = = 36960.1 тыс.руб/год 2.3. Условно-годовая экономия Pг = Pз - Иг Рг = 36960.1 - 432 = 36528.1 тыс.руб/год 2.4. Расчет экономии, получаемой от снижения трудозатрат на проектирование печатных плат и фотошаблонов за период функционирования САПР: P = Pг * (ao + a1 + a2 + a3 + a4) Р = 36528.1 * 4.1699 = 152318.5 тыс.руб. . - 87 - Экономия в результате уменьшения числа конструкторских ошибок и брака в документации учтена в снижении трудозатрат на проектирование. Здесь не рассчитывается экономия, получаемая при изготовлении печатных плат за счет проектирования в САПР, из-за отсутствия исходных данных. На практике такая экономия может быть получена в результате оптимизации схемных решений на печатной плате и решения многовариантной задачи выбора оптимальной технологии изготовления печатной платы.

Получение экономии в процессе изготовления печатных плат должно являться основной целью автоматизации проектирования. Кроме того, важной составляющей стоимостной оценки результата функционирования САПР является оценка конкурентоспособности проектируемого изделия и прибыли, получаемой за счет его опережающего выпуска. Это также является предметом специального исследования и в данном расчете не учитывается из-за отсутствия исходных данных. 2.5. Оценка годового экономического эффекта, получаемого при функционирование САПР: Эг = Рг - К / Т Эг = 36528.1 - 3700 / 5 = 35788.1 тыс.руб/год 2.6. Оценка экономического эффекта, получаемого за пятилетнее функционирование САПР: Э = Р - К Э = 152318.5 - 3700 = 148618.5 тыс.руб. 2.7. Оценка народнохозяйственной эффективности САПР: Еа = Рг / К Еа = 36528.1 3700 = 9.9 1/год . - 88 - 2.8. Оценка периода возврата единовременных затрат: Твз = 1 / Еа Твз = 1 / 9.9 = 0.1 года Единовременные затраты возвращаются за период Tвз 1/Ea = 1/37475.82 = 0.1 года. Это без учета дополнительных результатов, получаемых в САПР, т. е. при учете только снижения трудозатрат на проектирование. . - 89 - Применение САПР P-CAD: снижение трудоемкости. без САПР с САПР Т р у д о е м к о с т ь чел-ч/шт 1. Снижение трудоемкости проектирования одной печатной платы 2. Снижение трудоемкости проектирования одного фотошаблона 3. Снижение трудоемкости схемных корректировок по одной плате Рис.3.1. Применение САПР P-CAD: снижение трудоемкости. . - 90 - ЗАКЛЮЧЕНИЕ Инженер по радиоэлектронике и автоматике в условиях технической оснащенности интеллектуальной деятельности должен свободно владеть средствами математического и программного моделирования и решения задач проектирования и эксплуатации аппаратуры с помощью ЭВМ. При этом направленное обучение специалистов по использованию компьютерной техники и программного обеспечения АРМ инженера является весьма актуальным и обусловлено широким внедрением в инженерную практику персональных компьютеров.

Приведенный в первой части данной дипломной работы обзор математических моделей печатных плат, используемых в САПР, алгоритмов компоновки и трассировки позволяет получить достаточно полное представление о современном состоянии этой области автоматизированного проектирования, существующих проблемах и методах их решения. В разделе, посвященном расчету конструктивного объема РЭА, сообщаются необходимые теоретические сведения для проведения работ на этом этапе разработки изделия.

Разработанная программа RTV (IBM, Clipper) значительно облегчит вычисления. Ее база данных содержит описание более 2000 компонентов отечественной элементной базы. В течении двух лет версии программы успешно использовались на лабораторных работах по курсу 'Конструирование РЭА' и получили высокую оценку пользователей. В главе 'Исследование алгоритмов, используемых в системе P-CAD' на примере разработки двух разнотипных блоков РЭА приводится методика компоновки в автоматическом и интерактивном режимах программы PC-PLACE, определена последовательность действий оператора, позволяющая достичь максимального использования ресурсов печатной платы. Дан сравнительный анализ алгоритмов трассировки программы PC-ROUTE и рекомендации по использованию различных методов трассировки в зависимости от элементной базы проекта. Опыт проведенных разработок в пакете P-CAD был обобщен и использован в методическом пособии 'Элементы прикладной машинной графики в системе P-CAD', посвященном первому этапу авто- - 91 - матизированного проектирования - созданию описания элементной базы проекта и описанию электрических принципиальных схем, как базовому при разработке проекта.

Расчет экономической эффективности САПР с применением пакета P-CAD, приведенный в данной работе, убедительно показывает снижение трудоемкости работы проектировщиков более чем в два раза. При внедрении подобной системы на промышленном предприятии срок окупаемости составит 2-3 месяца.

Проведенные исследования позволили глубже понять основные принципы системы и изучить особенности работы используемых в программах алгоритмов.

Полученные данные могут использоваться для повышения качества производимых разработок и формирования детального представление об основных элементах, структуре и принципах функционирования промышленных систем автоматизированного проектирования.

Результаты работы - методика исследований и данные экспериментов - могут быть использованы при организации курса лабораторных работ на основе пакета P-CAD, а так же будут полезны разработчикам РЭА, использующим эту систему.

Несомненно, развитие промышленного производства в дальнейшем будет идти по пути все большей автоматизации как конструирования, так и производства. Но не следует упускать из виду, что в настоящее время методы машинного проектирования еще не вышли на уровень полной автоматизации.