Elektroninių sistemų automatizuoto projektavimo programos

Elektroninių sistemų automatinio projektavimo rūšys

Priklausomai nuo sistemos paskirties, jos parametrų ir projektavimo etapų naudojamos skirtingos programos, atliekančios konkrečias specifines užduotis:

1. Mišrių analoginių-skaitmeninių įtaisų modeliavimas

2. Programuojamos logikos modeliavimas ir sintezė

3. SAD įrenginių schemotechninis ir elektromagnetinis modeliavimas

4. Funkcinis modeliavimas

5. Spausdintinių plokščių projektavimas

6. Šiluminis modeliavimas

7. DIS topologijų projektavimas

Kiekviena iš šių funkcijų yra atskiras ir savarankiškas procesas, kuriam aiškinti galima skirti atskirą knygą. Todėl juos apžvelgsime tik struktūriškai.

Analoginių – skaitmeninių įtaisų modeliavimas

Tai, ko gero, labiausiai paplitęs projektavimo uždavinys. Visi šiuolaikiniai paketai turi grafinį schemos įvedimą, po to generuojamas sąrašas sujungimų, reikalingų modeliavimo programos darbui. Dauguma paketų modeliavimą atlieka programa SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis), sukurta Berklio universitete, JAV, 1975 metais Larry Nagel ir Donald Pederson. Pirmutinės dvi versijos sukurtos Fortrano kalba, o trečioji ir vėlyvesnės – C kalba, tačiau komponentų aprašymo stilius išliko panašus į Fortran kalboje naudojamą stilių. Šiuo metu analoginių įtaisų modeliavimui dažniausiai naudojama versija SPICE 3, o skaitmeninių modeliavimui – XSPICE. Ši versija buvo sukurta specialiai skaitmeninių įrenginių, aprašytų sąrašu sujungimų, modeliavimui, o patys komponentų modeliai aprašomi SimCode kalba.

SPICE programos pagrindu šiuo metu yra sukurta daug modeliavimo programų mokymo, industriniams ir komerciniams tikslams.

Įvairūs komerciniai programiniai paketai naudoja praktiškai tuos pačius skaičiavimo algoritmus, skiriasi tik grafinė sąsaja, suteikianti vartotojui galimybę pasiekti programos SPICE funkcijas, o taip pat kai kurios papildomos galimybės apdoroti gautus duomenis. Kainos čia svyruoja labai plačiose ribose, tačiau beveik visos kompanijos siūlo nemokamas studentiškas versijas. Peržvelgsim pagrindinius šios kategorijos produktus:

• Kompanijos Altium programa CircuitMaker
• Kompanijos Altium Protel DXP Design Explorer
• Kompanijos Cadence programa PSPICE A/D, įeinanti į ORCAD sudėtį
• Kompanijos Mentor Graphics programa PADS - Analog A/D

Programa CircuitMaker, pradžioje sukurta kompanijos MicroCode Engineering, priklauso “lengvų” APS kategorijai. Programa turi savo schemų redaktorių, yra lengvai nustatoma ir prisitaiko prie konkretaus tyrinėtojo poreikių. Ji pritaikyta vartotojams, sprendžiantiems nelabai sudėtingus uždavinius, pavyzdžiui, universitetams. Dirbti namų sąlygomis studentams siūloma nemokama ribota versija.

Sprendžiant sudėtingesnius uždavinius, labiausiai tinka programa PSPICE A/D, kuri pradžioje buvo sukurta kompanijos MicroSim, ir įėjo į paketo DesignLab sudėtį. Vėliau ji įėjo į kompanijos Cadence paketo OrCAD sudėtį. Ši programa gali atlikti pačių įvairiausių tipų analizę, o taip pat turi eilę skaičiavimo rezultatų peržiūrėjimo funkcijų, neprieinamų kitose modeliavimo sistemose. Papildyta specialiu moduliu PSPICE Optimizer, ji leidžia ne tik modeliuoti, bet ir optimizuoti schemas pagal įvairius kriterijus. Programos kaina aukštesnė, bet ir čia yra apribotos nemokamos versijos studentams.

Pakankamai patogi ir daugeliui atveju visiškai pakankama yra Altium Protel DXP Design Explorer programa. Kadangi tai tos pačios Altium kompanijos kurinys, jo galimybės panšios į CircuitMarker programos galimybes.

Taip pat, reikia paminėti kompanijos Spectrum Software sistemą MC7 ir kompanijos Interactive Image Technologies sistemą Electronic Workbench, ekvivalenčias programai Circuit Maker.

Loginių schemų sintezė

Kitas svarbus projektavimo uždavinys yra loginės schemos sintezė tolesnei jos realizacijai programuojamose loginėse integralinėse schemose (PLD, CPLD, FPGA). Kaip taisyklė, produktuose, skirtuose šiems tikslams įgyvendinti, naudojama schemos darbo funkcionavimo užduotis, sudaryta viena iš aparatūros aprašymo kalbų (HDL), pavyzdžiui, VHDL arba Verilog. Paprastiems įrenginiams projektas gali būti užduotas kaip principinė schema. Čia galima išskirti tokius produktus:

• Kompanijos Altium programa PeakFPGA;
• Modulis PLD 99 SE, įeinantis į Protel 99 SE;
• Kompanijos Cadence produktai;
• Kompanijos Elanix paketas SystemView;

Programa PeakFPGA pradžioje buvo sukurta kompanijos Accolade Design Automation, kuri vėliau įėjo į Protel sudėtį. Programa skirta projektų, aprašytų VHDL kalba (standartai IEEE 1076 – 1987 ir 1076 – 1993), kūrimui, ir jų pakavimui į konkrečias skirtingų gamintojų mikroschemas. Taip pat palaikomos VITAL ir Synapsys bibliotekos. Galingos modeliavimo ir tikrinimo priemonės leidžia atlikti greitą klaidų paiešką pagal įvairius kriterijus, ir kuriamo įrenginio derinimą. Šią programą kompanija Altium siūlo logikos sintezei kartu su savo moduliu PLD 99 SE iš komplekto Protel 99 SE. Projektų aprašymui naudojama CUPL kalba, leidžianti aprašyti logines schemas trijų metodų kombinacija:

• bulio išraiškomis, 
• teisingumo lentelėmis, 
• baigtinių automatų metodu.

Galima redaguoti atskiras projektų dalis principinių schemų redaktoriumi, naudojant specialias bibliotekas. Sintezuotas įrenginys įpakuojamas konkrečioje mikroschemoje, kurios programavimui generuojamas failas JEDEC formate.

Didesnes galimybes šioje srityje turi kompanijos Cadence produktai, pvz.: pradedant ORCAD 10 suteikiamos papildomos sintezės ir loginių schemų modeliavimo galimybės, su vėlesniu jų pakavimu į pagrindinių gamintojų mikroschemas. Ji funkcionalumu pralenkia anksčiau išvardintus kompanijos Altium siūlomus produktus, tačiau ir kainuoja daug daugiau.

Atskirai paminėtinas kompanijos Elanix paketas SystemView, taip pat leidžiantis modeliuoti logines schemas, ir pakuoti jas į firmos Xilinx PLM. Tačiau projekto modeliavimo lygis čia iš esmės kitas – ši programa skirta sistemų modeliavimui struktūrinių schemų lygyje. Čia naudojami funkciniai modeliai, leidžiantys įvertinti projekto darbingumą ventiliniame, o ne schemotechniniame, lygyje. Šio paketo privalumas yra tai, kad jis turi galingą skaitmeninių filtrų sintezės modulį.

SAD įrenginių projektavimas

Kitą uždavinių sudėtingumo lygį sprendžia SAD įrenginių projektavimo sistemos. Kaip taisyklė, norint gauti tūrinių struktūrų charakteristikas, reikalingas Maksvelo lygčių sprendimas, o tiesinių ir netiesinių schemų modeliavimui įprastų branduolio SPICE naudojamų modelių ir metodų nepakanka. Galima išskirti keturis paketus:

• integruotas paketas Microwave Office ir trys pilno elektromagnetinio modeliavimo sistemos;
• kompanijos Ansoft produktai;
• kompanijos CST Microwave Studio;
• kompanijos QWED QuickWave-3D;
• kompanijos IMST EMPIRE.

Labiau integruotas sprendimas yra kompanijos AWR paketas Microwave Office, apjungiantis tiesinių ir netiesinių schemų analizės, topologijų projektavimo, daugiasluoksnių planarinių struktūrų elektromagnetinio modeliavimo, ryšio sistemų struktūrinių schemų lygyje modeliavimo modulius. Netiesinė analizė atliekama harmoninio balanso metodu ir Voltero eilutėmis, kas leidžia gauti didesnį tikslumą ir greitumą, nei artimiausių konkurentų – kompanijos Agilent Technologies produkto ADS ir kompanijos Ansoft produkto Ansoft Designer. Elektromagnetinis planarinių SAD įrenginių modeliavimas atliekamas Galerkino momentų metodu. Struktūrinių schemų modeliavimo modulis, pradžioje sukurtas kompanijos ICUCOM, puikiai integruotas į aplinką, ir turi didžiausią modelių bibliotekų rinkinį. Topologijų redaktorius yra ne tik SAD įrenginių topologijų redagavimo grafinė aplinka, bet taip pat ir galingas technologinio pasiruošimo gamybai instrumentas.

Visi kiti paketai sprendžia pilno trimačio tūrinio SAD įrenginių elektromagnetinio modeliavimo uždavinį. Geriausius modeliavimo rezultatus pateikia vokiečių kompanijos CST programa CST Microwave Studio ir lenkų kompanijos QWED programa QuickWave-3D.

Pastaroji programa labiau žinoma komerciniu pavadinimu CONCERTO, parduodama Anglijos kompanijos Vector Fields. Abi programos naudoja baigtinių skirtumų metodą (FDTD). Pagrindinis programų skirtumas yra sąsajos išbaigtume: vokiškasis produktas yra grafinė aplinka uždavinio formulavimui, o lenkiškasis be nubraižytos struktūros reikalauja iš vartotojo užrašyti ir programos kodą. Abi programos turi optimizacijos priemones, abi orientuotos į personalinį kompiuterį, ir abi parodo geresnius modeliavimo rezultatus, nei kompanijų Agilent ir Ansoft vienodo pavadinimo produktai HFSS ( 2001 m. balandžio mėn. kompanijos Agilent, gaminusios šį produktą, padalinys, buvo parduotas kompanijai Ansoft).

Pigesnį ir paprastesnį sprendimą siūlo kita vokiška kompanija – IMST. Jos produktas EMPIRE naudoja klasikinę metodo FDTD realizaciją, todėl norint gauti tikslius laisvų formų tūrinių struktūrų, išreikštų kreiviniais paviršiais, rezultatus, reikia daugiau laiko ir resursų. Dar čia galima gauti įvairias dažnines SAD įrenginių charakteristikas, o taip pat antenų kryptingumo diagramas.

Funkcinis modeliavimas

Čia reikalaujamas didelis programos lankstumas, turi būti tikslios funkcinių modulių bibliotekos, sujungimo galimybė su kitomis modeliavimo sistemomis. Įdomiausi šioje srityje du specializuoti paketai ir viena bendrinė modeliavimo programa:

• Kompanijos Elanix System View; 
• Kompanijos AWR Microwave Office; 
• MATLAB paketas.

Pirmi du produktai jau buvo paminėti anksčiau, bet dabar verta peržiūrėti išsamiau. Nepriklausomai nuo panašios jų paskirties, galime matyti ryškią jų specializaciją. System View skirtas bet kokių dinaminių sistemų modeliavimui ir leidžia modeliuoti bet kurią sistemą laikinėje srityje, ar tai būtų loginė, ar analoginė schema ar netgi kokia nors matematinė abstrakcija – svarbiausiai, kad būtų atitinkama biblioteka. Su paketu pateikiamas didelis funkcinių blokų bibliotekų rinkinys. Jeigu to neužtenka, yra galimybė sukurti bet kokio sudėtingumo vartotojo bibliotekas. Tai ypatingai patrauklus instrumentas aukštųjų mokyklų įvairių disciplinų dėstymui.

Paketas Microwave Office skirtas daugiau dirbantiems su SAD įtaisais. Naudojamas struktūrinių schemų veikimo analizės modulis anksčiau buvęs autonominis paketas ACOLADE, sukurtą ICUCOM kompanijos sudėtingų skaitmeninių signalų apdorojimo modeliavimui telekomunikaciniuose įrenginiuose. Pridedamos funkcinių modulių bibliotekos, turi daugiau kaip 400 modelių, kita vertus, projektuojant realias ryšio sistemas, būtų daug protingiau nenaudoti idealizuotus modelius, o gauti jų charakteristikas schemotechninio modeliavimo būdu. Originali objektiškai orientuota paketo Microwave Office branduolio architektūra ir naudojami modeliavimo metodai suteikia galimybę analizuoti praktiškai realaus laiko režime. Pavyzdžiui, naudojant instrumentą tiunerį, galima tolygiai keisti heterodino signalo lygį viename imtuvo dažnių keitiklyje ir lygiagrečiai sekti klaidų koeficiento bitų kaitą demoduliatoriaus išėjime. Anksčiau tokias galimybes siūlė tik kompanijos Ansoft ir Agilent Technologies produktai, esant didesnei kainai ir mažesniam analizės greičiui.

Visiškai kitokios struktūros ir paskirties yra MATLAB paketas. Netgi keblu jį priskirti elektroninių sistemų projektavimui – tai iš esmės yra universalus matematinis modeliavimo ir programavimo paketas. Tačiau dėl didelio kiekio standartizuotų bibliotekų, kurios apjungiamos praktiškai neribotomis programavimo galimybėmis (paketas paremtas C kalba), programa gali būti naudojama visoms technologijų mokslų šakoms modeliavimu ir projektavimui. Ne išimtis ir elektroninių sistemų funkcinis ir struktūrinis modeliavimas. Todėl MATLAB programa labai paplito pirminių struktūrinių modelių analizei ir sintezei, charakteristikų lyginimui ir netgi skaitmeninių sistemų projektavimui. Gauti modeliavimo rezultatai toliau perkeliami į specializuotus elektroninių sistemų modeliavimo modelius ir galiausiai sudaromos principinės schemos.

Tačiau tai, jog MATLAB modeliavimo rezultatus tiesiogiai realizuoti į schemą neišeina ir reikia dar naudoti papildomai specializuotus paketus, visgi jo galimybių gausa ir lankstumas nukonkuruoja kitų modeliavimo programų pirminių funkcijų modelių sudarymo galimybes.

Spausdintinių plokščių projektavimas

Tai vienas iš paskutiniųjų automatizuoto projektavimo etapų. Labiausiai populiarūs paketai:

• Kompanijos Altium Circuit Maker ; 
• Kompanijos Altium P-CAD; 
• Kompanijos Altium PROTEL; 
• Kompanijos CADENCE OrCAD; 
• Kompanijos CADENCE PCB Design; 
• Kompanijos Mentor Graphics Expedition PCB; 
• Kompanijos Mentor Graphics PADS PowerPCB.

Circuit Maker, sukurtas firmoje MicroCode Engineering, po jos susijungimo su kompanija Altium, tapo pigiausiu sprendimu nesudėtingų SP projektavimui. Standartinė versija leidžia kurti plokštes, turinčias iki 6 signalinių sluoksnių ir iki 2 metalizacijos sluoksnių. Šis produktas, turintis pakankamai patogų ir lankstų schemų redaktorių, o taip pat modeliavimo programą, gali būti naudingas mokymo procese. Truputį galingesnė, bet mažiau lanksti yra sistema P-CAD – loginis amerikietiškos firmos ACCEL Technolgies, nukonkuruotos 2000 metų pradžioje PROTEL, produktų ACCEL EDA tęsinys. Naujam savininkui prireikė beveik metų, kad priartintų produkto funkcijas prie savo programos PROTEL 99 SE lygio. Dabar šie produktai turi daug bendro: yra (egzistuoja) pilnas dvikryptis transliatorius, vienodos bibliotekų elementų sudėtys ir struktūra, identiški modeliavimo, autotrasavimo ir signalų vientisumo analizės moduliai, yra interfeisas su autoišdėstymo ir autotrasavimo SPECCTRA kompanijos CADENCE programa.

Kita vertus PROTEL yra galingesnė ir šiuolaikiškesnė sistema, skirta kurti projektus “iš viršaus į apačią”. Čia panaudojama originali projektinės informacijos saugojimo technologija su galimybe tinkle prieiti prie tų pačių projekto dalių keliems dirbantiesiems. Projektai gali turėti, esant poreikiui, sudėtingą hierarchiją. Realizuota architektūra “klientas – serveris” pateikia vartotojams praktiškai neribotas galimybes papildant sistemą savo moduliais. Paketas be vargo naudojamas nacionalinėmis kalbomis, nes naudoja OC Windows lokalizuotą derinimą. Primityvų braižymo plokštėje tikslumas - 0,001mil (0,025µk), kas yra dviem eilėmis aukščiau negu bet kurioje kitoje sistemoje.

Paketą OrCAD 9.2. galima pavadinti atitinkančiu funkciniu požiūriu. SP redaktorius OrCAD Layout turi 3 skirtingas konfigūracijas su skirtingomis funkcinėmis galimybėmis. Projekte plokštės gali būti iki 30 sluoksnių, iš kurių 16 gali būti signalinės. Yra autoišdėstymas ir autotrasavimas, o taip pat interfeisas su programa SPECCTRA. Labai patogus principinių schemų redaktorius OrCAD Capture CIS, turintis šiuo metu vienintelę valdymo sistemą komponentų duomenų bazėms. Sistema CIS (Component Information System) buvo sukurta, kad visiems OrCAD’o vartotojams per Internetą būtų galima prieiti prie komponentų duomenų bazių (DB) puslapyje. Sistemos CIS lankstumas leidžia organizuoti naudojamų komponentų korporacines bazes ir dirbti lokaliuose tinkluose, o taip pat naudoti automatizuotos kontrolės procedūras.

Vienas iš galingiausių ir brangiausių sprendimų spausdintinių plokščių (SP) projektavimui yra kompanijos CADENCE produktų kompleksas – PCB Design Studijo. Kaip SP redaktorius čia naudojama programa Alegro leidžianti paruošti daugiasluoksnes ir greitaeiges plokštes, labai talpiu komponentų išdėstymu. Autoišdėstymui ir autotrasavimui čia naudojama programa SPECCTRA, kuri valdoma pagal platų projektavimo taisyklių rinkinį ir technologinius apribojimus. Nuosavų priemonių signalų vientisumo analizei čia, kaip ir OrCAD’e nėra – šią funkciją atlieka atskiras modulis SPECCTRA Quest SI. Projekto kūrimui siūlomos sekančios priemonės: OrCAD Capture CIS sąlyginai paprastoms užduotims ir Concept HDL sudėtingiems hierarchiniams arba daugiavarijantiniams projektams.

Spausdintų plokščių (SP) šiluminė analizė

Šis projektavimo etapas naudojamas specializuotoms schemoms arba planuojant serijinę gamybą. Čia reikia pažymėti 3 programas:

• BETAsoft – Board nuo Dynamic Soft Analysis;
• Sauna nuo Thermal Solutions.

Programa BETAsoft – Board modeliuoja šiluminius procesus ant SP. Taip pat yra projektų importo interfeisai iš visų aukščiau išvardintų produktų, gausios modelių ir medžiagų bibliotekos. Skaičiavimo procese gali būti gautos atskirų komponentų temperatūros, plokščių perkaitimo žemėlapiai, temperatūros gradientas. Šiluminių procesų kristaluose analizei siūloma programa BETAsoft – MCM.

DIS topologijų projektavimas

Egzistuoja dar vienas svarbus projektavimo uždavinys – integralinių schemų topologijų kūrimas. Didelės kompanijos naudoja Cadence ir Mentor produkciją, tačiau darbo vietos orientacinė kaina čia sudaro šimtus tūkstančių dolerių.

Microelektronic CAD LAB institutas sukūrė programinę įrangą, kuri leidžia panaudojant standartinius bibliotekų komponentus, projektuoti detales didelems ir labai didelems integrinėms schemoms. Ši programinė įranga daugiau orientuota į skaitmeninių integrinių schemų technologijas, bet, žinoma, galima naudoti ir analoginius mazgus. Programinis paketas leidžia naudoti skirtingo sluoksnio ir storio technologijas. Pats programinis paketas vadinasi CADENCE. Tai pramoninio naudojimo programinis paketas. CADENCE sistema yra sistema gigantas.

Integrinės schemos projektavimas prasideda nuo pačios schemos projektavimo, nepriklausomai ar tai bus skaitmeninė ar analoginė, ar mišri integrinė schema. Schemos projektavimui naudojami standartiniai bibliotekų elementai. Sekantis projektavimo etapas yra suprojektuotos schemos patikrinimas. Atliekamas elektrinių sujungimų ir schemos atliekamų funkcijų tikrinimas. Patikrinus schemos atliekamas funkcijas galima atlikti suprojektuotos schemos optimizavimą. Optimizavimo metu sistema bando sukurti analogiškas funkcijas atliekančią schemą tiktai panaudojant mažiau elementų. Po schemos optimizavimo atliekamas pakartotinas simuliavimas. Toliau pereinama prie integrinės schemos kristalo kūrimo. Po to seka pakartotinis elektrinių sujungimų tikrinimas, elementų išdėstymo tikrinimas ir schemos atliekamų funkcijų tikrinimas, atsižvelgiant į susidariusius talpumus, laidumus ir t.t. Schemos atliekamų funkcijų patikrinimui naudojama programa VERILOG XL.

Parengta pagal:

• V. Knyva, MDP paskaitų konspektai.
• Programinės įrangos gamintojų svetainėse pateikta informacija