Периферийное оборудование САПР

 

Помимо PC, ПК и других ЭВМ для организации САПР РЭС требуется дорогостоящее периферийное оборудование.

Периферийное оборудование ЭВМ — это совокупность технических и программных средств, обеспечивающих взаимодействие ЭВМ с пользователем и внешней средой, а также хранениe, подготовку и преобразование информации к виду, удобному для ввода-вывода.

Периферийное оборудование подразделяется на две груп­пы: локальное, устанавливаемое рядом и подключаемое непос­редственно к ЭВМ, и удаленное (терминальное). По выпол­няемым функциям и локальное, и терминальное оборудование включает в себя средства хранения, телеобработки и ввода-вывода информации. Средства взаимного общения с пользова­телем должны осуществлять представление и ввод информа­ции в основном в графической форме.

В настоящее время существуют различные методы ввода и регистрации графической информации: высвечивание точек и линий на экране монитора, нанесение точек, вычерчивание линий и символов изображения на бумаге (в том числе специа­льной), изменение цвета бумаги путем химической (термичес­кой) реакции, электризация поверхности фотополупроводника, проецирование изображения с помощью луча лазера и др. Каждый метод и устройства, реализующие его, имеют свои достоинства и недостатки. Основными критериями для их сравнения являются [5,8]:

— качество изображения;

— скорость формирования изображения;

— стоимость оборудования и его эксплуатации;

— особенности программного обеспечения.

По программному обслуживанию периферийные устройства САПР делятся на два класса: растровые и координатные (векторные).

В растровых устройствах выводится мозаичный рисунок отдельных точек — пикселов, или ПЭЛов (от англ. picture element), по типу телевизионной развертки. При этом осуществляется последовательный перебор элементов мозаики и выделение пикселов, составляющих изображение. Время вывода изображения постоянно, не зависит от сложности рисунка и определяется только числом элементов мозаики (пикселов) и скоростью их перебора.

При векторном способе осуществляется последовательное очерчивание линий, составляющих изображение. Время вво да-вывода изображения пропорционально суммарной длине линий (в том числе с учетом «невидимых» линий). Для сложных изображений время вывода может быть достаточно велико. В современных САПР широкое применение находят оба типа устройств. Все периферийные устройства делятся на три основные группы:

— средства ввода-вывода с машинных носителей;

— средства ввода-вывода с документов;

— средства непосредственного взаимодействия с ЭВМ.

Первая группа средств включает в себя накопители на магнитных дисках или накопители на магнитных лентах (стрим­меры), представляющие собой обычные ВЗУ.

Средства ввода-вывода с документов имеют свою специфику для ввода-вывода текста и графической информации. К ним относятся различные печатающие устройства (принтеры), графопостроители, планшеты, сканеры и др.

Средства непосредственного взаимодействия с ЭВМ включают в себя устройства отображения алфавитно-цифровой и графической информации (дисплеи, проекционные системы и др.), акустические устройства ввода-вывода информации, устройства связи с реальными объектами (датчики, исполнитель­ные устройства), а также средства ручного ввода информации: алфавитно-цифровую клавиатуру, различные планшеты и манипуляторы (электронная «мышь», управляющие ручки — джойстики, управляющий шар — трекболл и др.).

Наиболее распространенным электронным средством отоб­ражения информации является дисплей. Большинство совре­менных дисплеев PC и ПК строятся на основе платы графи­ческого адаптера (графического процессора) и монитора.

Требования к качеству графического изображения в задачах САПР весьма велики, поэтому обычные графические адап­теры ПК стандарта VGA (640x480 точек разрешения, 256 цве­тов и ниже) не подходят для визуализации изображений. Существует несколько видов изображений в пакетах САПР:

— высококачественные черно-белые двухмерные изображе­ния (чертежи, эскизы и т.д.);

— цветные или полутоновые двухмерные изображения (то­пология БИС, печатных плат и т.д.);

— каркасные трехмерные проекции конструкторских чертежей, эскизов и т.д. с удалением и без удаления невидимых линий;

— проекции трехмерных изображений с закрашиванием поверхностей;

—   проекции реалистичных трехмерных изображений с учетом отражательных характеристик поверхностей объектов и ранжированием светотеней.

Наиболее простые черно-белые изображения и каркасные трехмерные изображения могут строиться векторными метода­ми. Остальные виды изображений требуют растровой цветной полутоновой графики с высоким разрешением и богатой цветовой палитрой.

Для изображений среднего качества могут быть использованы графические адаптеры мощных ПК типа SVGA с разре­шением не менее 1024x768 точек, 256 цветов и адаптеры или более недорогих PC, например семейства SUN с разрешением 1152x900, 256 цветов.

Для визуализации реалистичных трехмерных изображений, конструкций сложных объектов и многослойных топологий БИС требуются более высокие быстродействие и разрешение графических адаптеров. Такие графические адаптеры называют графическими процессорами, a PC с графическим процессором и цветным монитором повышенного разрешения и размера по диагонали (19 дюймов и выше) — графической рабочей станцией. Так, в графической PC фирмы IBM PS используется плата графического процессора, обеспечивающая разрешение 1280x1024 точки с более чем 4 млрд. оттенков цветов. Быстродействие такой графической станции при визуализации изображений — 990 тыс. трехмерных графических преобразований в секунду, что эквивалентно воспроизведению 120 тыс. трехмерных треугольников с закрашиванием в секунду. В связи с высокими требованиями к качеству изображении в области САПР доминируют цветные и полутоновые мониторы на электронно-лучевых трубках с повышенными разрешением и строчной и кадровой развертками, хотя ведутся интенсивные разработки и высококачественных мониторов на жидких кристаллах. Следует отметить быстрое развитие лазерных проекционных систем визуализации изображений на больших плоских экранах с повышенным разрешением до 1024x1024 точек. В этом случае развертка луча лазера ведется зеркальными механическими отклоняющими системами либо электронными системами на базе акустооптических дефлекторов.

Устройства графического вывода (печатающие устройства — принтеры, графопостроители и т.д.) занимают ведущее место среди номенклатуры периферийных устройств на рынке технических средств САПР (более 2/3 от всей оконечной аппаратуры). Сложилось разделение устройств вывода на печатаю­щие устройства и графопостроители, однако границы их использования для вывода текста и графики в последнее время всe более размываются.

Печатающие устройства по порядку вывода делятся на:

— посимвольные, в которых вывод алфавитно-цифровой информации осуществляется последовательно, символ за символом за один цикл печати;

— построчные, которые формируют и выводят за один цикл печати всю строку;

— постраничные, которые формируют и выводят целиком всю страницу за один цикл печати.

По физическому принципу различают печатающие устрой­ства ударного и безударного действия. В первом случае изображение получают в результате удара по носителю записи специальным органом — молоточком, стержнем, иглой и др. В устройствах безударного действия изображение выводится в результате физико-химического, электрического и другого воз­действия на оконечный носитель записи (бумагу) или некото­рый промежуточный носитель (специальную пленку, различ­ные барабаны, пластины и др.).

Наиболее популярны среди принтеров ударного действия матричные печатающие устройства, в которых изображения (знаки) формируются специальной головкой, содержащей стержни-иглы, возбуждаемые электромагнитным или пьезо­электрическим приводом. В простых моделях головок 9...12 игл, в более сложных— 18...24. Сложные модели обеспечивают достаточно высокое качество печати, но низкое быстродействие.

К недостатку печатающих устройств ударного действия от­носится также наличие большого количества механических элементов, работающих при высоких динамических нагрузках, и связанные с этим ограниченный ресурс, повышенный уровень шума и ненадежность.

Печатающие устройства безударного действия относятся к матричным устройствам. Изображение формируется из отдель­ных точек с четкостью от 3 до 32 точек на мм. В большинстве из них используется одинаковый принцип: формирование скры­того электрического или магнитного изображения на промежу­точном носителе, далее его визуализация и перенос на бумагу. Среди безударных печателей наиболее популярны термопечати, струйные печатающие устройства и лазерные печати.

Термопечатающие устройства используют термопечатные головки (терморезисторы) и копировальные пленки (5...10 мкм) с легкоплавким красящим слоем. Локальный нагрев пленки у красителя приводит к переносу отпечатка на бумагу. В таких устройствах достигаются высокая четкость (6...12 точек на 1 мм), высокая контрастность, легко реализуется многоцветность изображения.

Струйные печатающие устройства относятся к посимвольным матричным устройствам. Существует два типа таких печателей: с непрерывной капельной струей и импульсные (ждущие). В первых заряженные капельки красителя летят мимо отклоняющей системы и формируют символы  (графику)  на  бумаге.  Скорость  такой  печати до 300 см²/мин при разрешении 20 точек на 1 мм. В ждущих принтерах капли вылетают лишь тогда, когда необходимо сформировать символ. В них используются многосопловые (до 9... 12 сопл и более) струйные головки, обеспечивающие плотность записи 4...12 точек на 1 мм. Возбуждение капсул-инъекторов осуществляется пьезоэлементом или нагревом микрорезистора.

Наибольшую популярность в настоящее время имеет лазерная печать, обеспечивающая очень высокую скорость печати (10 страниц в минуту) при высокой четкости — до 40 точек на 1 мм. В таких устройствах изображение регистрируется электрографическим способом. Лазер создает скрытое изображение на барабане, а его визуализация осуществляется специальным порошком — тонером с тепловым закреплением на бумаге. При этом луч лазера по одной координате разворачивается механически с помощью зеркальной многогранной призмы, а по другой координате — электронным способом с помощью акустооптического дефлектора. Управляет работой лазера печати мощная микро-ЭВМ, формируя страницы вывода, получаемые от PC или ПК. К недостаткам лазерной печати следует отнести ее относительно высокую стоимость и сложность формирования цветных изображений. Лазерные принтеры обычно используются коллективно несколькими пользователями через ЛВС. Лидером в производстве лазерных печатей является фирма Hewlett-Packard. Параметры одного из относительно недорогих лазерных принтеров HP LaserJet:

номинальная скорость печати — 10 стр./мин;

емкость лотка для подачи бумаги — 100 листов;

емкость приемного лотка — 250 листов;

минимальная емкость буферной памяти — 512 Кбайт;

максимальная емкость буферной памяти — 4,5 Мбайт;

интерфейсы с ЭВМ—последовательный и параллельный;

ресурс кассеты с тонером — 3500 страниц;

масса — 10 кг.

Графопостроители подразделяются на два основных типа: растровые и векторные (координатные).

Растровые устройства по своей конструкции близки к принтерам безударного действия и используют электрохимический, электротермический и другие принципы работы. Пишущий узел в них представляет собой гребенку электродов, образую­щую растр во всю ширину бумаги. Специальная бумага пере­мещается в одну сторону ведущим барабаном; при подаче на­пряжения на те или иные электроды и общий электрод прохо­дит химическая или термическая реакция и возникает отпечаток на бумаге. Разрешающая способность таких устройств — 8 точек на 1 мм. Достоинства растровых устройств — высокая скорость работы, не зависящая от сложности изображения; недостаток — сложность конструкции системы управления на­пряжением на электродах гребенки.

Векторные (координатные) графопостроители относятся к электромеханическим устройствам и выполняются в двух ви­дах: планшетном и рулонном. В планшетном графопостроите­ле бумага фиксируется, а пишущий узел закреплен на карет­ке, установленной, в свою очередь, на движущейся планке. Тем самым каретка может перемещаться в любую точку план­шета. Используется векторный способ управления графопост­роителем путем подачи аналоговых или дискретных (шаговых) сигналов, пропорциональных изменениям координат при пере­мещении пишущего узла. Для вывода сложных кривых при­меняется линейная, линейно-круговая или параболическая интер­поляция с помощью специальной управляющей микроЭВМ, входящей в состав графопостроителя.

В рулонном графопостроителе планка неподвижна, а бара­бан или валик перемещает бумагу. Рулонный графопостроитель более автоматизирован в работе, чем планшетный, однако не­льзя использовать произвольные листы, бланки и т.п.

Основное назначение устройств ввода графической инфор­мации заключается в преобразовании аналоговых объектов изображения в дискретную форму представления в ЭВМ. Уст­ройства ввода включают в себя как средства ввода информа­ции с документов, так и органы ручного ввода при непосред­ственном взаимодействии с ЭВМ.

При вводе осуществляются две основные операции: поиск, выделение (считывание) изображения и кодирование информа­ции. По степени автоматизации операции считывания изобра­жения устройства ввода разделяются на полуавтоматические и автоматические. В первых поиск элементов осуществляется вручную, а кодирование информации — автоматически; во вто­рых устройствах и считывание, и кодирование информации производятся автоматически с помощью ЭВМ.

Для управления маркером на дисплее и ввода команд ис­пользуются ручные манипуляторы: электронная «мышь», управляющая ручка — джойстик, управляющий шар — трекболл.

Среди полуавтоматических устройств ввода изображений наиболее популярны полуавтоматические сканеры, в которых чувствительный элемент считывания изображения перемещается по элементам изображения рукой человека. Автоматические устройства ввода изображений выполняют считывание ин­формации без участия человека. Существует два типа автоматических устройств ввода: следящие — аналог векторных устройств вывода и сканирующие (растровые). Следящие устройства ввода выполняют слежение за ли­нией и устанавливаются либо на графопостроитель, либо на специальную координатную систему. Возможности следящей системы ограничены сложностью рисунка, числом пересече­ний, типом линий и т.д.

В сканирующих устройствах (сканерах) осуществляется растровое представление вводимого документа, выполняется распознавание образов, символов, знаков; далее изображение может быть графически отредактировано на дисплее и выведено растровое устройство вывода. В автоматических и полуавтоматических сканерах в качестве чувствительного элемента используется однокоординатная линейка фотоприемников или линейка приемников на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС). По другой координате перемещение линейки осуществ­ится вручную или автоматически с помощью шагового двигателя. Поверхность считываемого изображения освещается светодиодами, что улучшает равномерность засветки и качества считываемого изображения. Сканеры на основе таких систем позволяют получать четкость картинки до нескольких десятков точек на мм. Для быстрого ввода в ЭВМ изображений, сравнимых по четкости с телевизионным, используются автоматические сканеры на основе телевизионных камер с приемной ПЗС-матрицей и высококачественной широкоугольной оптики.

К средствам непосредственного взаимодействия с ЭВМ относятся и акустические системы ввода-вывода информации. Средства акустического ввода подразделяются на устройства ввода изолированной и дискретной речи (отдельные команды) и устройства ввода слитной речи. Средства акустического вывода делятся на устройства синтеза звуков, устройства синтеза речи по правилам синтеза и по образцам. Синтез по правилам ведет к созданию искусственной речи; синтез по образцам заключается в кодировании естественной речи для последующего воспроизведения (так называемые компилятив­ные синтезаторы).

Технические средства САПР динамично развиваются в сто­рону максимально быстрой реакции на любую команду чело­века и организации ввода-вывода любой информации в виде, естественном для специалиста проблемной области, в которой функционирует конкретная САПР.