Этапы проектирования РЭА и возможности их автоматизации

Процесс проектирования РЭА можно условно разбить на три основных этапа: системотехнический, схемотехнический и технический.

Системотехническое проектирование включает в себя внешнее и структурное проектирование.

При внешнем проектировании производят всесторонний анализ исходного технического задания с точки зрения надежности, стоимости, быстродействия, массогабаритных характеристик и т. д.; принимают наиболее существенные решения относительно возможных путей реализации требований к аппаратуре, сформулированных в техническом задании, с учетом современных достижений в области радиоэлектроники; выбирают критерии для оценки эффективности проекта. На этой стадии проектирования намечают основные направления схемотехнических и конструкторско-технологи-ческих решений, а также производят патентный поиск существующих аналогов с целью рационального использования накопленного опыта, формирования оригинальных решений и их оформления.

Структурное проектирование основывается на техническом задании на разработку, дополненном результатом внешнего проектирования. На данной стадии уточняют основные функциональные части разрабатываемой РЭА, производят распределение функций между отдельными узлами и блоками. При этом необходимо учитывать требования производства и возможность использования унифицированных изделий, выпускаемых промышленностью.

В настоящее время системотехническое проектирование является нефор-мализуемым процессом. Здесь используют в основном творческие возможности разработчиков, а вычислительные машины применяют лишь для просмотра вариантов решений, принимаемых разработчиком, и поиска аналогов с помощью информационно-поисковой системы.

Схемотехническое проектирование включает в себя логическое проектирование, моделирование и анализ полученных схем, разработку диагностических тестов. На данном этапе проектирования использование ЭВМ в настоящее время является более широким.

При логическом проектировании осуществляют формальный синтез функциональных схем отдельных узлов, выбранных на этапе системотехнического проектирования. Хотя в теоретическом плане здесь существуют значительные достижения, практически используют машинный синтез управляющих и узкого класса операционных устройств. Слабо разработана проблема синтеза нелинейных схем. Поэтому автоматизированный синтез функциональных схем выдвигает большое число задач, требующих решения, например разработка удобных языков описания исходных данных, алгоритмов с целью их оптимизации по комплексным критериям.

Основной задачей моделирования и анализа полученных схем является накопление информации о проектируемых схемах, построение карт состояний и проверка временных соотношений при прохождении входных сигналов. По мере развития автоматизации логического проектирования объем моделирования функциональных схем будет постепенно уменьшаться, так как усложнение схем и использование БИС исключают возможность подробного моделирования, а многие критерии оптимизации могут быть учтены в результате синтеза схем с применением укрупненных моделей (макромоделей).

Большое значение при разработке сложных радиоэлектронных устройств приобретает разработка диагностических тестов. Это связано с непрерывным повышением надежности используемых элементов и укрупнением типовых элементов замены (ТЭЗ) в современной РЭА, что приводит к невозможности накопления обслуживающим персоналом достаточного опыта по обнаружению неисправностей.

 Задача формирования диагностических тестов заключается в построении такой входной последовательности сигналов, чтобы по виду выходной последовательности можно было судить об исправности аппаратуры, а в случае ее неисправности определить вид и место повреждения. При решении поставленной задачи осуществляют моделирование.

Функциональные схемы, полученные в результате схемотехнического проектирования, служат входной информацией при техническом проектировании, включающем в себя конструкторское и технологическое проектирование.

Основная цель конструкторского проектирования состоит в переходе от функциональной схемы аппаратуры к конкретному набору связанных между собой конструктивных элементов, модулей и устройств, реализующих данную схему; в определении их размеров, формы, материала и взаимного расположения, а также выпуске необходимой технической документации для ее производства и эксплуатации. При этом связи.между отдельными конструктивными элементами могут носить механический, электрический, электромагнитный и тепловой характер.

Основной задачей, решаемой на данной стадии, является эквивалентное преобразование функциональной схемы разрабатываемого устройства в схему соединений конструктивных элементов (микросхем, модулей, полупроводниковых и гибридных БИС и т. п.). Оптимальность полученного решения оценивается по ряду критериев, среди которых наиболее распространенным является критерий минимума числа типов микросхем, модулей, БИС и неунифицированных изделий.

После этого конструктивные элементы компонуются в функционально законченные узлы, блоки, агрегаты по критерию минимума внешних связей между отдельными конструктивными единицами РЭА.

После решения задачи компоновки производят размещение элементов в пределах каждой отдельной конструктивной единицы. При этом наиболее существенным является создание благоприятных условий для последующей трассировки соединений.

Электрические соединения конструктивных элементов могут выполняться как объемным монтажом, так и с помощью коммутационных плат, где в зависимости от выбранной технологии производства печатные проводники разводятся в одном, двух или более слоях, что, в свою очередь, выдвигает индивидуальные требования к алгоритмам трассировки. Как правило, критериями оптимальности трассировки являются критерий минимума суммарной длины и числа пересечений проводников при стопроцентной разводке схемных соединений. Трассировка соединений печатных плат завершается получением перфоленты для фотонаборной установки, на которой изготовляют фотошаблоны.

Кроме перечисленных задач на стадии конструкторского проектирования выполняют работы, связанные с анализом получаемых конструктивных решений с точки зрения распределения электромагнитных и температурных полей, полей механических напряжений; расчетом паразитных связей между элементами конструкции и оценкой надежности разрабатываемого устройства.

Так как помимо конструкций электронных узлов и блоков в общий состав радиоэлектронной аппаратуры обычно входят механические и электромеханические узлы и блоки (механические передачи, точные механизмы, сельсины и т. п.), а также элементы несущих конструкций (платы, рамки, шасси и т. п.), то на данной стадии проектирования также осуществляют расчет механических характеристик и выбор основных параметров этих конструктивных единиц.

 

Конечным результатом всех проводимых на стадии конструкторского проектирования работ является выпуск конструкторской и эксплуатационной документации на электрические и механические части разрабатываемого изделия, которая должна быть оформлена в строгом соответствии с ЕСКД.

Цель технологического проектирования - разработка технологии и составление технологической документации, необходимой для организации производства изделий.

Таким образом, в результате рассмотрения основных этапов проектирования РЭА и возможностей их автоматизации можно сделать следующий вывод. На первых двух этапах проектирования (системном и схемотехническом) большая часть решаемых задач носит ярко выраженный творческий характер. При этом в работе участвует, как правило, небольшое число специалистов высокой квалификации. Влияние полученных решений на основные показатели разрабатываемой РЭА велико. ЭВМ на данных этапах применяют главным образом для анализа и контроля выполненной человеком работы. Следующий этап проектирования (технический), наоборот, характеризуется большей трудоемкостью и, следовательно, большим количеством разработчиков. Решаемые на данном этапе задачи являются в основном "рутинными" и по своей природе хорошо формализуются, что благоприятствует использованию машинных методов их решения. Поэтому естественно, что наиболее широкое развитие получили системы, предназначенные для решения задач конструкторского проектирования РЭА, так как именно в этой области эффективность внедрения САПР оказывается максимальной.

 

Решение каждой конкретной задачи проектирования конструкций РЭА с применением ЭВМ требует ее описания в виде программы на языке, воспринимаемом процессором машины и понятном конструктору-оператору.

Введем понятия языка программирования, а также машинно-ориентированного и процедурно-ориентированного языков, с помощью которых осуществляется обмен информацией между оператором и ЭВМ.

Под языком программирования понимают формальный язык связи человека с вычислительной машиной, служащий для представления исходной информации и результатов вычислений, а также программ обработки данных в удобном для пользователя и понятном вычислительной машине виде. Основу всех языков программирования составляют алгоритмические языки, разрабатываемые в соответствии с требованиями теории алгоритмов, которые рассмотрены в гл. 3. Все используемые в настоящее время языки программирования можно разделить на машинно-ориентированные, процедурно- и проблемно-ориентированные, а также языки общего назначения.

Характерной чертой машинно-ориентированных языков является учет структуры ЭВМ и особенностей выполнения ею отдельных операций. Благодаря этому машинно-ориентированные языки позволяют составлять компактные программы, которые по своей эффективности практически не отличаются от программ, написанных непосредственно в кодах машины, и в то же время достаточно широко используют привычные для человека обозначения, что упрощает процесс программирования.

Однако такие программы, ориентированные на конкретные вычислительные машины, мало пригодны для обмена информацией и создания фонда алгоритмов и программ.

 

 

Поэтому данный класс языков программирования применяют для создания математического обеспечения ЭВМ, включающего в себя управляющие программы, организующие распределение памяти, управление последовательностью выполнения операций, обмен информацией процессора с внешними устройствами и т. п., и обрабатывающие программы, объединяемые в библиотеки стандартных подпрограмм и реализующие собственно процедуры обработки информации (вычисление элементарных функций, решение систем алгебраических и дифференциальных уравнений и т. д.).

Процедурно - ориентированные языки представляют собой языки более высокого уровня формального описания решения задач, позволяющие записывать программы в привычной для пользователя форме в виде терминов без учета особенностей вычислительной машины. Перевод этих программ на язык конкретной ЭВМ осуществляется автоматически с помощью транслятора (специальной программы-переводчика). Использование таких языков позволило решить задачу совместимости программ для различных ЭВМ, упростить процесс их написания и отладки. Отличительной особенностью данного класса языков является их ориентация на конкретные классы задач, что привело к появлению большого числа языков различной ориентации.

По мере развития вычислительной техники и расширения сферы ее использования все больший удельный вес стали приобретать задачи, описания которых выходят за рамки какого-либо одного процедурно-ориентированного языка. Это привело к созданию языков общего назначения, удобных и эффективных для решения любого, имеющего практическое значение класса задач. В настоящее время наиболее полно этим требованиям удовлетворяют языки ПЛ-1, СИМУЛА-67 и АЛГОЛ-68.

Особую группу языков программирования образуют проблемно - ориентированные языки, предназначенные для описания специальных научно-технических проблем.

Типичными представителями этой группы являются языки STRESS, разработанный для решения задач конструирования, и ОСС-2 (язык описания структурных алгоритмов и схем), обеспечивающий описание задачи, начиная с самого высокого уровня абстракции (например, уровня архитектуры обобщенной модели семейства ЭВМ) и кончая уровнем принципиальных схем. Для их использования программа помимо исходных данных должна содержать указания, к какому классу следует отнести ту или иную задачу, решаемую на очередном этапе. Это, в свою очередь, требует либо создания универсального для описания рассматриваемых задач языка, интерпретирующего исходные данные, либо разработки алгоритма анализа исходных данных и определения принадлежности каждой частной задачи к тому или иному классу с последующим выбором соответствующей методики ее решения, которая может быть представлена как в машинно-ориентированном, так и в процедурно-ориентированном языке.

Обилие существующих в настоящее время языков программирования, а также различный уровень имеющегося для них математического обеспечения обусловливают важность задачи обоснованного выбора базового языка, так как от правильности ее решения во многом зависит эффективность использования разрабатываемой системы машинного проектирования.

К базовому языку САПР предъявляют следующие основные требования: простота описания входной первичной информации; малые затраты машинного времени на реализацию программы, записанной в символах языка; удобство стыковки отдельных программ; наличие в языке средств описания информации специального вида; возможность использования современного математического обеспечения, представляемого на.одном из процедурно-ориентированных языков; простота внесения изменений в текст программы, записанной в символах языка.