Общие сведения о САПР

Раздел II.  САПР радиоэлектронных средств

Введение в САПР радиоэлектронных средств

Общие сведения о САПР. 

Радиоэлектронное средство (РЭС) представляет собой техническое изделие, функционирующее на базе принципов радиотехники и электроники. Термин РЭС, в соответствии с ГОСТ 26632-85, охватывает все виды и уровни радиоэлектронной аппаратуры.

 Цель проектирования РЭС формулируется, как получение полного комплекта документации, необходимой для его изготовления, контроля и эксплуатации. Современное радиоэлектронное средство отличаются высокой сложностью, которая характеризуется числом связей составляющих его частей. Если это число превышает некоторый допустимый порог, человек становится не в состоянии представить в своем сознании будущий проект и проследить работу изделия.  Увеличение сложности систем потребовало найти подход, обеспечивающий получение работоспособных проектов за приемлемое время, с использованием ограниченного числа разработчиков и укладывающихся в отведенные денежные средства. Таким подходом и стала автоматизация проектно-конструкторских работ.

Современное производство для изготовления и контроля радиоаппаратуры, как правило, использует технологические автоматы с числовым программным управлением. Поэтому в число результатов проектирования включается также комплект управляющих программ для таких автоматов и программ самотестирования аппаратуры. Разработка таких программ при ручном проектировании аппаратуры сталкивается с рядом следующих проблем:

- наличие большого числа разработчиков;

- время разработки и ее сложность существенно увеличиваются;

- качество проектирования падает.

В результате наблюдается непропорциональное увеличение ресурсов, причем изделие морально устаревает уже на этапе проектирования. Из названных выше проблем наиболее существенной является падение качества проектирования. Основная причина здесь заключается в высокой сложности задачи разработки, приводящей из-за «человеческого фактора» к ошибкам проектирования. Дело в том, что человек не может не ошибаться при большой сложности разработки. Например, при вводе в ЭВМ пятисот символов человек обязательно сделает не менее одной ошибки. Таким образом, целью САПР является формализация этого процесса.

На первых шагах автоматизации автоматизировались наиболее трудоемкие этапы разработки, причем именно здесь выяснилось, что процессы ручной подготовки и переподготовки информации порождают большое число ошибок. В этой связи современные САПР ориентируются на автоматическую передачу данных с одного этапа на другой – вплоть по формирования и выпуска технической документации.

Современный подход к разработке конструкции РЭС состоит в комплексном учете требований к составным частям и системе в целом. В основе указанного подхода лежит всесторонний учет связей радиосистемы с ее схемой, конструкцией, технологией, производством и эксплуатацией, причем каждый этап разработки конструкции РЭС выполняется с применением соответствующей системы автоматизированного проектирования (САПР), систем инженерного анализа и производства.

По определению, САПР – это организационно-техническая система, состоящая из совокупности средств автоматизации проектирования и специалистов подразделений организации, выполняющей автоматизированное проектирование объекта для заказчика.

В отличие от системы автоматического проектирования, САПР представляет собой систему, часть операций проектирования в которой закреплена за человеком, причем содержание таких операций носит творческий характер и сопряжена с большой ответственностью за их выполнение.

Поскольку проектирование является одним из сложных интеллектуальных процессов, то обычно он выполняется не одним разработчиком, а их творческим коллективом. «Опыт свидетельствует, что изучение процессов проектирования и их формализация давались специалистам с большим трудом, поэтому автоматизация проектирования всюду осуществлялась поэтапно, охватывая последовательно все новые проектные операции. Соответственно, поэтапно создавались новые и совершенствовались старые системы. Чем на большее число частей разбита система, тем труднее правильно сформулировать исходные данные для каждой части, но тем легче провести оптимизацию» [И1].

Этапы и операции, на которые делится процесс проектирования, можно описать с помощью математических методов и алгоритмов, определить инструментальные средства для их автоматизации. Затем необходимо рассмотреть выделенные проектные операции и средства автоматизации в комплексе, причем разные проектные операции могут повторяться многократно, поэтому инструментальные средства автоматизации таких повторяющихся операций могут быть одни и те же. Перечислим основные особенности, присущие современным САПР.

Первой особенностью систем автоматизированного проектирования является возможность комплексного решения общей задачи проектирования с последующим установлением связей между отдельными задачами, т. е. возможность интенсивного обмена информацией и взаимодействие не только отдельных процедур, но и всех этапов проектирования.

Например, применительно к техническому (конструкторскому) этапу проектирования САПР РЭС позволяет решать задачи компоновки, размещения и трассировки в тесной взаимосвязи, которая должна быть заложена в технических и программных средствах системы. Применительно к системам более высокого уровня можно говорить об установлении тесной информационной связи между схемотехническим и техническим этапами проектирования. Такие системы позволяют создавать радиоэлектронные средства, более эффективные с точки зрения комплекса функциональных и конструкторско-технологических требований.

Второй особенностью САПР РЭС является интерактивный режим проектирования, при котором осуществляется непрерывный процесс взаимодействия человека и компьютера. Это обусловлено тем, что одних автоматических средств для создания РЭС не достаточно, то есть,  невозможно создать сложную аппаратуру без творческого участия человека. Другими словами, САПР должны не заменять конструктора, а выступать в качестве мощного инструмента его творческой деятельности.

Третья особенность САПР электронных средств заключается в возможности проведения с ее помощью имитационного моделирования радиоэлектронных систем в реальном масштабе времени. Имитационное моделирование дает возможность предвидеть реакцию проектируемого объекта на различные возмущения, позволяет провести испытания различных вариантов решения и выбрать лучший, причем сделать это в кратчайшие сроки с учетом всевозможных факторов и возмущений.

Четвертая особенность САПР связана с существенным количественном и объемном усложнением информационного и программного обеспечения проектных работ, с необходимостью создания языков общения разработчика с компьютером, с наличием развитых банков данных, программ информационного обмена между частями системы и программ проектирования.

Классификация САПР радиоэлектронных средств. Структура и состав современных САПР определяются как отечественными так и международными стандартами. Классификация САПРпо признакам, рекомендованным ГОСТ 23501.108-85, представлена на рисунке 1 «деревом классификации». Здесь по каждому признаку установлены классификационные группировки САПР, коды которых (цифры от 1 до 8) отделяют друг от друга точкой.

При формировании формализованного описания САПР допускается добавлять классификационные группировки по дополнительным признакам, характеризующим систему, например, по наличию и типу автоматизированного банка данных, операционной системы, наличию средств тестирования, методу проектирования и т. п. Для решения отдельных задач допускается использовать часть классификационных группировок. Например, для обозначения САПР используют первые две классификационные группировки, для планирования и оценки уровня автоматизации проектирования – четвертую классификационную группировку и т. п.

Рис. 1. Состав классификационных группировок САПР

Классификационные группировки, кроме второй, имеют один разряд кодового обозначения. Для второй классификационной группировки по признаку «разновидности объекта проектирования» количество разрядов определяют в соответствии с принятой классификацией объектов, проектируемых системой, и уточняют на отраслевом уровне. Коды классификационных группировок определяют принадлежность создаваемой системы к определенному классу САПР. Остальные коды определяют по отраслевым нормативно-техническим документам.

Рассмотрим в качестве примера код классификационной группы «по уровню автоматизации проектирования». По этому коду выделяют: одно-, двух- и трехуровневые САПР технического проектирования. Основой технического обеспечения одноуровневой системы является универсальный компьютер со штатным набором периферийных устройств. Техническое обеспечение двухуровневой САПР включает в себя центральный компьютер средней или большой мощности и взаимосвязанные с ним одно или несколько автомати­зированных рабочих мест (АРМ), имеющих собственные компьюте­ры. Трехуровневая САПР создана на основе центрального ком­пьютера большой мощности, нескольких АРМ и периферийного программно-управляемого оборудования. Последнее предназначено для централизованного обслуживания АРМ, в том числе, объединенных в вычислительную (локальную) сеть.

Поскольку многие разновидности САПР имеют иностранное происхождение, на практике чаще приходится сталкиваться с нюансами англоязычных терминов, применяемых для классификации программных приложений и средств автоматизации САПР по отраслевому и целевому назначению.

Чаще всего русскоязычному понятию САПР в английском языке соответствует аббревиатура CAD (Сomputer-Aided Design), подразумевающая использование компьютерных технологий в проектировании. В ГОСТ 15971-90 это словосочетание приводится как стандартизированный англоязычный эквивалент термина «автоматизированное проектирование».

В ряде зарубежных источников устанавливается определенная соподчиненность понятий CAD/CAE/CAM. Термин CAE (Computer-Aided Engineering) определяется как наиболее общее понятие, включающее любое использование компьютерных технологий в инженерной деятельности, включая CAD и CAM. Для обозначений всего спектра различных технологий автоматизации с помощью компьютера, в том числе средств САПР, используется термин CAx (Computer-Aided Technologies).

В англоязычной терминологии САПР можно классифицировать по отраслевому (MCAD, EDA и др.) и целевому (CAD/CAE/CAM) назначению. Кроме того, если САПР способна обеспечивать электронную поддержку жизненного цикла изделия вплоть до утилизации, то она классифицируется по признаку CALS -технологии.

MCAD-системы (Mechanical Computer-Aided Design) – это машиностроительные САПР, которые ведут разработку деталей и сборок (механизмов) с использованием параметрического проектирования на основе конструктивных элементов, технологий поверхностного и объемного моделирования (SolidWorks, Autodesk Inventor, КОМПАС, CATIA);

EDA-системы (Electronic Design Automation) – это САПР электронных и радиоэлектронных средств, интегральных схем, печатных плат и т. п., (Altium Designer, OrCAD, PCAD);

CAD-системы – системы компьютерной поддержки проектирования, предназначенная для решения конструкторских задач и оформления конструкторской документации (другое их название – системы автоматизированного проектирования САПР). Наиболее распространены в нашей стране следующие CAD-системы: РФ являютсян,т универсальных до узкоспециализированных, типа CAM-350, широко распространенной на отечественных предприятия PCAD, OrCAD, Altium Designer.

CAE-системы – выполняют самую разнообразную работу по расчету напряжений, деформаций, процессов теплообмена, распределения магнитного поля, параметров потока жидкостей и других сплошных сред, оптимизации конструкции и многие другие задачи линейной и нелинейной статики и динамики. Большинство систем инженерного анализа (CAE) используют метод конечных элементов. Для проведения какого-либо вида анализа, обычно, в CAD системе, на основе точной геометрической модели создается расчетная (упрощенная) модель, которая передается в пакет анализа при помощи стандартных интерфейсов. Ведущими CAE-системам в настоящее время являются ABAQUS, ANSYS, COSMOS/M, LS-DYNA, MSC.ADAMS, MSC.NASTRAN. В нашей стране наибольшее распространение получили CAE-системы: AnSYS, T–Flex, Autodesk Simulation, Comsol. Последняя, в частности, позволяет решать задачи инженерного анализа микро- и нано- электромеханических систем.

CAM-системы (Computer-Aided Manufacturing) — компьютерная поддержка изготовления, предназначенная для проектирования обработки изделий на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) и выдачи программ для этих станков (другое их название – системы технологической подготовки производства). Числовое программное управление заключается в использовании запрограммированных команд для управления станком, который может шлифовать, резать, фрезеровать, штамповать, изгибать заготовки, превращая их в готовые детали. К системам CAM относят также программные пакеты, управляющие движением роботов при сборке компонентов и перемещении их между операциями, а также пакеты, позволяющие программировать координатно-измерительную машину, используемую для проверки изделий. Спектр CAM-систем достаточно велик от универсальных, таких как ESPRIT [ http://www.irlen.ru/catalog/cam-sistemy/cam-sistemy1/esprit/ ] до узкоспециализированных, типа CAM-350, широко распространенной, в силу ряда причин, на отечественных предприятиях [ http://www.tech-e.ru/2010_2_53.php ].

CALS - технология (Continuous Acquisition and Life cycle Support) ‒ это технология непрерывной информационной поддержки поставок и жизненного цикла) изделий. Она поддерживается PLM –системами (Product Lifecycle Management), реализующими современный подход к проектированию и производству высокотехнологичных и наукоемких изделий, который использует современные информационные технологии на всех стадиях жизненного цикла изделия, обеспечивая единообразные способы управления процессами и взаимодействия всех участников этого цикла. CALS –технология реализуется в соответствии с требованиями системы международных стандартов, регламентирующих правила взаимодействия PLM –подсистем преимущественно посредством электронного обмена данными.

Указанная связь САПР и PLM вызвана тем, что основные разработчики САПР предлагают комплексные системы PLM, в состав которых входят как модули CAD/CAM/CAE, так и PDM (Product Data Management).

Реализация CALS–технологий в практическом плане предполагает организацию единого информационного пространства, объединяющего автоматизированные системы, предназначенные как для эффективного решения задач инженерной деятельности, так и для планирования и управления производством и ресурсами предприятия.

Принципы создания САПР. При разработке САПР руководствуются принципами: включения, системного единства, комплексности, информационного единства, развития, совместимости и инвариантности.

Принцип включения состоит в том, что требования к созданию, функционированию и развитию САПР определяются со стороны более сложной системы, включающей ее в качестве подсистемы. Примером такой сложной системы может являться, например, САПР отрасли.

Принцип системного единства предусматривает обеспечение целостности САПР за счет связи между ее подсистемами и функционирования подсистемы управления САПР.

Принцип комплексности требует связности проектирования отдельных элементов и всего объекта в целом на всех стадиях проектирования.

Принцип информационного единства предопределяет информационную согласованность отдельных подсистем и компонентов САПР путем использования единых: терминологических понятий, проблемно-ориентированных языков программирования, способов представления информации и пр.. За счет информационного единства результаты решения одной задачи в САПР непосредственно могут быть использованы в качестве исходной информации для других задач проектирования.

Принцип совместимости состоит в согласованности, информационных и технических характеристик подсистем и компонентов САПР и подразумевает открытость ее структуры.  Введение каких-либо новых технических или программных средств в САПР не должно приводить к каким-либо изменениям уже эксплуатируемых средств.

Принцип инвариантности предусматривает, что подсистемы и компоненты САПР должны быть по возможности универсальными или типовыми, т. е. инвариантными к проектируемым объектам и отраслевой специфике. Применительно ко всем компонентам САПР это, конечно, невозможно. Однако многие компоненты, например программы оптимизации, обработки массивов данных и другие, могут быть сделаны одинаковыми для разных технических объектов.

Принцип развития требует, чтобы в САПР предусматривалось наращивание и совершенствование компонентов и связей между ними. При модернизации подсистемы САПР допускается частичная замена компонентов, входящих в подсистему, с изданием соответствующей документации.

Приведенные принципы носят общесистемный характер, причем контроль над соблюдением перечисленных принципов осуществляет специализированная служба на предприятии.