14.2. Загальна характеристика задач автоматизації конструкторського проектування РЕЗ
Етап конструкторського проектування радіоелектронних засобів представляє комплекс завдань, пов'язаних з перетворенням функціональних або принципових електричних схем розроблених пристроїв в сукупність конструктивних компонентів, між якими будуть існувати необхідні просторові або електричні зв'язку. Конструкторський етап є завершальним в загальному циклі розробки радіопристроїв і закінчується видачею конструкторсько-технологічної документації для їх виготовлення і експлуатації.
При конструюванні радіоелектронних засобів провідним принципом є модульний. що полягає у виділенні конструктивних модулів (компонентів) різного ступеня складності, що у відношенні співпідпорядкованості.
У операторної формі
У тимчасовій формі
У частотної формі
Таким чином, конструкцію радіоелектронного пристрою можна представити у вигляді ієрархічної структури, що складається з компонентів різного ступеня складності, що схематично показано на рис. 14.1. Модуль або компонент першого рівня являє собою конструктивно неподільне пристрій, наприклад мікросхему, транзистор. дискретний резистор і т. д.
Модуль другого рівня об'єднує на одній друкованій платі кілька модулів першого рівня.
Модуль третього рівня - блок - об'єднує модулі другого рівня і конструктивно може бути оформлений у вигляді панелі (касети) з друкованим або проводовим монтажем.
Нарешті, модуль четвертого рівня є окремий пристрій, що об'єднує ряд панелей (касет) в стійку, шафа і т. П. Міжпанельні з'єднання тут зазвичай реалізуються проводовим монтажем. Природно, що наведений приклад лише ілюструє модульний принцип конструювання радіопристроїв, який в залежності від призначення і складу модулів першого рівня може зазнавати великі зміни. Так, при конструюванні пристроїв на основі базових матричних кристалів модулем першого рівня можуть служити елементи базового кристала.
Метод модульного конструювання має низку незаперечних переваг, одним з яких є спрощення алгоритмічної реалізації методів вирішення конструкторських задач на різних рівнях розробки радіоапаратури. Разом з тим застосування цього методу можливо лише при вирішенні проблеми конструктивної і схемної уніфікації модулів різного рівня, можливість якої визначається досягнутим рівнем технології.
- компонування модулів;
- розміщення модулів нижчого рівня в модулі вищого;
- трасування межсоединений;
- отримання конструкторсько-технологічної документації.
Ці завдання мають ряд особливостей в порівнянні з завданнями інших етапів проектування радіопристроїв, наприклад схемотехнического, тому розберемо їх докладніше.
Завдання компонування полягає в розподілі модулів нижчого рівня за конструктивними модулями вищого рівня.
При цьому вважається, що кожен модуль є конструктивно неподільним компонентом по відношенню до модулю вищого рівня і, як правило, функціонально і конструктивно уніфікованим. Серед завдань компонування можна виділити два характерних класу.
Мал. 14.1. Ієрархія конструктивних модулів
До першого з них відносяться завдання, в яких здійснюється розбиття схеми пристроїв на конструктивні модулі з урахуванням таких обмежень, як кількість компонентів в модулі, число зовнішніх висновків на модулі, сумарна площа. займана компонентами. Головними критеріями оптимальності компонування в цьому випадку є: мінімум числа утворюються в результаті компонування модулів вищого рівня, мінімум числа сполук між модулями та інші. До зазначених вище критеріїв і обмеженням можуть бути додані і інші, наприклад умови електромагнітної сумісності в модулі, нормального теплообміну, мінімізації затримок в поширенні сигналів. Ці умови повинні бути з'ясовані до початку компонування або вони перевіряються по закінченні компонування.
Такі завдання виникають при розбитті схеми пристрою на вузли великій мірі складності, до яких не пред'явлено суворі вимоги щодо схемної і функціональної уніфікації.
Прикладом таких завдань є завдання розбиття схеми на великі інтегральні схеми приватного застосування, розподілу мікросхем по друкованим платам і окремих друкованих плат по панелям. Підсумовуючи вищевикладене, зазначимо, що до першого класу задач компоновки відносяться такі, в яких критерій модулів може включати кілька логічних елементів або їх функціональних груп, в загальному випадку з'єднаних між собою. Іноді ці завдання виділяють в окремий клас і називають завданнями покриття функціональної схеми заданим набором конструктивних модулів. Ці завдання більш важкі в формалізації, їх рішення до теперішнього часу вважається досить складним.
Завдання розміщення і трасування є тісно пов'язаними, так як в процесі розміщення визначаються умови для трасування межсоединений. Спільне рішення цих задач представляє значні труднощі, і при алгоритмічній підході до їх вирішення ці завдання розглядаються, як правило, окремо. Спочатку здійснюється розміщення модулів нижчого рівня в модулі вищого, наприклад, мікросхем на друкованій платі, а потім здійснюється трасування межсоединений. Якщо трасування виявляється незадовільною, то процес розміщення повторюється з урахуванням недоліків попереднього варіанту розміщення. У більшості випадків для вирішення завдань конструкторського проектування радіопристрій це множина конструктивних модулів, функціональне призначення яких не конкретизується і групи контактів яких пов'язані еквіпотенціальними електричними з'єднаннями. Таке уявлення пристрої називають комутаційної схемою.
У загальному вигляді завдання розміщення модулів нижчого рівня в модулі вищого можна описати таким чином: задана комутаційна схема пристрою, потрібно розмістити модулі в деякому комутаційному просторі таким чином, щоб забезпечити оптимальне значення деякого функціоналу.
Комутаційним простором конструктивного модуля будь-якого рівня називають область, обмежену габаритами цього модуля. У цій області розташовуються модулі попереднього рівня і здійснюються електричні з'єднання контактів модулів нижчого рівня. Розрізняють регулярні і нерегулярні комутаційні простору. Регулярні простору характеризуються кінцевим числом позицій для розміщення модулів нижчого рівня і числом шарів, в яких розташовуються траси сполучних провідників. У нерегулярних просторах можна заздалегідь вказати координати позицій і число шарів провідників, так як розміщуються модулі мають різні розміри і форму.
Варіантами регулярного комутаційного простору можуть бути панель з міжз'єднаннями або друкована плата. Типовими нерегулярними просторами є підкладка мікросхеми або кристал інтегральної схеми. Критерієм оптимальності розміщення в більшості випадків є критерій мінімуму сумарної довжини з'єднань, який інтегральним чином враховує численні вимоги до розташування модулів і трас їх межсоединений, так як зменшення довжин сполук покращує електричні характеристики пристрою, спрощує трасування межсоединений і трудомісткість виготовлення плати, крім того, цей критерій простий з точки зору формалізації.
Для вимірювання довжин межсоединений з комутаційним простором пов'язують деяку систему координат (для плоского комутаційного простору XOY). Відстань між сполучаються контактами модулів з координатами xi. xj і yi. yi відповідно можна визначити одним з наступних способів:
Перший спосіб відповідає прокладці дротових з'єднань по найкоротшій відстані між сполучаються контактами модулів - евклидова метрика (рис. 14.2 а). Другий спосіб передбачає проведення трас межсоединений за напрямками, паралельним координатним осях (сторонам плати), - ортогональна метрика (рис. 14.2 б). Третій спосіб застосовується, коли одночасно необхідно мінімізувати сумарну довжину межсоединений і їх максимальну довжину. Дійсно, при використанні цієї формули довгі з'єднання будуть давати максимальний внесок у сумарну довжину, і критерій мінімуму сумарної довжини межсоединений непрямим чином буде мінімізувати і максимальні з них. Результатом вирішення завдань розміщення є визначення точного розташування на комутаційному просторі центрів модулів і координат їх контактів, що спільно з принциповою електричною схемою є основою для вирішення завдання трасування.
Завдання трасування можна розділити на дві групи: трасування проводового монтажу і трасування друкованих з'єднань. Трасування дротових з'єднань щодо більш проста, так як окремі сполуки електрично ізольовані один від одного.
Мал. 14.2. Види монтажних з'єднань
Тому в більшості випадків вона може бути зведена до задачі мінімізації довжини окремих електричних ланцюгів, а то й виникає завдання спільної оптимізації з'єднань монтажних схем, наприклад для забезпечення електромагнітної сумісності.
Завдання трасування друкованого монтажу представляється набагато більш складною і вирішується в кілька етапів, які включають визначення необхідного числа шарів друку (розшарування монтажу), визначення порядку трасування кожного шару друку, при якому забезпечується відсутність перетинів та мінімальна довжина провідників, і власне трасування з'єднань. Точна математична формулювання цих завдань залежить від застосовуваної технології виготовлення друкованого модуля, використовуваних методів трасування провідників.
Постановка і рішення перерахованих конструкторських завдань на ЕОМ неможливі без визначення математичних моделей комутаційного простору і принципової електричної схеми проектованого пристрою. Моделі схем і комутаційного простору. застосовуються для вирішення завдань автоматизації конструкторського проектування, можна умовно розділити на кілька видів: моделі, що використовують апарат теорії симетричних графів; моделі, що використовують апарат теорії гіперграфів і ультраграфов; моделі, що використовують апарат теорії множин; евристичні моделі. Найбільшого поширення набули моделі першого і четвертого видів, тому розглянемо їх докладніше.