Общая характеристика задач автоматизации конструкторского проектирования РЭС

Этап конструкторского проектирования радиоэлектронных средств представляет комплекс задач, связанных с преобразованием функциональных или принципиальных электрических схем разработанных устройств в совокупность конструктивных компонентов, между которыми будут существовать необходимые пространственные или электрические связи. Конструкторский этап является завершающим в общем цикле разработки радиоустройств и заканчивается выдачей конструкторско-технологической документации для их изготовления и эксплуатации.

При конструировании радиоэлектронных средств ведущим принципом является модульный, заключающийся в выделении конструктивных модулей (компонентов) различной степени сложности, находящихся в отношении соподчиненности.

Таблица 14.1. Базовые элементы Компонентные уравнения

Таким образом, конструкцию радиоэлектронного устройства можно представить в виде иерархической структуры, состоящей из компонентов разной степени сложности, что схематически показано на рис. 14.1. Модуль или компонент первого уровня представляет собой конструктивно неделимое устройство, например микросхему, транзистор, дискретный резистор и т. д.

Модуль второго уровня объединяет на одной печатной плате несколько модулей первого уровня.

Модуль третьего уровня — блок — объединяет модули второго уровня и конструктивно может быть оформлен в виде панели (кассеты) с печатным или проводным монтажом.

Наконец, модуль четвертого уровня представляет собой отдельное устройство, объединяющее ряд панелей (кассет) в стойку, шкаф и т. п. Межпанельные соединения здесь обычно реализуются проводным монтажом. Естественно, что приведенный пример лишь иллюстрирует модульный принцип конструирования радиоустройств, который в зависимости от назначения и состава модулей первого уровня может претерпевать большие изменения. Так, при конструировании устройств на основе базовых матричных кристаллов модулем первого уровня могут служить элементы базового кристалла.

Метод модульного конструирования обладает рядом неоспоримых достоинств, одним из которых является упрощение алгоритмической реализации методов решения конструкторских задач на различных уровнях разработки радиоаппаратуры. Вместе с тем применение этого метода возможно лишь при решении проблемы конструктивной и схемной унификации модулей различного уровня, возможность которой определяется достигнутым уровнем технологии.

При выполнении этого условия можно выделить ряд стандартных задач конструкторского этапа проектирования, которые приходится решать на различных уровнях. Очевидно, что на содержание этих этапов накладывает специфические особенности вид проектируемой аппаратуры. Так, если говорить о микроэлектронных устройствах, составляющих 70% всех радиоустройств, то к этим задачам следует отнести задачи:

компоновки модулей;

размещения модулей низшего уровня в модуле высшего;

трассировки межсоединений;

получения конструкторско-технологической документации.

Эти задачи обладают рядом особенностей по сравнению с задачами других этапов проектирования радиоустройств, например схемотехнического, поэтому разберем их подробнее.

Задача компоновки заключается в распределении модулей низшего уровня по конструктивным модулям высшего уровня.

При этом считается, что каждый модуль является конструктивно неделимым компонентом по отношению к модулю более высокого уровня и, как правило, функционально и конструктивно унифицированным. Среди задач компоновки можно выделить два характерных класса.

Рис. 14.1. Иерархия конструктивных модулей

К первому из них относятся задачи, в которых осуществляется разбиение схемы устройств на конструктивные модули с учетом таких ограничений, как количество компонентов в модуле, число внешних выводов на модуле, суммарная площадь, занимаемая компонентами. Главными критериями оптимальности компоновки в этом случае являются: минимум числа образующихся в результате компоновки модулей высшего уровня, минимум числа соединений между модулями и другие. К отмеченным выше критериям и ограничениям могут быть добавлены и другие, например условия электромагнитной совместимости в модуле, нормального теплообмена, минимизации задержек в распространении сигналов. Эти условия должны быть выяснены до начала компоновки либо они проверяются по окончании компоновки.

Такие задачи возникают при разбиении схемы устройства на узлы большой степени сложности, к которым не предъявлены строгие требования в отношении схемной и функциональной унификации.

Примером таких задач являются задачи разбиения схемы на большие интегральные схемы частного применения, распределения микросхем по печатным платам и отдельных печатных плат по панелям. Подводя итог вышесказанному, отметим, что к первому классу задач компоновки относятся такие, в которых критерий модулей может включать несколько логических элементов или их функциональных групп, в общем случае соединенных между собой. Иногда эти задачи выделяют в отдельный класс и называют задачами покрытия функциональной схемы заданным набором конструктивных модулей. Эти задачи более трудны в формализации, их решение до настоящего времени считается весьма сложным.

Задачи размещения и трассировки являются тесно связанными, так как в процессе размещения определяются условия для трассировки межсоединений. Совместное решение этих задач представляет значительные трудности, и при алгоритмическом подходе к их решению эти задачи рассматриваются, как правило, раздельно. Сначала осуществляется размещение модулей низшего уровня в модуле высшего, например, микросхем на печатной плате, а затем осуществляется трассировка межсоединений. Если трассировка оказывается неудовлетворительной, то процесс размещения повторяется с учетом недостатков предыдущего варианта размещения. В большинстве случаев для решения задач конструкторского проектирования радиоустройство представляется множеством конструктивных модулей, функциональное назначение которых не конкретизируется и группы контактов которых связаны эквипотенциальными электрическими соединениями. Такое представление устройства называют коммутационной схемой.

В общем виде задачу размещения модулей низшего уровня в модуле высшего можно описать следующим образом: задана коммутационная схема устройства, требуется разместить модули в некотором коммутационном пространстве таким образом, чтобы обеспечить оптимальное значение некоторого функционала.

Коммутационным пространством конструктивного модуля какого-либо уровня называют область, ограниченную габаритами этого модуля. В этой области располагаются модули предыдущего уровня и осуществляются электрические соединения контактов модулей низшего уровня. Различают регулярные и нерегулярные коммутационные пространства. Регулярные пространства характеризуются конечным числом позиций для размещения модулей низшего уровня и числом слоев, в которых располагаются трассы соединительных проводников. В нерегулярных пространствах нельзя заранее указать координаты позиций и число слоев проводников, так как размещаемые модули имеют различные размеры и форму.

Вариантами регулярного коммутационного пространства могут быть панель с межсоединениями или печатная плата. Типичными нерегулярными пространствами являются подложка микросборки или кристалл интегральной схемы. Критерием оптимальности размещения в большинстве случаев является критерий минимума суммарной длины соединений, который интегральным образом учитывает многочисленные требования к расположению модулей и трасс их межсоединений, так как уменьшение длин соединений улучшает электрические характеристики устройства, упрощает трассировку межсоединений и трудоемкость изготовления платы, кроме того, данный критерий прост с точки зрения формализации.

Для измерения длин межсоединений с коммутационным пространством связывают некоторую систему координат (для плоского коммутационного пространства XOY). Расстояние между соединяемыми контактами модулей с координатами xi, xj и yi, yi соответственно можно определить одним из следующих способов:

(14.3)

Первый способ соответствует прокладке проводных соединений по кратчайшему расстоянию между соединяемыми контактами модулей — евклидова метрика (рис. 14.2а). Второй способ предполагает проведение трасс межсоединений по направлениям, параллельным координатным осям (сторонам платы), — ортогональная метрика (рис. 14.2б). Третий способ применяется, когда одновременно необходимо минимизировать суммарную длину межсоединений и их максимальную длину. Действительно, при использовании этой формулы длинные соединения будут давать максимальный вклад в суммарную длину, и критерий минимума суммарной длины межсоединений косвенным образом будет минимизировать и максимальные из них. Результатом решения задач размещения является определение точного расположения на коммутационном пространстве центров модулей и координат их контактов, что совместно с принципиальной электрической схемой является основой для решения задачи трассировки.

Задачи трассировки можно разделить на две группы: трассировка проводного монтажа и трассировка печатных соединений. Трассировка проводных соединений относительно более проста, так как отдельные соединения электрически изолированы друг от друга.

Рис. 14.2. Виды монтажных соединений

Поэтому в большинстве случаев она может быть сведена к задаче минимизации длины отдельных электрических цепей, если не возникает задача совместной оптимизации соединений монтажных схем, например для обеспечения электромагнитной совместимости.

Задача трассировки печатного монтажа представляется гораздо более сложной и решается в несколько этапов, которые включают определение требуемого числа слоев печати (расслоение монтажа), определение порядка трассировки каждого слоя печати, при котором обеспечивается отсутствие пересечений и минимальная длина проводников, и собственно трассировку соединений. Точная математическая формулировка этих задач зависит от применяемой технологии изготовления печатного модуля, используемых методов трассировки проводников.

Постановка и решение перечисленных конструкторских задач на ЭВМ невозможны без определения математических моделей коммутационного пространства и принципиальной электрической схемы проектируемого устройства. Модели схем и коммутационного пространства, применяемые для решения задач автоматизации конструкторского проектирования, можно условно разделить на несколько видов: модели, использующие аппарат теории симметрических графов; модели, использующие аппарат теории гиперграфов и ультраграфов; модели, использующие аппарат теории множеств; эвристические модели. Наибольшее распространение получили модели первого и четвертого видов, поэтому рассмотрим их подробнее.