Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Но что происходит, когда опытный прототип не проходит испытания с первого раза, что является наиболее вероятным исходом при использовании традиционной модели? В этом случае инженеры делают правки на предыдущих стадиях разработки, после чего вновь заказывается изготовление опытной партии устройств. Оба этих процесса являются времязатратными, ведь зачастую ЭУ имеют высокую степень сложности, и требуют их комплексной разработки специалистами разного профиля, а во время изготовления опытных прототипов делопроизводство по данному проекту фактически простаивает. Так, для электронного устройства, состоящего из порядка ста дискретных компонентов, срок внесения правок в предыдущие этапы проекта может занимать 1-2 недели, а фаза изготовления опытного образца, что выполняется зачастую в сторонней организации, может составлять до 6 недель.

Подобные задержки являются критичными на современном производстве: ввиду динамически изменяющейся ситуации на рынке, компания, выпустившая продукт с нарушением ожидаемых сроков, может не получить ожидаемой прибыли. И не факт, что даже после второй итерации разработки устройство будет готово к серийному выпуску. Поэтому требуется сформулировать методику, которая предоставила бы возможность расчёта характеристик будущего продукта и проведения его испытаний непосредственно в процессе разработки, что позволило бы внести правки в проект заранее, до момента производства опытного прототипа, или вовсе полностью отказаться от данного этапа жизненного цикла. И таким способом является компьютерное моделирование с использованием САПР.

Развитие технологий привело к тому, что современные системы проектирования позволяют автоматизированно выполнить полный цикл разработки электронных устройств внутри виртуальных сред компьютерного моделирования. САПР способны не только оказывать содействие при конструировании отдельных составных элементов устройства, для чего они и применяются на любом современном производстве, но и производить различные математические, физические, инженерные расчёты, в том числе над всем устройством в сборе. В виртуальной компьютерной среде моделирования имитируется сборка устройства, проводятся расчёты и испытания так, как это происходило бы при взаимодействии с реальным опытным образцом. Это позволяет как сократить время, затрачиваемое на разработку, за счёт отсутствия необходимости производства тестовых партий, так и получить на выходе комплексную модель устройства, протестированного и готового к серийному выпуску. Диаграмма, описывающая модель жизненного цикла ЭУ с применением компьютерного моделирования в САПР, представлена на рис. 4.

Рис. 4. Модель жизненного цикла с применением компьютерного моделирования

Представленная модель жизненного цикла позволяет избавиться от производственных задержек, вызванных необходимостью реализации и испытания физического прототипа устройства, однако добавляет сложности, связанные с выбором и внедрением гораздо большего количества разнородных САПР. Поэтому для обоснованного выбора и связи систем проектирования между собой необходимо разработать определённую методологию проектирования. Об имеющихся на вооружении современных конструкторских бюро САПР и их взаимодействии в рамках выделенной методологии проектирования пойдёт речь далее.

3. Состав применяемых средств разработки

При проектировании и моделировании электронных устройств при помощи ЭВМ, применяют специальные программные и программно-аппаратные комплексы, называемые системами автоматизированного проектирования, САПР (англ. CAD, computer-aided design) [16]. Результатом работы САПР являются результаты расчётов в электронном виде, компьютерные модели и конструкторская документация. В рамках разработки электронных устройств, можно отметить что САПР обеспечивают автоматизацию проектных работ и компьютерное содействие при выполнении одного или сразу нескольких этапов НИОКР. По области применения выделяют системы, применяемые непосредственно для разработки узлов и компонентов электронных устройств, для моделирования поведения систем и материалов, и для информационной поддержки на протяжении всего жизненного цикла изделия или каких-либо его этапах.

3.1 Автоматизированные системы разработки электронных устройств

В зарубежной терминологии прочно укрепилось понятие «electronic design automation» (EDA), объединяющее в себе все виды САПР, отвечающих за разработку электронных устройств. К ним относятся схемотехнические САПР, позволяющие создавать и рассчитывать параметры электрических принципиальных схем, и топологические САПР, предназначенные для создания топологических моделей печатных плат (моделей монтажного пространства). Зачастую обе этих функции совмещены в виде модулей различного функционального назначения одного и того же программного пакета, однако практика показывает, что не всегда в подобных системах обе заявленные функции имплементированы в полной мере.

Первой широко известной системой, предназначенной для схемотехнического моделирования, стал ранее упомянутый SPICE. Он же является основой подавляющего большинства современных схемотехнических САПР. Дело в том, что исходный код этой программы является общедоступным, и каждый независимый разработчик ПО способен внести в него изменения, улучшения и дополнения, и на основании этого выпустить своё программное обеспечение. При определении оптимальной схемотехнической САПР следует исходить из поставленной задачи, рассматривая те программные комплексы, в которых производитель внёс требуемые изменения относительно немодифицированной версии SPICE, будь то: модификации пользовательского интерфейса, поддержка файловых форматов и баз данных, поддержка определённого рода компьютерных моделей.

В своём исходном варианте SPICE, и, соответственно, прочие САПР на его основе, поддерживают лишь аналоговую схемотехнику с небольшим расширением до простейших логических элементов, поэтому все электронные схемотехнические модели (т.н. SPICE-модели), включённые в стандартную библиотеку элементов, на внутреннем уровне представлены в виде схем замещения, то есть внутренней совокупности простейших схемотехнических элементов, образующих собой эквивалентные схемы более сложных устройств. Это накладывает ограничения на сложность доступных для компьютерного моделирования составных элементов электронных устройств, что могло бы поставить под вопрос принципиальную возможность полноценного проведения такого вида моделирования для современных ЭУ, которые в подавляющем большинстве случаев содержат в себе программируемые элементы (микроконтроллеры или ПЛИС) и схемы цифровой обработки сигналов в дополнение к аналоговой схемотехнике.

К счастью, некоторым производителям программного обеспечения для автоматизации проектных работ удалось реализовать функционал для расчёта и моделирования схем, построенных на цифровой логике, в своих программных продуктах. Такие САПР, к примеру, как Altium Designer, Multisim, и Proteus способны производить схемотехническое моделирование цепей со смешанными типами сигналов, а последняя, к тому же, позволяет в реальном времени моделировать работу микроконтроллеров на основании микропрограммы, указываемой пользователем в бинарном формате. Для получения наиболее достоверных результатов, однако, рекомендуется декомпозиция схемы и поблочное проведение схемотехнического моделирования сложных схем и схем со смешанными типами сигналов, при котором отдельные участки цепи моделируются в наиболее предназначенных для этого САПР.

Схемотехнические САПР проводят анализ электрических схем, определяют в них узлы и ветви, и согласно методам контурных токов и узловых потенциалов, вытекающих из законов Кирхгофа, находят напряжения в узлах и токи в ветвях, составляя и решая систему линейных алгебраических уравнений для каждого из элементов. Наиболее технически прогрессивные из подобных систем способны рассчитывать режимы работы цепи, генерировать интерактивную анимированную симуляцию работы схемы в реальном времени.

EDA являются наиболее широко представленным классом систем проектирования, ведь в него же входят топологические САПР, функционал которых зачастую объединён со схемотехническими в рамках единого программного пакета. Такие системы предназначены для создания топологии печатных плат, и среди полезных функциональных дополнений, которые могут к ним прилагаться, можно выделить автоматическую расстановку элементов печатной платы и автоматическую трассировку токопроводящих дорожек. Топологические САПР совмещают в себе функционал систем подготовки производства (CAM, computer-aided manufacturing), обеспечивающих функционал автоматизированного программирования и управления станками с ЧПУ, на которых производятся печатные платы для электронных устройств. Данные для изготовления печатной платы экспортируются с помощью Gerber-файлов, описывающих процесс послойного и поэтапного производства печатных плат или печатных узлов на станках с ЧПУ. [5]

Таким образом, EDA-системы являются высоко интегрированными средствами разработки, содержащими в себе широкий набор функций для разработки электронных устройств. Неудивительно, что многие конструкторские бюро ограничивают свой набор средств проектирования лишь подобными системами, оставаясь в рамках традиционной модели жизненного цикла. EDA содержат в себе встроенную библиотеку компонентов, расширяемую с помощью внешних библиотек, поставляемых производителями радиоэлементов или создаваемых пользователями, что в теории позволяет покрыть весь спектр производственных нужд одним единственным пакетом САПР, предназначенным для разработки электронных устройств.

3.2 Инженерные САПР

Однако, как уже было выяснено, следование традиционной модели жизненного цикла электронных устройств ведёт к постоянным потерям времени на создание и пересоздание опытных образцов. Поэтому требуется технология воспроизведения процесса создания опытного прототипа и его испытания в виртуальной среде, за которую отвечают инженерные САПР, или CAE - computer-aided engineering.

CAE-системы, объединяя в себе широкий спектр функциональных назначений, позволяют выполнять различного рода инженерные расчёты, такие как расчёт прочности и устойчивости конструкции, расчёт теплового распределения, расчёт надёжности, и прочие. Для подавляющего большинства видов физических расчётов, исключая моделирование надёжности, в CAE-системах применяется метод конечно-элементного анализа (МКЭ), при котором исходная модель разбивается на конечные элементы (для трёхмерной модели - тетраэдры), и на границах элементов находится значение аппроксимирующей функции решением системы линейных алгебраических уравнений. Уменьшая размер конечных элементов, можно добиться большей точности расчёта, пожертвовав при этом временем, затрачиваемым ЭВМ на решение задачи [12].

Так же как для решения задач расчёта электрических цепей в схемотехнических САПР применяется ядро SPICE, расчётные алгоритмы инженерных САПР в большинстве своём основаны на геометрическом движке Parasolid разработки компании Siemens. По аналогии со SPICE, производители CAE могут изменить какие-либо функции или добавить новые, но основная идея их применения остаётся неизменной. Было разработано множество автоматизированных систем данного класса, вот лишь некоторые из них:

· ANSYS

· Solidworks

· COMSOL Multiphysics

· IronCAD

· T-FLEX CAD

· ABAQUS

· И др.

Можно с уверенностью сказать, что если в конкретной CAE реализован функционал физического анализа трёхмерных моделей с помощью МКЭ, то она построена на основе Parasolid. Список поддерживаемых форматов, как правило, общий для всех САПР данного класса. Различия касаются в основном удобства использования и пользовательского интерфейса.

3.3 Системы поддержки жизненного цикла

В особую группу выделяют информационные системы, отвечающие за организацию обмена данными между разработчиками в рамках одного проекта (product data management, PDM) и комплексной информационной поддержки на протяжении всех этапов жизненного цикла изделия (product lifecycle management, PLM). Последние включают в себя облачные технологии для дистанционного обмена данными как между одной командой разработчиков, так и между независимыми разработчиками со всего мира. Данная технология уже давно была представлена в бизнес-среде и в сегменте разработки программного обеспечения, и лишь в последнее время начала активно применяться в области разработки электронных устройств.

PDM САПР предоставляют унифицированные средства хранения и обмена данных внутри проекта или предприятия, что повышает степень локального повторного использования электронных моделей, сокращая время, затрачиваемое на из повторную разработку или адаптацию. В свою очередь, PLM-система, также называемая PLM/PDM-системой, включает в себя функционал PDM, и при этом добавляет возможность централизованного управления всеми процессами жизненного цикла изделия, контроля полученных результатов. Но ни PLM, ни PDM системы не гарантируют совместимость форматов обмена данными САПР различного функционального назначения, за это отвечает выбранная методика проектирования и построенный маршрут проектирования.

Введение PLM/PDM-систем в процесс разработки электронных устройств строит чёткую иерархию САПР (рис. 5), а сами системы позволяют структурировать и отслеживать поток документов, генерируемых при разработке.

Рис. 5. Иерархическая структура САПР, использованных в проекте

4. Разработка методики комплексного сквозного проектирования электронных устройств

Сквозное проектирование (СП) - это процесс непрерывной работы над одним и тем же проектом с использованием САПР различного функционального назначения. Таким образом, методика сквозного проектирования предполагает СП на протяжении всех этапов жизненного цикла ЭУ, с задействованием тех или иных САПР на каждом из них [13, 14].

Методика сквозного проектирования основана на модели полного жизненного цикла устройства с применением компьютерного моделирования. Фаза изготовления опытного прототипа и проведения его испытаний заменена на этап компьютерного моделирования с помощью инженерных САПР, в которых последовательно, от элементов и узлов, к блокам и сборке устройства в целом, создаются электронные модели, и над сборкой устройства проводятся испытания на устойчивость механическим и тепловым нагрузкам при различных условиях окружающей среды и режимах работы, определяются показатели безотказности. В свете этого, производство опытных образцов перестаёт иметь решающее значение, однако не запрещается изготовление демонстрационных образцов параллельно с ходом проведения ОКР для демонстрации текущего прогресса заказчику.

В отличие от традиционной методики проектирования, в которой не происходит прямого обмена моделями между САПР ввиду их обособленности как друг от друга, так и от остальных этапов НИОКР, в сквозном проектировании все использованные САПР динамически связаны единой базой данных так, что компьютерные модели, полученные и обработанные в одной системе, передаются далее по циклу разработки и используются на последующих этапах жизненного цикла. Это позволяет избавиться от избыточной операции повторного воссоздания электронных моделей, полученных на предыдущих этапах моделирования, в каждой новой использованной САПР. По сути, работа ведётся над одной и той же динамически обновляемой моделью, в которую входят как подмодели различных размерностей и функционального назначения, так и динамическая интерактивная проектная документация [12]. В сквозной методике взаимодействие между системами проектирования организовано таким образом, что становится возможной не только прямая, но и обратная динамическая связь, при которой правки моделей, расположенных на верхних иерархических уровнях, могут автоматически транслироваться на нижние уровни. Структурная схема этапов проектирования сквозной методики представлена на рис. 7.

Рис. 7. Состав и порядок использования средств разработки в методике сквозного проектирования

В настоящее время не существует единой интегрированной САПР, в которой возможно провести все необходимые этапы НИОКР. Поэтому разработчики вынуждены использовать множество отдельных систем с различными функциональными назначениями, что вызывает проблему совместимости форматов моделей, применяемых в различных САПР. Это решается путём введения унифицированного хранилища данных, способного если не к взаимной конвертации файловых форматов, то хотя бы к их централизованному хранению и единообразному представлению.

4.2.2 Комплексный электронный макет

Результатом выполнения проектных работ по методике сквозного проектирования является комплект технологической и конструкторской документации, представленной в цифровом формате в виде электронных документов и моделей, полученных на каждом из этапов разработки и объединяемых в цельную и унифицированную структуру, с которой работают все вовлечённые в процесс разработки САПР, называемую комплексным электронным макетом (КЭМ).

КЭМ состоит из множества разнородных элементов (атрибутов). На каждом новом этапе цикла разработки ЭУ происходит постепенное наращивание атрибутов конфигурации КЭМ. Каждая САПР берёт информацию из имеющихся атрибутов и задаёт свой новый, уникальный атрибут в электронном макете [6]. Таким образом, КЭМ является той структурой, которая не только позволяет унифицировано хранить и представлять разнородную конструкторскую документацию, но и служит элементом, способствующим созданию сквозных и динамических связей между САПР. Типовая структурная схема КЭМ, полученного по завершении проекта по разработке, представлена на рис. 8.

Рис. 8. Структурная схема комплексного электронного макета

4.2.3 Сквозное проектирование в интегрированных САПР

Существует отдельный класс интегрированных САПР, в которых две или более смежных по смыслу функций укомплектованы в единый программный комплекс. Со стороны пользователя это выглядит как единая программа для ЭВМ, под унифицированным пользовательским интерфейсом которой бесшовно объединены несколько различных функций. Но на самом деле во внутренней структуре интегрированной САПР каждое из функциональных назначений реализовано в виде отдельного независимого модуля. При этом все модули работают над одной и той же электронной моделью, и между ними происходит сквозной обмен конструкторскими данными.

С точки зрения методологии сквозного проектирования, подобный подход является весьма выгодным как по временным затратам, так и по простоте внедрения меньшего количества САПР. Хорошим примером служит EDA Altium Designer, сочетающая в себе функции разработки электрических принципиальных схем и проведения схемотехнического моделирования, возможность автоматического создания топологии печатной платы на основе схемы, и функцию автоматического построения трёхмерных моделей печатных плат на основе общей для всего программного продукта библиотеки компонентов. Или, например, CAE Solidworks [18], содержащий в себе набор функций по физическим расчётам на основе МКЭ, для каждой из которых реализован отдельный подключаемый модуль. Выбор интегрированных САПР позволяет выполнить несколько разнородных технологических процессов НИОКР в одной и той же информационной среде, при этом сокращая количество и стоимость САПР.

Однако не следует подменять понятия методики сквозного проектирования и сквозного проектирования внутри интегрированных САПР: первое относится к организации проектной деятельности в целом, позволяет объединить множество разнородных САПР унифицированной базой данных (структурируется КЭМ-ом), в то время как второе опирается на внутренний формат БД унифицированной САПР, который может быть не стандартизирован.

4.3 ИПИ-методология

Наконец, следует остановиться на современной методике разработки ЭУ, пришедшей не смену сквозному проектированию. Методология CALS (Continuous Acquisition and Lifecycle Support), или по-другому ИПИ - «Информационная Поддержка процессов жизненного цикла Изделий» - методика комплексного проектирования, подразумевающая использование специализированных САПР на всех стадиях жизненного цикла электронного устройства [12]. Здесь не только используются САПР, предназначенные для конструирования ЭУ во время проведения НИОКР, но и применяются системы информационной и организационной поддержки всех процессов, происходящих в жизненном цикле ЭУ. ИПИ-САПР, коими являются PLM, PDM и PLM/PDM системы, дают возможность сбора, хранения и анализа конструкторских данных, централизованного управления проектной деятельностью, микроменеджмента, ведения проектной документации.

Долгое время понятие ИПИ-методологии было заключено в технологии сквозного проектирования. Однако повсеместное развитие техники, и, в особенности, технологий хранения и передачи данных, облачных технологий, позволило выделить CALS в отдельную методологию проектирования ЭУ. ИПИ, сохраняя все преимущества сквозного проектирования, значительно расширяет данную технологию, добавляя в неё совершенно новый класс ИПИ-систем проектирования.

Такой системой может выступать КЭМ, построенный на основе базы данных формата ISO 10303 STEP. STEP - это «стандарт обмена данными модели изделия», универсальный формат обмена конструкторской документацией, разработанный комитетом ISO ТC 184 [7]. Стандарт STEP подразделён на протоколы применимости (Application Protocol, AP), каждый из которых регламентирует формат данных определённого типа, будь то двумерные чертежи и схемы, трёхмерные модели или техническая документация. Производители САПР, как правило, стараются включать в свои продукты поддержку AP, соответствующих выбранной области применения. Поэтому STEP широко используется как универсальная БД для междисциплинарного обмена конструкторской документацией; САПР могут взаимодействовать с КЭМ, построенным на основе STEP-совместимой БД, динамически изменять её, поддерживая как прямую, так и обратную динамическую связь.

Примером ИПИ-САПР может также служить PDM/PLM Altium Vault, которая, будучи надстройкой над EDA Altium Designer, преобразовывает последнюю в полноценную ИПИ-систему, способную администрировать не только проекты внутри Altium Designer, но и интегрировать в себя данные из других САПР.

Система позволяет свободно управлять жизненным циклом проекта, производить контроль и разностное сравнение версий проектов, повторно использовать верифицированные модели и компоненты.

Структурная схема этапов проектирования методологии CALS представлена на рис. 9.

Рис. 9. Состав и порядок использования средств проектирования в методологии CALS.

Таким образом, методология CALS сочетает в себе преимущества ИПИ-систем, развернутых над САПР, объединёнными технологией сквозного проектирования, позволяет провести глубокую оптимизацию технологических процессов разработки и определяет особую модель жизненного цикла ЭУ, которая характеризуется высокой степенью вовлечения систем автоматизации, вплоть до полной автоматизации в обозримом будущем, и создания «виртуального предприятия». Благодаря возможности дистанционной и параллельной разработки, повторному использованию моделей компонентов, и автоматизации процессов управления разработкой, CALS позволяет до 6 раз сократить время, затрачиваемое на НИОКР.

4.4 Разработка маршрута проектирования по методологии CALS

Проведённые исследования, в том числе и собственные исследования автора, доказали эффективность методологии ИПИ по сравнению с другими, при проектировании электронных устройств [1 ссыль сюда]. Поэтому именно согласно ней, будет разработан маршрут проектирования ЭУ.

Маршрут проектирования - это итерационная последовательность технологических этапов жизненного цикла, применяемая для подготовки к производству проекта согласно утверждённому техническому заданию [11]. Маршрут проектирования считается типовым, если он применим для многих объектов данного класса, в данном случае - электронных устройств.

Разработанный маршрут определяет последовательность производственных этапов, направленных на как на разработку электронных устройств в общем случае, так и на проектирование флеш-накопителя в частности, по методологии ИПИ, от момента создания его структурной и электрической принципиальной схемы, до получения полного пакета КД и ТД, представленного в электронной форме в виде КЭМ, содержащего разработанные модели устройства разных уровней и результаты расчётов.

Непосредственно ОКР начинаются с этапа схемотехнического моделирования в САПР, при котором электрическая схема устройства проверяется на согласованность и работоспособность. На базовом уровне уже в этот момент выполняется обеспечение надёжности устройства благодаря итеративному процессу выбора элементной базы, при котором на первой итерации схемотехническое моделирование проводится с идеальными элементами, затем на их место подбираются реальные электронные компоненты из числа имеющихся в продаже, либо разрабатываются собственные радиокомпоненты, и с подобранными компонентами моделирование проводится вновь, до тех пор, пока все элементы не будут отвечать требуемым условиям и установленному запасу по нагрузке для функционирования в конкретной электрической цепи. Верифицированная схемотехническая модель по циклу разработки передаётся в следующую EDA, в которой разрабатывается печатная плата устройства, создаётся модель монтажного пространства печатного узла. Для этих целей применяются EDA Proteus и DipTrace. Результирующие схемотехнические модели выгружаются в формате базы данных ISO 10303 STEP, AP203, топологическая модель подготавливается к производству и экспортируется в формате Gerber, а трёхмерная модель печатного узла, автоматически генерируемая в DipTrace, отправляется в следующую по списку CAE - Solidworks.

В интерактивной среде построения трёхмерных моделей Solidworks происходит «виртуальная» сборка устройства из составных компонентов, над которой проводятся инженерные расчёты: определяется прочность корпуса, устойчивость к тепловым и механическим нагрузкам. Параллельно с этим в CAE АСОНИКА-К-СЧ происходит расчёт показателей безотказности составных компонентов и устройства целиком с целью определения времени наработки на отказ и вероятности безотказной работы в течение заданного временного промежутка. Финальный пакет КД и ТД представляется в виде КЭМ на основе БД формата ISO 10303 STEP, которая и регламентирует единообразность хранения и междисциплинарной обработки электронной конструкторской документации, технологических и поясняющих документов.

Разработанный уточнённый сквозной маршрут проектирования, основанный на методологии CALS, представлен на рис. 10.

Рис. 10. Уточнённый маршрут сквозного ИПИ-проектирования

5. Выполнение ОКР

5.1 Создание структурной схемы устройства

Согласно утверждённому техническому заданию, разработанной методологии и маршруту проектирования, требуется провести конструирование устройства «USB FLASH-накопитель с информационным дисплеем». Для начала следует более подробно осветить вопрос «что именно будет разработано?». За это отвечает структурная схема устройства, определяющая его основные блоки, их целевое назначение и взаимные связи.

Структурная схема электронного устройства является упрощением его принципиальной схемы и позволяет в общем виде рассмотреть принципы его функционирования, что впоследствии упрощает создание схемы электрической принципиальной. Разработанная структурная схема представлена на рис. 11.

Рис. 11. Структурная схема флеш-накопителя.

Отсюда становится видно, что используемый в данном флеш-накопителе микроконтроллером является основным звеном системы, управляет выводом информации на E-ink дисплей и осуществляет исполнение математического аппарата и всей логики работы. Здесь следует отметить, что разрабатываемое устройство является надстройкой над обычным флеш-накопителем, совместимым с интерфейсом USB, необходимой для осуществления заявленных функций по расчёту его надёжности, остаточного ресурса, времени до отказа и т.д.

При этом внутренняя структура серийного USB-накопителя представлена на структурной схеме в развёрнутом виде, чтобы показать добавляемую связь между микроконтроллером и контроллером флеш-накопителя. Так, микроконтроллер регистрирует команды обработки данных, выполняемые контроллером интерфейса, и определяет, были ли перезаписаны ячейки памяти. Предельное количество циклов перезаписи ячеек памяти известно, и оно задаётся производителем модулей памяти. На основании этого микроконтроллер рассчитывает остаточную способность ячеек памяти к перезаписи, а также объём занятой памяти и суммарное время работы устройства, и отображает на подключённом к нему дисплее соответствующую информацию. В случае если износ и старение ячеек памяти приближается к предельному значению, микроконтроллер подаст сигнал на устройство оповещения, выполненное в виде пьезоэлектрического излучателя.

Таким образом, показав связи между основными блоками устройства и их состав, а также определив логические принципы его функционирования, следует переходить к разработке электрической принципиальной схемы и схемотехническому моделированию.

5.2 Схемотехническое моделирование

Схемотехническое моделирование было проведено с помощью EDA Proteus 8.3. Выбор именно этой САПР обусловлен исключительно цифровой логической природой сигналов, обрабатываемых разрабатываемым устройством. Кроме того, в устройстве использован программируемый микроконтроллер, и именно Proteus позволяет проводить схемотехническое моделирование с использованием перепрограммируемых элементов.

В виртуальной среде разработки Proteus была создана принципиальная электрическая схема устройства и запущена интерактивная симуляция её работы в режиме реального времени. Для обеспечения возможности запуска микроконтроллера, была написана тестовая версия его микропрограммы, скомпилированный бинарный файл которой требовалось указать в свойствах модели контроллера в Proteus. Схемотехническое моделирование позволило рассчитать токи в ветвях и напряжения в узлах цепи, тепловые мощности, выделяемые на элементах.

В ходе расчёта было выяснено, что данная схема является полностью работоспособным вариантом и не нарушает правила проектирования, а коэффициенты электрических нагрузок на элементах не превышают 60%, что обеспечивает предостаточный запас надёжности выбранных радиоэлементов. Разработанная схема представлена на рис. 12.

Рис. 12. Схемотехническое моделирование в Proteus 8.6.

5.3 Создание модели монтажного пространства

Далее, следуя принципам сквозного интегрального проектирования, схемотехническая модель была экспортирована в формате, совместимом с STEP AP203 и отправлена на следующий этап разработки - топологическое моделирование, которое выполнялось в EDA/CAM DipTrace.

На этом этапе требовалось разработать топологическую модель печатной платы, следуя принципам максимально возможного сокращения площади, занимаемой схемой и ограничениям, установленным возможностями производства. В частности, ООО Резонит, крупнейший производитель печатных плат в Москве, устанавливает следующие ключевые ограничения для печатных плат класса точности 3: минимальный диаметр отверстия 0,3мм, минимальная ширина проводника на проводящих слоях 0,125мм, поясок площадки переходного отверстия 0,15мм, отступ элементов топологии от края печатной платы 0,4мм. Повышение класса точности ведёт как к существенному удорожанию процедуры изготовления, так и к технологическим ограничениям: в России нет предприятий-изготовителей для производства плат класса точности 1.

Из импортированной модели DipTrace способен считать список компонентов, связи между ними и посадочные места. Не смотря на наличие функции авторасстановки компонентов, расстановка выполнялась вручную для большего контроля над процессом проектирования. Для расстановки токопроводящих дорожек между выводами элементов применялась функция автотрассировки. В DipTrace была автоматически проведена проверка на соответствие правилам и ограничениям проектирования, параметры которых были установлены согласно ограничениям производства ООО Резонит для класса точности 3. Разработанная топологическая модель прошла эту проверку после незначительных доработок ошибок автотрассировщика, что позволяет сделать вывод об успешности построения модели монтажного пространства. Разработанная в DipTrace по технологии сквозного ИПИ-проектирования модель печатной платы представлена на рис. 13.

Рис. 13. Топология печатной платы в DipTrace.

Данная САПР также позволяет создать трёхмерную модель печатного узла в полностью автоматическом режиме, основываясь на встроенной библиотеке 3D-элементов. Данная модель представлена на рис. 14.

Рис. 14. 3D-модель печатного узла

Как можно заметить, не для всех посадочных мест наличествуют соответствующие трёхмерные модели в стандартной библиотеке компонентов, как например, для USB-разъёма J1. Данный недостаток решается обращением к конструкторской документации, предоставляемой производителем радиоэлектронных компонентов, а если требуемая информация отсутствует и там, все недостающие трёхмерные модели можно создать в инженерных САПР на следующем этапе проведения проектных работ.

Кроме разработки модели монтажного пространства и 3D-модели печатной платы, для подготовки её производства был использован CAM-функционал DipTrace, встроенный в неё, как и в любую уважающую себя топологическую CAE. А именно, были созданы Gerber-файлы, необходимые для производства разработанной печатной платы на станке с ЧПУ. Модель ПП разбивается послойно, и каждый из таких файлов хранит один из производственных слоёв, будь то слой защитной маски или карта сверления отверстий, по одному файлу на каждый слой. Данным образом был осуществлён начальный этап подготовки производства для разрабатываемого проекта. Пример Gerber-файла, содержащего слой металлизации на верхней (Top) стороне печатной платы представлен на рис. 15.

Рис. 15. Режим просмотра Gerber-файла, содержащего слой металлизации.

5.4 Проведение трёхмерного моделирования и инженерных расчётов

Следуя разработанному маршруту проектирования, следующим этапом стало создание трёхмерной сборки устройства и её испытания, которые выполнялись в CAD/CAE Solidworks. Данная САПР предназначена как для создания новых трёхмерных моделей и сборок с помощью имеющихся геометрических инструментов, так и использовать заранее подготовленные электронные модели, что и было сделано: сборка печатного узла экспортировалась из DipTrace в формате STEP AP 214. Теоретически, то же самое можно было выполнить и в Proteus, однако если схемотехническое моделирование в нём было проведено без проблем, то с созданием топологии возникали определённые сложности, характерные для интегрированных EDA: недостаточный набор трёхмерных моделей радиоэлектронных компонентов, отсутствие возможности ручной трассировки токопроводящих дорожек, поддержка малого ассортимента форматов трёхмерных сборок.

В Solidworks были рассчитаны габаритные размеры печатного узла, и вокруг него, согласно иерархическому принципу и восходящему методу проектирования, был выстроен корпус устройства, над которым проводилось механическое моделирование.