Выпуск #2-3/2009
А.Сабунин.
Сквозное проектирование печатных плат в САПР Altium Designer
Сквозное проектирование печатных плат в САПР Altium Designer
Просмотры: 1928
В продолжение статьи Н.Бунчиной "Сквозное проектирование радиоэлектронной аппаратуры на базе интегрированной САПР", опубликованной в ПМ 1-2009, автор более подробно рассказывает о реализации сквозного цикла проектирования плат в системе Altium Designer.
В российской практике лишь несколько предприятий могут похвастаться налаженным подходом к проектированию радиоэлектронной аппаратуры, при котором обеспечивается связанность на всех этапах проекта. Большинство предприятий при разработке схем, описании ПЛИС, плат, чертежей и текстовой конструкторской документации используют различные программы. Одной из программ, представленных на российском рынке для решения этих задач, является Altium Designer. Эта программа, известная некоторым разработчикам по прежнему названию Protel, разработана фирмой Altium, которая также вела разработку более известной в России САПР P-CAD. После того, как в 2007 году было объявлено о прекращении продвижения P-CAD, все силы разработчиков Altium были сосредоточены на программе Altium Designer.
Сегодня Altium Designer – это оболочка, на базе которой могут быть запущены различные прикладные редакторы для решения задач разработки электронных устройств. Основной особенностью данной программы является проектный подход к ведению разработок, т.е. все документы схем, плат, библиотек и другие документы, относящиеся к одному устройству, объединены единым файлом проекта. Здесь могут быть созданы проекты разного типа, например, проект платы (*.PrjPcb), который объединяет все документы, относящиеся к одной плате, проект ПЛИС (*.PrjFpg), объединяющий все документы для описания одной ПЛИС и т.д. Если на плате установлена ПЛИС, то проект, описывающий работу этой ПЛИС, входит в состав проекта печатной платы. При разработке проекта его структура постоянно отображается в отдельной панели в виде дерева, где показано, какие документы входят в состав разрабатываемого устройства (рис.1).
Между всеми документами проекта постоянно имеется связанность, т.е. при выделении объекта в одном документе (схеме) он автоматически выделяется в другом (в плате – см. рис.1).
Если на одном из этапов проекта были внесены изменения, то они будут отображены в диалоговом окне FPGA Workspace Map (рис.2). Здесь в виде ячеек показаны самостоятельные этапы разработки проекта (схема, плата, ПЛИС, описание процессора ПЛИС). Зелеными и красными линиями показаны связи между этапами проектирования, причем зеленая линия говорит о согласованности между двумя этапами, а красная – об отсутствии целостности.
Так, в примере, показанном на рис.2, один и тот же проект реализован в виде двух плат, каждая из которых основана на своей ПЛИС. Соответственно имеются две схемы и две платы (две левые ячейки). Далее имеется проект ПЛИС, который одинаков для обоих микросхем и один проект для описания ядра ПЛИС. В плате была проведена оптимизация цепей с целью упрощения топологии (это достигается путем перестановки эквивалентных выводов ПЛИС), а затем, в соответствии с платой, была обновлена схема. В данный момент на рис.2 схема с платой синхронизированы, а вот схема с проектом ПЛИС – нет, о чем говорит красная линия связи между второй и третьей ячейками. Чтобы внести изменения, нужно выполнить двойной щелчок на линии связи, и будет запущен диалог внесения изменений.
Сквозное проектирование в Altium Designer не ограничивается окном FPGA Workspace Map. Рассмотрим описание сквозного цикла проектирования на примере разработки конструкторской документации (КД) и Gerber-файлов для производства печатной платы.
Разработка любого устройства начинается с создания файла проекта, после чего в проект добавляется файл схемы. Схема может содержать как один лист, так и несколько листов, связанных между собой разными уровнями иерархии. Реализация иерархии и многоканальности на схеме позволяет в дальнейшем упростить этап разработки платы за счет наличия готовых кластеров (групп компонентов), которые соответствуют листам схем проекта. На этом этапе разработчик (схемотехник) может провести аналого-цифровое моделирование на базе Spice-алгоритма, который представлен одним из редакторов на базе Altium Designer (рис.3). Кроме этого, на схеме могут быть внесены конструктивные особенности проводников (толщины, зазоры, дифференциальные пары и т.д.).
На большинстве отечественных предприятий конструктор плат получает задание на разработку, имея в наличии схему, перечень элементов и эскиз платы. Этот эскиз предварительно подготовлен инженером, который впоследствии будет разрабатывать блок, функциональным узлом которого является печатный узел, собранный на упомянутой плате. При этом эскиз создается в "механической" САПР и, еще до работы конструктора плат, модель платы вставляется в блок. Таким образом, получается, что контур платы создается дважды, и эти контуры никак не связаны между собой.
В Altium Designer можно в качестве контура платы использовать модель, созданную ранее в другой САПР и сохраненную в формате STEP. При этом контур платы при изменении исходной модели будет автоматически обновляться. Кроме модели контура могут использоваться модели компонентов на плате, механических деталей (втулки, подставки, радиаторы и т.д.), а также деталей корпуса блока (рис.4). По завершении разработки платы имеется возможность ее сохранения в том же формате STEP, в результате чего будет создана сборка платы с установленными на ней деталями.
Кроме выполнения топологии печатных проводников, для которых имеется вполне достаточный инструментарий, имеется возможность проведения анализа целостности сигналов на плате. Анализ целостности можно провести как без учета топологии, так и с учетом топологии. По результатам данного анализа можно внести изменение как в электрическую схему в виде шунтирующих резисторов и конденсаторов для изменения входного сопротивления на выводах микросхем, так и в плату, изменив параметры печатных проводников.
По готовой схеме и плате в Altium Designer можно сформировать файлы для оформления текстовой КД (спецификацию, перечень элементов, ведомость покупных изделий и т.д.). Во всех системах подобного рода формирование именно этой части КД является этапом, вырванным из общего цикла, и поэтому выполняемым в сторонней программе. Altium Designer, также, как другие программы данного класса, не может отследить целостность между документами проекта (схемой, платой) и текстовыми документами. Однако здесь имеется возможность формирования этих документов в соответствии с российскими стандартами. Реализуется данная возможность с помощью генерации стандартного отчета в формате BOM (Bill of Materials), для которого может быть использован шаблон, выполненный по российским стандартам.
В дополнение к описанным возможностям по реализации сквозного проектирования в Altium Designer имеется поддержка работы с системами Subversion. В этом случае все разработки проектов находятся в едином хранилище, и программа самостоятельно отслеживает согласованность между локальными версиями на машинах пользователей и версиями хранилища.
Подводя итог, отметим, что Altium Designer позволяет решать весь спектр задач, связанных с разработкой электронной части радиоэлектронных устройств (кроме проектирования жгутов). При этом некоторые самостоятельные редакторы не являются флагманами в проектировании и моделировании устройств (например, Signal Integrity, CAMtastic, оболочка для описания ПЛИС). Однако за счет того, что на базе Altium Designer удачно связаны все эти модули и при этом имеется возможность быстрого внесения изменений из одного в другой, данная программа является одним из лидеров среди систем сквозного проектирования.
Литература
Пранович В. Работа с программой Altium Designer (Protel). – Компоненты в электронной промышленности, 2006, №№ 5 и 6, 2007, №№ 6–8, 2008, №№ 3–8.
Потапов Ю.В. Система проектирования печатных плат Protel. – М.: Горячая линия–Телеком, 2003.
Потапов Ю.В. Protel DXP. – М.: Горячая линия–Телеком, 2006.
Сабунин А.Е. Altium Designer. Новый этап в проектировании электронных устройств. – М.: Солон-Пресс, 2009.
Сабунин А.Е. Работа с программой Altium Designer (Protel). – Современная электроника, 2007, №6, 2008, №№ 5–9, 2009, №№ 1–4.
Сабунин А.Е. Работа с программой Altium Designer (Protel). – EDA-Express, 2006–2008, №№ 13–17.
Суходольский В.Ю. Сквозное проектирование функциональных узлов РЭС на печатных платах в САПР Altium Designer 6. Часть 1. Учебное пособие. – СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2008.
Сегодня Altium Designer – это оболочка, на базе которой могут быть запущены различные прикладные редакторы для решения задач разработки электронных устройств. Основной особенностью данной программы является проектный подход к ведению разработок, т.е. все документы схем, плат, библиотек и другие документы, относящиеся к одному устройству, объединены единым файлом проекта. Здесь могут быть созданы проекты разного типа, например, проект платы (*.PrjPcb), который объединяет все документы, относящиеся к одной плате, проект ПЛИС (*.PrjFpg), объединяющий все документы для описания одной ПЛИС и т.д. Если на плате установлена ПЛИС, то проект, описывающий работу этой ПЛИС, входит в состав проекта печатной платы. При разработке проекта его структура постоянно отображается в отдельной панели в виде дерева, где показано, какие документы входят в состав разрабатываемого устройства (рис.1).
Между всеми документами проекта постоянно имеется связанность, т.е. при выделении объекта в одном документе (схеме) он автоматически выделяется в другом (в плате – см. рис.1).
Если на одном из этапов проекта были внесены изменения, то они будут отображены в диалоговом окне FPGA Workspace Map (рис.2). Здесь в виде ячеек показаны самостоятельные этапы разработки проекта (схема, плата, ПЛИС, описание процессора ПЛИС). Зелеными и красными линиями показаны связи между этапами проектирования, причем зеленая линия говорит о согласованности между двумя этапами, а красная – об отсутствии целостности.
Так, в примере, показанном на рис.2, один и тот же проект реализован в виде двух плат, каждая из которых основана на своей ПЛИС. Соответственно имеются две схемы и две платы (две левые ячейки). Далее имеется проект ПЛИС, который одинаков для обоих микросхем и один проект для описания ядра ПЛИС. В плате была проведена оптимизация цепей с целью упрощения топологии (это достигается путем перестановки эквивалентных выводов ПЛИС), а затем, в соответствии с платой, была обновлена схема. В данный момент на рис.2 схема с платой синхронизированы, а вот схема с проектом ПЛИС – нет, о чем говорит красная линия связи между второй и третьей ячейками. Чтобы внести изменения, нужно выполнить двойной щелчок на линии связи, и будет запущен диалог внесения изменений.
Сквозное проектирование в Altium Designer не ограничивается окном FPGA Workspace Map. Рассмотрим описание сквозного цикла проектирования на примере разработки конструкторской документации (КД) и Gerber-файлов для производства печатной платы.
Разработка любого устройства начинается с создания файла проекта, после чего в проект добавляется файл схемы. Схема может содержать как один лист, так и несколько листов, связанных между собой разными уровнями иерархии. Реализация иерархии и многоканальности на схеме позволяет в дальнейшем упростить этап разработки платы за счет наличия готовых кластеров (групп компонентов), которые соответствуют листам схем проекта. На этом этапе разработчик (схемотехник) может провести аналого-цифровое моделирование на базе Spice-алгоритма, который представлен одним из редакторов на базе Altium Designer (рис.3). Кроме этого, на схеме могут быть внесены конструктивные особенности проводников (толщины, зазоры, дифференциальные пары и т.д.).
На большинстве отечественных предприятий конструктор плат получает задание на разработку, имея в наличии схему, перечень элементов и эскиз платы. Этот эскиз предварительно подготовлен инженером, который впоследствии будет разрабатывать блок, функциональным узлом которого является печатный узел, собранный на упомянутой плате. При этом эскиз создается в "механической" САПР и, еще до работы конструктора плат, модель платы вставляется в блок. Таким образом, получается, что контур платы создается дважды, и эти контуры никак не связаны между собой.
В Altium Designer можно в качестве контура платы использовать модель, созданную ранее в другой САПР и сохраненную в формате STEP. При этом контур платы при изменении исходной модели будет автоматически обновляться. Кроме модели контура могут использоваться модели компонентов на плате, механических деталей (втулки, подставки, радиаторы и т.д.), а также деталей корпуса блока (рис.4). По завершении разработки платы имеется возможность ее сохранения в том же формате STEP, в результате чего будет создана сборка платы с установленными на ней деталями.
Кроме выполнения топологии печатных проводников, для которых имеется вполне достаточный инструментарий, имеется возможность проведения анализа целостности сигналов на плате. Анализ целостности можно провести как без учета топологии, так и с учетом топологии. По результатам данного анализа можно внести изменение как в электрическую схему в виде шунтирующих резисторов и конденсаторов для изменения входного сопротивления на выводах микросхем, так и в плату, изменив параметры печатных проводников.
По готовой схеме и плате в Altium Designer можно сформировать файлы для оформления текстовой КД (спецификацию, перечень элементов, ведомость покупных изделий и т.д.). Во всех системах подобного рода формирование именно этой части КД является этапом, вырванным из общего цикла, и поэтому выполняемым в сторонней программе. Altium Designer, также, как другие программы данного класса, не может отследить целостность между документами проекта (схемой, платой) и текстовыми документами. Однако здесь имеется возможность формирования этих документов в соответствии с российскими стандартами. Реализуется данная возможность с помощью генерации стандартного отчета в формате BOM (Bill of Materials), для которого может быть использован шаблон, выполненный по российским стандартам.
В дополнение к описанным возможностям по реализации сквозного проектирования в Altium Designer имеется поддержка работы с системами Subversion. В этом случае все разработки проектов находятся в едином хранилище, и программа самостоятельно отслеживает согласованность между локальными версиями на машинах пользователей и версиями хранилища.
Подводя итог, отметим, что Altium Designer позволяет решать весь спектр задач, связанных с разработкой электронной части радиоэлектронных устройств (кроме проектирования жгутов). При этом некоторые самостоятельные редакторы не являются флагманами в проектировании и моделировании устройств (например, Signal Integrity, CAMtastic, оболочка для описания ПЛИС). Однако за счет того, что на базе Altium Designer удачно связаны все эти модули и при этом имеется возможность быстрого внесения изменений из одного в другой, данная программа является одним из лидеров среди систем сквозного проектирования.
Литература
Пранович В. Работа с программой Altium Designer (Protel). – Компоненты в электронной промышленности, 2006, №№ 5 и 6, 2007, №№ 6–8, 2008, №№ 3–8.
Потапов Ю.В. Система проектирования печатных плат Protel. – М.: Горячая линия–Телеком, 2003.
Потапов Ю.В. Protel DXP. – М.: Горячая линия–Телеком, 2006.
Сабунин А.Е. Altium Designer. Новый этап в проектировании электронных устройств. – М.: Солон-Пресс, 2009.
Сабунин А.Е. Работа с программой Altium Designer (Protel). – Современная электроника, 2007, №6, 2008, №№ 5–9, 2009, №№ 1–4.
Сабунин А.Е. Работа с программой Altium Designer (Protel). – EDA-Express, 2006–2008, №№ 13–17.
Суходольский В.Ю. Сквозное проектирование функциональных узлов РЭС на печатных платах в САПР Altium Designer 6. Часть 1. Учебное пособие. – СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2008.
Отзывы читателей
