isicad: Модель технологического процесса проектирования электронных устройств на базе Altium Designer

От редакции isicad.ru: Эта статья впервые была опубликована в журнале "САПР и Графика" Май, 2014 г.

Данная статья посвящена технологиям проектирования электронных устройств с использованием ПО Altium Designer (правопреемник P-CAD). В рамках статьи мы проанализируем подходы к проектированию в приборостроительных компаниях и постараемся оптимизировать существующие технологии. Материал, который лег в основу анализа, получен в ходе многолетней работы Бюро ESG в качестве системного интегратора.

Правильная технология — катализатор процесса проектирования

Прогресс последних лет связан со значительным усложнением электронных устройств как объектов разработки и производства. Условия конкурентоспособности диктуют требования к возможностям нового и функционированию модернизируемого оборудования. Обновление элементной базы, появление новых интегральных микросхем и процессоров приводит к возникновению абсолютно новых технологий проектирования электронных устройств в целом. Разработать схемное решение, выпустить документацию для изготовления, передать ее заказчику и в архив в бумажном и электронном видах — вот неполный перечень основных задач, которые должны выполняться инженерами при создании радиоэлектронных средств. Также должен быть обеспечен удобный доступ к документации для ее корректировки. В связи с этим становится неудобно, а иногда просто невозможно работать без организованного и отлаженного процесса.

Облегчить работу инженерам помогает специализированное программное обеспечение. Разработчики систем автоматизированного проектирования (САПР) стараются сделать свои программные продукты максимально доступными и удобными для работы. Несмотря на это, ни одна из САПР не является универсальным инструментом для решения всех задач. В результате специалисты должны осваивать несколько систем, а на предприятиях множится программное обеспечение и появляется проблема увязки разнообразного ПО в единый технологический процесс.

Существуют и такие проблемы, как моделирование конструкций, в которые будут установлены создаваемые печатные платы; расстановка электронных модулей в соответствии с правилами по электромагнитной совместимости. Такие задачи не предусмотрены для выполнения ни в одной из систем проектирования радиоэлектронных средств, и до сегодняшнего дня для их решения приходилось прибегать к разработке собственных приложений.

Попробуем создать модель организации технологического процесса разработки электронных изделий (схема — конструкция — 3D-монтаж — технология производства — изготовление) с использованием Altium Designer. Это полноценная САПР, предлагающая:

единую среду для проектирования радиоэлектронных средств;
работу с интегрированной базой данных электронных компонентов;
двунаправленный обмен данными со многими распространенными CAD-системами;
коллективную работу над единым проектом;
широкий спектр пользовательских настроек.

Еще один важный «бонус» дает производитель — это надстройка, в которой можно осуществлять как аппаратное, так и программное моделирование проектов. Для создания и редактирования схем компания Altium предлагает приобретать отдельный модуль Altium Designer Schematic Editor.

Сегодня большое количество инженеров работает с такими системами автоматизированного проектирования, как P-CAD и OrCAD. Последняя версия системы P-CAD вышла в 2006 году, и поддержка ее прекращена. OrCAD продолжает развиваться. Это хорошо зарекомендовавший себя продукт, но с более бедным, по сравнению с Altium Designer, функционалом. Широко применяются и редакторы электрических схем Mentorgraphics и Schemagee. Они имеют свои базы, в которые даже могут быть интегрированы компоненты, например, из P-CAD.

Обзор существующих схем и модель предлагаемого технологического процесса

В качестве примеров рассмотрим две схемы организации процессов и приемов последовательности проектирования в приборостроении. Эти схемы на предприятиях складывались годами и отображали наиболее удобные на определенный момент времени подходы. Однако разработки усложняются, растут требования к скорости проектирования, поэтому оптимизация существующих подходов неизбежна.

Первая схема представлена на рис. 1.

Рис. 1. Пример организации процесса проектирования № 1

Для разработки принципиальных электрических схем используется P-CAD. В Autodesk Inventor моделируется конструктив блока с указанием точек крепления платы и мест установки разъемов. Полученная информация выдается обратно в P-CAD, где формируется PCB-файл печатной платы.

При помощи программного модуля Nassa создаются схемы соединений. Данный программный инструмент представляет локальное решение, вынужденно созданное внутри конкретной организации. Этот инструмент выдает только промежуточные параметры для передачи в другое ПО, используемое в общей технологической схеме (ключевое слово — «промежуточные»). Создание подобного ПО требует значительного ресурса.

Далее в Autodesk Inventor осуществляется трехмерный монтаж разрабатываемого устройства, проверяются коллизии, подбираются оптимальные пути прокладки кабелей, проводов, шин и жгутов.

Вся документация (схемы, перечни элементов, трехмерные модели и др.) собирается в единой среде управления данными по проекту Windchill, откуда выдается на производство.

Вторая схема представлена на рис. 2.

Рис. 2. Пример организации процесса проектирования № 2

Как и в предыдущем примере, основными программами для разработки электронных устройств являются AutoCAD, Autodesk Inventor и P-CAD (см. рис. 2). Но, в отличие от схемы 1, создание схемы и печатной платы осуществляется в разных программах. Однако здесь отсутствует программный модуль, позволяющий отслеживать взаимосвязи отдельных узлов для формирования схемы соединений. В качестве среды управления данными в этом случае должна использоваться система Smart Team, но, по словам клиентов, она не прижилась.

Описанные схемы представляются нам довольно громоздкими прежде всего в силу наличия большего количества разнородного программного обеспечения. Каждое программное средство имеет свою базу: P-CAD — библиотеку элементов, AutoCAD — библиотеку блоков с атрибутами и Autodesk Inventor — набор компонентов (3D-устройств) с характеристиками. Между элементами этих баз очень сложно построить связь. Главным инструментом разработки в обеих схемах является P-CAD. Но как элементная база с оборудованием, так и программное обеспечение постепенно устаревают. Наступает момент, когда какие бы ни предпринимались усилия по поддержанию продукта, существенных улучшений достичь не удается. Прекращение выхода новых версий, отсутствие обновлений, а затем и полная остановка поддержки программы вынуждают инженеров, работающих с P-CAD, искать ему замену [1]. При этом чаще всего выбор делается в пользу Altium Designer.

Бывшие разработчики P-CAD создали на его основе совершенно новое решение, взяв всё самое лучшее и добавив современный функционал. Существенно в лучшую сторону изменился интерфейс (имеется полноценная русифицированная версия), но основной подход к проектированию остался прежним. Для облегчения перехода и внедрения предусмотрена возможность импорта библиотек компонентов и проектов из P-CAD. Именно в силу этих причин чаще всего выбор делается в пользу Altium Designer. Этот переход также обусловлен ценовой политикой компании Altium, которая держит стоимость своего продукта ниже, чем у конкурентов.

Об алгоритмах перевода проектов и библиотек, о возникающих при этом проблемах и их решении говорится в [2]. На рис. 3 и 4 представлены измененные схемы организации производственных процессов.

Рис. 3. Пример интеграции Altium Designer в схему 1

Рис. 4. Пример интеграции Altium Designer в схему 2

Рассмотрим получаемую схему разработки радиоэлектронных систем, основным инструментом которой является Altium Designer (рис. 5).

Рис. 5. Модель предлагаемого процесса организации сквозного проектирования на базе Altium Designer

Функциональные возможности этой САПР позволяют в одном проекте не только создавать электрические схемы (в том числе схемы соединений) и печатные платы, но и генерировать такую документацию, как монтажный чертеж, таблицы соединений, а также вести технологические карты и карты эскизов. Такие инструменты, как помощник в отслеживании цепей на многолистовых схемах и автотрассировка печатных плат, позволяют при разработке комплекта документации оставаться в среде Altium Designer. Это исключает необходимость использования AutoCAD и каких-либо других программ (см. рис. 1 и 2), так как вся оформительская работа осуществляется в Altium Designer.

Сразу после создания принципиальной схемы отладить ее работу и провести статический анализ можно с помощью встроенной программы моделирования.

Существенную роль в нашем подходе играет поддержка двунаправленной работы с механическими моделями компонентов, которые могут быть импортированы/экспортированы в Altium Designer из машиностроительных САПР (Autodesk Inventor (AutoCAD), SolidWorks, КОМПАС-3D). Поэтому вместе со схемной документацией разрабатывается и конструкция. Контроль собираемости и компоновки оборудования предлагается осуществлять посредством трехмерного моделирования экспортированием из Altium Designer.

При такой организации работы база проекта сильно сокращается. В предложенной схеме она представляет собой библиотеку компонентов, которая формируется только в Altium Designer, а функция Import Wizard позволяет использовать наработки предыдущих версий [3].

Контроль этапов и сроков проектирования предлагается осуществлять при помощи систем календарно-ресурсного планирования. Одну из систем (TDMS, Autodesk Vault, Windchill, SmartTeam и пр.) предлагается использовать для обеспечения управления производством изделия. Такие системы принято называть PDM-системами. Внедрение PDM-системы позволит отслеживать изделие на всех этапах его производства и жизненного цикла. В приведенной модели (см. рис. 5) мы намеренно не конкретизируем наименования систем, их выбор остается за предприятием, а на процесс оптимизации с использованием Altium Designer это не повлияет.

Такая организация работы, на наш взгляд, кажется оптимальной. Altium Designer настроен на упрощение процесса разработки документации, что позволяет инженеру-разработчику сконцентрироваться на более важных деталях (правильность схемного решения, применимость элементной базы и т.д.). Приведенная модель показывает, что эта САПР может быть интегрирована в обе описанные на рис. 1 и 2 схемы технологического процесса. Интеграция Altium Designer приведет к сокращению числа используемого программного обеспечения, облегчению поддержания базы данных проектов вследствие ее минимизации и повышению качества создаваемого оборудования.

Наши наблюдения и выводы

Altium Designer способен решать подавляющее число задач при проектировании электронных устройств.
В рамках предложенной технологической модели база данных по проекту сокращается пропорционально количеству используемого программного обеспечения.
Проблема формирования базы проекта сводится к формированию библиотеки компонентов Altium Designer, что существенно упрощает взаимодействие специалистов с подразделением технологов.
При правильном использовании его встроенных инструментов исключается необходимость применения других программ.
В практике Бюро ESG — проведение регулярных акций по бонусному переходу с P-CAD на Altium, что позволяет учитывать экономическую целесообразность при внедрении технологии проектирования с использованием Altium Designer.

В ближайшей перспективе мы планируем ознакомить читателей с описанием технологии проектирования электронных устройств с использованием ПО Autodesk. Мы расскажем о преимуществах выбора данного инструмента и о специфике организации процесса проектирования.

Список литературы:

Романова Ева. «Импорт проектов из P-CAD в Altium Designer».
Сабунин А.Е. Импорт проектов из различных САПР ПП в программу Altium Designer // Современная электроника. 2009.№ 8.
Суходольский Вячеслав. Сквозное проектирование функциональных узлов РЭС на печатных платах в САПР Altium Designer. СПб, 2008.