Проблемы выпуска конструкторской документации по ЕСКД при автоматизированном проектировании изделий электронной техники

Лев Теверовский, ведущий конструктор АО "АСКОН-М" (Москва)

Опубликовано: "Электронные компоненты" N 5, 2000

Почему в России нет единых систем для выпуска КД? Как сегодня формулируются требования к системам  сквозного проектирования? Какой опыт накоплен в нашей стране?
Ответы на эти вопросы и обзор нескольких систем, обеспечивающих выпуск документации в соответствии с российскими стандартами, читайте ниже.

Исторически сложилось так, что автоматизация проектирования в радиоэлектронике началась с разводки печатных плат. Эта работа проще поддается математическому моделированию и представляет собой плоскую задачу трассировки (или квазиплоскую, если плата многослойная). Однако процесс конструирования изделий электронной техники не ограничивается только разводкой. Можно приблизительно разбить действия разработчиков на три основные последовательные группы:

• разработка схемотехнических решений и подбор электрорадиоэлементов с необходимыми параметрами;
• собственно решение задач размещения элементов на печатных платах, трассировка проводников и выпуск "сигнальных" плат;
• создание конструктивов (блоков, корпусов и стоек), размещение в них плат, трансформаторов и других элементов. Здесь же можно упомянуть и процесс выпуска комплекта КД на все изделие.

Конечно, такая классификация действий — приблизительна, при создании изделий специального (не обязательно военного) назначения задачи компоновки конструктивов часто являются первичными по отношению к схемным решениям, но, по мнению автора, подобное деление имеет место в большинстве случаев.

Сегодня существует довольно много систем автоматизированного проектирования, которые помогают решать те или иные задачи. Ниже приводится краткий обзор CAD-систем, применяемых проектировщиками в соответствии с вышеприведенной классификацией.

Схемотехника 

Здесь можно упомянуть широко известные пакеты OrCad, P-CAD, Design Center, ACCEL EDA, CADdy, Electronic Workbench, Micro-CAP и PSpice. Работа в этих пакетах представляет собой графическую отрисовку принципиальных электрических схем (элементы выбираются из специализированных библиотек) и моделирование работы этих схем. По мнению авторов статьи [1] наиболее удобны пакеты OrCad (совместим с пакетом разводки OrCad Layout plus) и Electronic Workbench (наиболее удобные средства диагностирования параметров работы схем). У них наиболее продуманный интерфейс и довольно большие библиотеки. Однако, поскольку мы рассматриваем системы CAD в плоскости создания комплекта КД, необходимо отметить, что ни один из перечисленных пакетов (кроме CADdy (ZIEGLER-Informatics GmbH) — но он не умеет моделировать работу схемы) не имеет в своем составе модулей выпуска хотя бы перечня элементов в соответствии с российскими стандартами. Кроме этого, библиотеки не содержат отечественных электрорадиоэлементов (ни графических обозначений, ни, тем более, математических моделей). Для предприятий машиностроительного профиля, которые занимаются разработкой схем от случая к случаю и у которых нет необходимости моделировать работу этих схем, можно предложить использовать российскую разработку КОМПАС-График 5 (АО АСКОН). Эта система больше ориентирована на конструкторские разработки "железа" (об этом позднее), но имеет большую специализированную библиотеку отрисовки элементов электросхем ESKW [6], включая каталоги графических изображений отечественных микросхем. В составе КОМПАС-График имеются мощные средства выпуска КД и сейчас проводится интенсивная доработка библиотеки ESKW для выпуска перечня элементов, таблицы соединений и т.п. 

Проектирование печатных плат 

Многие из перечисленных пакетов позволяют провести автоматизированное размещение выбранных элементов на плате и выполнить трассировку проводников. На этом этапе проектирования активно используются системы OrCad, P-CAD, Design Center, ACCEL EDA и CADdy. К этому перечню можно добавить давнюю (еще советскую) разработку ПРАМ 5.3. Современная версия этого пакета называется ПРАМ 5.3М/РС-97 [2]. Система имеет "прозрачные" прямые интерфейсы с системой P-CAD, из которой она получает электрическую схему, и с отечественной системой ПС "ВОСТОК", которая позволяет формировать текстовую конструкторскую документацию на плату. Результатом работ на данном этапе должно быть получение фотошаблонов платы, подпрограмм обработки платы на фотоплоттерах, сверлильных автоматах и других технологических документов, а также сборочного чертежа платы с элементами и выпуск КД на плату. К сожалению, только пакет CADdy способен выполнить поставленные задачи практически полностью и в соответствии с ЕСКД (хотя это разработка Германии, но система успешно локализована — адоптирована). Если же говорить лишь о выпуске конструкторских документов, то здесь можно успешно применить систему КОМПАС-График 5. Фирма-разработчик системы предлагает специальный конвертер P-CAD -> КОМПАС-График 5. Из системы P-CAD передается PLT-файл трассировки и размещения, а затем этот файл обрабатывается и преобразуется в графическое изображение КОМПАС-График 5. После этого средствами этого пакета производится доработка чертежей и выпуск документации. Аналогичный конвертер разрабатывается для связи КОМПАС-График 5 и ПРАМ 5.3М/РС-97. Связка P-CAD -> КОМПАС-График 5 уже более года успешно используется при разработке радиоэлектронных устройств в Институте метрологии времени и пространства (ИМВП) ГП "ВНИИФТРИ", который занимается созданием эталонных средств измерения времени и частоты [3].

Создание конструктивов 

Здесь разработка может производиться уже в чисто машиностроительных пакетах. Тем более, что по результатам предыдущего этапа имеются сборочные чертежи плат, а иногда и документация на них. На этом этапе выбор систем проектирования гораздо больше. Те, кто уже провел предыдущий этап в пакете CADdy, могут с успехом продолжать работу в нем. Эта система состоит из нескольких специализированных модулей проектирования, в том числе и модуля "Машиностроение". Он помогает успешно решить задачи создания блоков, модулей, шасси, и, как указывалось выше, выпустить комплект конструкторской документации. В качестве примеров использования системы на отечественных предприятиях можно привести опыт Государственного Рязанского Приборного Завода (ГРПЗ) [4], а также работы во ВНИИ ЭФ Российского Федерального ядерного центра [5]. Из отечественных разработок, пожалуй, наиболее удобной является уже упоминавшийся КОМПАС-График 5. Хотя его "основной" областью является машиностроительное проектирование, но наличие в системе развитых возможностей присвоения атрибутов геометрическим объектам и средств выпуска КД с успехом позволяет применять КОМПАС для выпуска КД. Примерами использования системы в рассматриваемой области являются работы в ИМВП ГП "ВНИИФТРИ" [3], ГМЦГИ ГП "ВНИИФТРИ" (создание эталонов в области гидроакустики, геоакустики и т.п.), АО "ГЕАТЕХ" (автомобильная электроника) и др. На российском рынке широко используется разработка минской фирмы "Интермех" — система CADMECH на базе AutoCAD. Конечно, очень много фирм и предприятий используют в своей повседневной деятельности пиратские копии AutoCAD, но мы рассматриваем только работу с лицензионными ПО.

Автор сознает, что список приведенных систем проектирования далеко не полон. Во-первых, существует множество локальных разработок (внутри одного предприятия или в рамках какого-либо министерства), но они не распространены и не могут рассматриваться в качестве коммерческого продукта. Во-вторых, есть специальные, очень мощные (и очень дорогие) иностранные системы, работающие на рабочих станциях под управлением операционной системы UNIX, но они не локализованы для российского потребителя, не соответствуют нашим стандартам и поэтому имеют очень узкую область применения.

Почему же в России нет комплексной (или лучше сказать — сквозной) системы проектирования изделий электронной техники? Автору кажется, ответ прост  — пока что не созрела явная потребность рынка в такой системе, хотя постепенно такая потребность начинает вырисовываться. В советские времена разработка изделий происходила в основном вручную — не существовало еще надежных программных и аппаратных средств. Лишь в 80-е годы на оборонных предприятиях стали появляться отечественные и импортные компьютеры и программы (я говорю об обычных предприятиях, а не о ракетно-космическом комплексе). После начала перестройки и резкого спада в промышленности почти исчез спрос на серьезные разработки с получением рабочей конструкторской документации. Выживали фирмы, быстро переориентировавшиеся на выпуск небольших приборов и систем. При этом произошел серьезный прорыв на пути применения систем проектирования "1 и 2 этапа". Разработка схем и выпуск печатных плат быстро перешел на автоматизированную основу. Однако полный цикл проектирования с выпуском комплекта КД был слишком большой "роскошью". Чертежи и спецификации часто выпускались "на коленке" и так сдавались в производство. Если же предприятию все же было необходимо получить документацию, то ее выпускали "по старинке", на кульманах и очень медленно. Еще одна — и очень существенная причина отставания — отсутствие компьютеризованных баз данных отечественных элементов. Иностранные системы проектирования поставляются уже с довольно развитыми библиотеками элементов. Причем элементы в этих библиотеках имеют не только графическое и текстовое представление, но и математическую модель. Создание отечественных систем влечет за собой и разработку соответствующих библиотек. Работа эта очень объемна и требует существенных инвестиций.

Сегодня в связи с некоторым оживлением в российской промышленности происходит и увеличение объемов конструкторских работ полного цикла, с разработкой и постановкой на серийное производство сложной электронной техники (в том числе по лицензии и импортозамещающей). Кроме того, понемногу поднимаются и предприятия оборонного комплекса (правда, далеко не все). На этих предприятиях наличие КД в соответствии с отечественными стандартами является обязательным для военной приемки. Использование импортных компонентов в данном случае либо невозможно, либо нежелательно.

Дело идет к тому, что очень скоро появится острая необходимость в сквозной системе автоматизированного проектирования.

Сквозная система автоматизированного проектирования

Основной особенностью подобной системы должно быть наличие единой системы атрибутов, присваиваемых различным элементам изделия. Речь не идет пока о единой математической модели изделия, поскольку, на наш взгляд, описать математически работу механики и электроники одновременно на сегодняшний день невозможно. Но в подавляющем большинстве случаев этого и не нужно. 

Как представляется строение такой системы и работа в ней? 

Проектирование начинается совместно схемотехниками и компоновщиками, каждыми в своем модуле. Система должна содержать библиотеки отечественных и импортных компонентов, причем каждый библиотечный элемент (речь идет об электронике) должен обладать следующим набором атрибутов:

• графическое изображение для принципиальной схемы;
• графическое изображение корпуса с выводами;
• математическая модель, учитывающая электрические, магнитные и тепловые параметры;
• текстовые записи обозначения элемента, документа на поставку;
• текстовые записи о поставщиках;
• специальные ключи, которые определяют месторасположение элемента в документации согласно ЕСКД.

Библиотеки могут быть организованы по параметрическим признакам (например, многие резисторы с одинаковым корпусом и поставляемые по одному документу, отличаются только номиналом). В библиотеках должна быть развитая система поиска по одному или нескольким параметрам. Выбранный из библиотеки и установленный в схему элемент не должен терять связь с библиотекой. То есть должна быть организована система ссылок на запись в библиотеке. Это позволит при изменении каких-то параметров библиотечного элемента отслеживать эти изменения в принципиальной схеме изделия и во всей документации, куда был занесен элемент. 

На этом этапе легко получить перечень элементов ХХХ.ХХХХХ.ПЭ3 или заготовки для него. Эти же данные используются для составления спецификации на платы и ведомостей покупных изделий ХХХ.ХХХХХ ВП.

После нахождения схемных и компоновочных решений принципиальная схема передается в модуль проектирования печатных плат. Сюда поступают таблица соединений (полученная на предыдущем этапе) и примерные габариты плат. Описывать работу данного модуля нет необходимости. Результаты трассировки и размещение элементов должны быть представлены в виде чертежей в том формате данных, который "понимает" следующий модуль — проектирование механической части. Параллельно могут выполняться необходимые тепловые расчеты и готовиться задание на станки с ЧПУ для изготовления платы (а также формироваться задание отделу снабжения). Здесь же готовится документация на сборочную единицу платы. На этапе механического конструирования помимо собственно конструирования формируется спецификация на изделие и другие документы с учетом данных по печатным платам. Вообще говоря, модуль создания документации должен быть общим для различных модулей системы (т.е. представлять специфическую базу данных). Подобная база данных IMBASE реализована в пакете CADMECH (Минск). Соответствующий модуль проектирования спецификаций имеется в КОМПАС-График 5 и CADdy.

Нет необходимости создавать такую систему заново. В начале статьи мы уже рассматривали системы, в которых стыкуются первый и второй (P-CAD, OrCad + OrCad Layout plus), либо второй и третий (CADdy) этапы проектирования. Необходимо только доработать некоторые системы, чтобы стыковать их по определенному набору данных, т.е. создать конвертеры. Примером подобной интеграции может служить известная система проектирования SolidWorks, для которой написаны специальные модули тепловых и прочностных расчетов, а также фотовизуализации и анимации. Все подпрограммы стыкуются на уровне математической модели. В нашем случае их необходимо стыковать по набору атрибутов (описанных выше) по моделям описания геометрии.

Примеры использования системы сквозного проектирования

Хотелось бы немного рассказать об организации процесса разработки и выпуска КД на электронное оборудование с помощью связки OrCad + P-CAD + КОМПАС-График 5 в ИМВП ГП "ВНИИФТРИ".

Здесь находится Главный метрологический центр Государственной службы времени и частоты (ГМЦ ГСВЧ) Российской Федерации. ГМЦ ГСВЧ разрабатывает аппаратуру для хранения и воспроизведения государственного эталона времени и частоты, формирует и хранит шкалы времени РФ, участвует в формировании международной шкалы атомного времени, разрабатывает и производит малогабаритные перевозимые водородные стандарты частоты (МПВСЧ).

Несколько рабочих мест КОМПАС было приобретено около года назад. В состав программного комплекса входит чертежно-графический редактор КОМПАС-График, машиностроительная библиотека (содержащая большое количество стандартизованных и нормализованных конструкторских элементов и крепежных деталей), библиотека отрисовки электрических схем, специализированный модуль для связи систем P-Cad и КОМПАС, а также система проектирования спецификаций. Кроме того, специалисты предприятия успешно окончили курс обучения работе с системами КОМПАС, который был проведен непосредственно на рабочих местах и закончился выпуском первых реальных чертежей, сразу отправленных в макетную мастерскую для изготовления деталей. 

Специализированный отдел КБ, разрабатывающий печатные платы и приборы, состоит сейчас из трех человек. Один специалист занимается в основном разводкой сложных плат и подготовкой их производства, а двое других сосредоточены на проектировании шасси, корпусов, размещении приборов в стойках, а также выпускают комплекты КД. 

Одной из первых задач, полностью решенных с применением компьютерных технологий, была разработка и изготовление преобразователя тока. Принципиальные электрические схемы разрабатывают в научно-исследовательских лабораториях ИМВП, затем они передаются в конструкторский отдел. К сожалению схемы пока выполняются вручную, но в комплект КД должен войти документ, оформленный по ЕСКД. Поэтому приходится затратить некоторое время на выпуск чертежа схемы на стандартном бланке. Здесь неоценимую помощь оказывает наличие в КОМПАС-График библиотеки отрисовки электросхем. Результатом самого первого этапа является оформленная схема (рис. 1).

Рис. 1. Схема электрическая принципиальная

Затем специалисты отдела выполняют размещение электрорадиоэлементов будущего устройства с использованием программного комплекса OrCad v.7 для WINDOWS. Здесь же отрисовываются линии связи и с помощью специального модуля определяются электрические соединения между контактами. После этого полученная информация передается через диалоги ИМПОРТ<>ЭКСПОРТ в систему автоматизированной трассировки P-Cad. Результатом работы этой системы являются программы для изготовления фотошаблонов и программы для сверления отверстий на станках с ЧПУ.

Полученные программы для изготовления платы уходят в производство, а конструкторам необходимо получить сборочный чертеж платы, оформить спецификацию, разместить изделие внутри корпуса. Раньше данные перегонялись в AutoCad для DOS, и с помощью этого пакета (с большим трудом) оформлялись соответствующие чертежи. Приходилось выполнять большое количество непроизводительных действий, и скорость работы мало отличалась от скорости ручного вычерчивания. Сейчас, после приобретения КОМПАС-График, работа существенно облегчилась и ускорилась. Очень большое подспорье — утилита перекодировки данных из P-Cad в КОМПАС. Утилита работает по следующему алгоритму:

В КОМПАС-График KSF-файл преобразуется во фрагмент *.FRW, а затем полученное изображение через буфер обмена перебрасывается в чертеж. При этом нужно соблюдать некоторые соглашения, связанные с тем, что все расстояния в P-Cad рассчитывались в дюймах, а цвета линий не совпадают с теми, которые установили при настройке КОМПАС-График. Все преобразования происходят в считанные минуты, и мы получаем заготовку сборочного чертежа платы уже в формате *.CDW.

Теперь остается провести оформление чертежа и расставить позиции. С помощью системы проектирования спецификации производится сопоставление элементов и их позиций с записями в бланке спецификации, причем заполнение разделов выполняется полуавтоматически (с использованием библиотеки атрибутов SPC.LAT, входящей в состав КОМПАС-График). Мы заранее доработали эту библиотеку, внесли в нее шаблоны заполнения текстовых записей. Результат этого этапа  — сборочный чертеж платы, представлен на рис. 2.

Рис. 2. Сборочный чертеж платы

Пока один конструктор оформляет документацию на плату, другой уже использует ее графическое изображение при конструировании корпуса. Здесь также применяются библиотеки фрагментов, созданные ранее. В эти библиотеки заносятся изображения часто применяемых стоек, кронштейнов, угольников, ручек, замков, специальных крепежных деталей и других элементов. При проектировании корпусов довольно часто применяются стандартизованные конструктивы (их чертежи также постепенно переводятся в электронный архив).

Постепенно прибор приобретает законченные очертания. В процессе конструирования приходится на ходу вносить в изделие изменения, делать разные доработки и исправления, которые появляются в ходе согласования с работниками научных лабораторий. Мощные редакторские возможности КОМПАСа делают этот процесс неутомительным и быстрым. 

Заканчивается и этот этап.  Общий вид прибора показан на рис. 3.

Рис. 3. Общий вид прибора

Также подготовлены и спецификации на изделия, входящие в состав прибора. 

CADdy в во ВНИИ ЭФ ФЯЦ 

Система CADdy используется в отделе радиоэлектроники и систем управления НТЦ ВНИИ экспериментальной физики Российского Федерального ядерного центра. Отдел создает высоконадежные системы управления на основе разработанных базовых модулей, генераторы, усилители и преобразователи излучения в различных частотных диапазонах. Причем существенное место в создании электронной аппаратуры занимает производство печатных плат. После поиска наиболее приемлемой системы проектирования выбор пал на CADdy. Эта система наиболее близка к полнофункциональной сквозной системе проектирования. Она построена по модульному принципу и включает в себя модуль отрисовки принципиальных схем, модуль автоматизированного размещения элементов на плате с автоматизированной трассировкой проводника, модуль механического проектирования и систему выпуска КД. При отрисовке электросхем пользователь не только получает графический документ, но одновременно заполняет базы данных для формирования перечня элементов, спецификации и ведомости покупных изделий. Кроме того, система формирует электрические связи между элементами, что используется при трассировке. Элементы, хранящиеся в базе данных системы, включают в себя не только символы логического элемента, но также и символы корпусов, что используется при автоматизированном размещении. Для каждого вывода логического элемента установлено его соответствие контактной площадке или выводу корпуса. Также можно вводить значения электрических параметров для вводимых элементов — емкости и напряжения для конденсаторов, номинала и мощности резисторов и т.п. Система может автоматически присваивать вводимым элементам номера позиций. При формировании базы данных можно вносить в нее обозначение стандартов и технических условий. 

Важной особенностью системы является возможность быстрого сквозного внесения изменений на любом этапе проектирования и производства печатной платы. Вообще, проектировщик имеет возможность редактировать результаты автоматизированных этапов, внося свои — специфические — изменения. Пакет может работать как с векторной, так и с растровой графикой. 

Принцип построения базы данных CADdy EDS позволяет создавать законченный проект, который включает в себя принципиальную схему, печатную плату и всю выходную документацию в режиме реального времени и в рамках единого проекта. (Более подробно о применении системы см. [4],[5])

Конечно, эта статья не может служить техническим заданием на проектирование CAD-системы, поскольку представляет собой как бы взгляд "сверху" конечного пользователя (который знает, что он хотел бы получить от системы, но не представляет всех "подводных камней"). Вполне возможно, что кто-то уже реализовал подобную сквозную систему проектирования (но, к сожалению, об этом нам ничего не известно). Мы приглашаем продолжить обсуждение тем, поднятых в статье.

Литература

1. Б.Дикарев. "САПР в радиоэлектронике для ПК: проблема выбора", "САПР и Графика",10'98.
2. Юрий Маркаров. "ПРАМ5.3М/РС-97 — новое поколение отечественной САПР печатных плат под WINDOWS", "САПР и Графика",7'98.
3. В.А.Синенко, Л.В.Теверовский. "КОМПАС шагает в ногу со "ВРЕМЕНЕМ". Информационные материалы АСКОН, апрель 2000.
4. Ю.Зеленюк и др. "Опыт комплексной модернизации проектирования и производства печатных плат", "САПР и Графика",7'98.
5. В.Мангоянов и др. "Применение CADdy EDS в новой технологии изготовления электронных приборов", "САПР и Графика",11'99.
6. И.Николаева и др. "Приложения КОМПАС в проектировании электротехнических устройств", "САПР и Графика", 3'2000.