Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Учебное пособие 800120

.pdf
Скачиваний:
3
Добавлен:
01.05.2022
Размер:
541.17 Кб
Скачать

Н. Э. Самойленко, В.С.Скоробогатов

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ САПР

Учебное пособие

Воронеж 2003

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Воронежский государственный технический университет

Н. Э. Самойленко В. С. Скоробогатов

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ САПР

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2003

УДК 621.3:681.3

СамойленкоН.Э., СкоробогатовВ.С. Теоретические основы САПР.: Учеб. пособие. Воронеж: Воронеж. гос.

техн. ун-т, 2003. 85 с.

В учебном пособии рассматриваются основы теории автоматизированного проектирования, включая общие принципы построения САПР, виды обеспечения САПР, методы решения инженерных задач анализа и параметрической оптимизации в задачах проектирования конструкций и технологических процессов производства радиоаппаратуры. Изложение теоретического материала сопровождается примерами, иллюстрациями и вопросами для самопроверки в объеме, достаточном для самостоятельного изучения дисциплины. Учебное пособие соответствует требованиям государственного образовательного стандарта по специальности 200800 “Проектирование и технология РЭС”. Учебное пособие предназначено для студентов специальности по дисциплинам “Основы САПР”, “Информационные технологии проектирования электронных средств” дневной и заочной формы обучения. Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе Microsoft Word и содержится в файле САПР.doc.

Ил. 7. Библиогр.: 8 назв. Научный редактор д-р техн. наук, проф.,

академикМАИ А.В.Муратов Рецензенты: НТС ОАО Электросигнал,

главный инженер А. Д. Верѐвкин д-р. техн наук, проф. Н.И.Баранников

© Самойленко Н. Э., Скоробогатов В.С., 2003

Оформление. Воронежский государственный технический университет, 2003

ВВЕДЕНИЕ

Всовременных условиях всѐ более возрастает потребность в электронных средствах с высокими техникоэкономическими характеристиками, способных работать в сложных условиях при наличии различных воздействий: температуры, влаги, механических нагрузок, что приводит к значительному усложнению РЭС и к увеличению сроков проектирования.

Вусловиях быстрого развития технического прогресса это приводит к быстрому старению РЭС, вплоть до того, что разработанное изделие морально устаревает до начала его серийного выпуска. Дробление задачи на более простые и увеличение штата разработчиков не дало хороших результатов из-за возникающих неувязок, нестыковок и согласований, трудностей управления большим коллективом. Только применение ЭВМ позволило решить данную проблему, сократив время и повысив качество проектирования.

При этом решение проблемы автоматизации проектирования заключается не в ускорении расчетов до уровня, обеспечивающего перебор всех вариантов, а в разработке и применении методов моделирования и оптимизации (прежде всего вероятностно-статистических) для организации направленного поиска варианта, наилучшим образом удовлетворяющего требованиям технического задания (ТЗ) без анализа всех возможных решений /1/.

Поэтому актуальной задачей для будущего специалиста конструктора-технолога РЭС является овладение теоретическими знаниями, практическими навыками и умениями выполнения задач деятельности по экспериментально - статистическому исследованию, моделированию и оптимизации, обеспечению качества и

3

надежности РЭС, а также освоение методологии автоматизированного проектирования конструкций и технологических процессов производства РЭС, способов формирования и реализации основных видов обеспечения САПР, а также получение навыков практического решения типовых задач конструкторско-технологического проектирования методами и средствами САПР.

1. КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ САПР

Цель автоматизации проектирования - повысить качество, снизить материальные затраты, сократить сроки проектирования и ликвидировать рост количества инженерно-технических работников, занятых проектированием. Процесс ее становления, разработка теории и методов, а также обобщение практических достижений продолжается и в настоящее время. Сейчас под автоматизацией проектирования понимается систематическое применение ЭВМ в процессе проектирования при научно обоснованном распределении функций между проектировщиком и ЭВМ и при научно обоснованном выборе методов машинного решения задач. Наилучшая форма организации процесса автоматизации проектирования достигается при применении систем автоматизированного проектирования (САПР). В ГОСТ 23501.0-79 "Система автоматизированного проектирования. Основные положения" дано следующее определение САПР: "САПР представляет собой организационно-техническую систему, состоящую из комплекса средств автоматизации проектирования, взаимосвязанного с подразделениями проектной организации и выполняющую автоматизированное проектирование".

САПР состоит из нескольких составных частей (видов обеспечения), называемых (ГОСТ 22.487-77):

4

математическое,

программное,

лингвистическое,

информационное,

техническое,

методическое

и

организационное

обеспечение.

Математическое,

лингвистическое,

информационное

и

программное

обеспечения обычно объединяются

в

программно-

информационное обеспечение, которое в

конечном итоге

воплощается в виде программ и сопровождающей документации. На практике на программноинформационное обеспечение, как правило, приходится основная трудоемкость разработки САПР (до 75%). Организационное обеспечение и методическое обеспечение часто объединяют вместе и называют организационно - методическое обеспечение. Оно включает в себя весь комплекс обеспечивающих мероприятий, а также

техническую

документацию, регламентирующую

и

организующую

процесс

автоматизированного

проектирования применительно к условиям конкретной проектной организации.

Система автоматизированного проектирования (САПР) - это комплекс средств автоматизации проектирования, взаимосвязанных с необходимыми подразделениями проектной организации или коллективом специалистов (пользователями системы). Участие человека в процессе проектирования является фактором, определяющим отличие автоматизированной системы от автоматической.

Разработка САПР представляет собой крупную научно-техническую проблему, а внедрение САПР требует значительных капиталовложений. В настоящее время уже создан ряд САПР: системы, функционирующие в радиопромышленности, в электронной промышленности, в машиностроении, в строительстве и в других отраслях. Опыт разработки САПР позволяет выделить следующие принципы их построения.

5

1.САПР - это человеко-машинная система.

2.САПР - это иерархическая система, реализующая

комплексный

подход к автоматизации всех уровней

проектирования.

 

3.САПР - это совокупность информационно согласованных подсистем.

4.САПР - это открытая и развивающаяся система.

5.САПР - специализированная система с максимальным использованием унифицированных модулей.

6.САПР - это система, совмещающая традиционное

иавтоматизированное проектирование.

По назначению САПР, в общем случае, подразделяют на следующие: уникальные, универсальные, комплексные и специализированные.

Уникальные САПР - это САПР, создаваемые для проектирования сложных объектов (например, для проектирования ЭВМ с предельными характеристиками), и выполняющие задачу обеспечения заданных сроков и качества разработки.

Универсальные САПР - это САПР, создаваемые для проектирования широкого класса объектов (например, блоков и стоек РЭС). Такие САПР могут быть настраиваемыми по ряду характеристик (по виду технологии изготовления, по виду базовой конструкции) и "жесткой" структуры, рассчитанной на определенные характеристики проектируемых изделий. Универсальность таких САПР подразумевает наличие в них типового ядра, которое может адаптироваться к условиям различных предприятий при той или иной степени доработки.

Комплексные САПР - это САПР, предназначенные для проектирования изделий высокой функциональной и технологической сложности (например, элементной базы РЭС). При этом центр тяжести проблемы перемещается на

6

разработку моделей физических процессов, происходящих в изделиях, в то же время необходимо сопряжение с технологическим оборудованием, на котором производится изготовление изделий.

Специализированные САПР - это САПР, создаваемые под отдельные виды работ (например, проектирование печатных плат или микросборок и т.д.). Они носят наиболее массовый характер и могут строиться на различных средствах вычислительной техники, но всегда увязываются с технологическим оборудованием, предназначенным для изготовления и контроля РЭС.

Вопросы для самопроверки

1.Дайте определение САПР.

2.Перечислите принципы построения САПР.

3.Перечислите и охарактеризуйте виды обеспечения

САПР.

4. Дайте классификацию САПР по назначению и по уровням.

2.ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР

2.1.Состав и назначение комплексов технических средств автоматизации проектирования

САПР - это совокупность средств и методов для осуществления автоматизированного проектирования, состоящих из следующих видов обеспечения: технического, программного, математического, информационного, лингвистического, методического и организационного [1].

Базовыми

средствами,

с

помощью

которых реализуются другие виды

обеспечения САПР,

 

7

 

 

являются технические средства, а основой технических средств является ЭВМ. Традиционная форма использования ЭВМ, сконцентрированных в вычислительном центре и работающих в пакетном режиме, не годится для автоматизированного проектирования. ЭВМ лишь тогда станет регулярно используемым инструментом проектирования, когда инженер-проектировщик сможет оперативно обращаться к машине и также оперативно получать результаты решения. При этом эффективное взаимодействие инженера с ЭВМ будет обеспечено только в случае, если форма вводимой и выводимой информации удобна для человека и не приводит к необходимости выполнять обременительные и чреватые ошибками операции по кодированию или расшифровке сообщений. В зависимости от характера решаемых задач удобными формами представления информации могут быть таблицы, чертежи, графики, текстовые сообщения и т. д.

В связи с указанным, к техническому обеспечению автоматизации проектирования предъявляются следующие

требования [6]:

 

 

 

удобство

использования

инженерами-

проектировщиками,

возможность

оперативного

взаимодействия инженеров с ЭВМ;

 

 

достаточная

производительность

и

объем

оперативной памяти ЭВМ для решения задач всех этапов проектирования за приемлемое время;

возможность одновременной работы с техническими средствами необходимого числа пользователей для эффективной деятельности всего коллектива разработчиков; открытость комплекса технических средств для расширения и модернизации системы по мере прогресса

техники; высокая надежность, приемлемая стоимость и т. д.

Удовлетворение перечисленных требований возможно

8

только в условиях организации технического обеспечения в виде специализированной вычислительной системы, допускающей функционирование в нескольких режимах. Такое техническое обеспечение называют комплексом технических средств САПР. Первое из указанных требований к техническим средствам (ТС) САПР обусловливает включение в комплекс ТС как стандартного комплекта внешних устройств ЭВМ, так и дополнительных устройств оперативного ввода-вывода информации,

в том числе в графической форме. Этот комплекc внешних устройств устанавливается в помещении проектного подразделения и называется автоматизированным рабочим местом (АРМ) проектировщика.

Состав АРМ зависит от характера задач, решаемых в проектном подразделении. Так, для инженеров, занятых функционально - логическим проектированием, и инженеров-конструкторов оптимальный состав внешних устройств неодинаков. Действительно, конструкторы в значительно большей мере связаны с обработкой информации в виде чертежей, для них важно наличие развитых средств машинной графики.

В расширенном составе АРМ, кроме самой ЭВМ должны присутствовать следующие технические средства: устройства ввода и вывода как алфавитно-цифровой, так и графической информации; запоминающие устройства на магнитных дисках (НМД) и магнитной ленте (НМЛ); алфавитно-цифровой дисплей; графический дисплей; графопостроитель и некоторые другие по мере необходимости.

Комплекс технических средств предназначен для решения в процессе проектирования следующих задач: ввод исходной информации об объекте и необходимых процедурах проектирования, отображения, преобразования

и

хранения

информации,

создание условий для

 

 

9

 

эффективного диалога пользователя системой, документирование проектных решений и некоторых других.

До недавнего времени основная масса задач автоматизации проектирования решалась на машинах класса мини-ЭВМ. Большие машины применялись заметно реже из-за снижения эффективности их работы в интерактивном режиме, используемом для обеспечения диалога проектировщика с ЭВМ, а персональным ЭВМ (ПЭВМ) не хватало вычислительных ресурсов для решения таких задач [4]. Значительное увеличение вычислительной мощности (быстродействия, объема памяти, снижения стоимости) персональных ЭВМ, наличие высококачественного программного обеспечения привело к резкому изменению такого положения в области технических средств САПР, то есть привело к широкому использованию ПЭВМ для автоматизации проектирования. Были разработаны и выпускаются различные периферийные устройства с высокими техническими характеристиками.

2.2. Общая характеристика ПЭВМ и их технических средств

Основой комплекса технических средств автоматизации проектирования является ЭВМ. Любая ЭВМ, в том числе и ПЭВМ, представляет собой сложную систему взаимосвязанных технических средств, способных принимать, хранить, перерабатывать и выдавать информацию с помощью вычислительных и логических операций по определенному алгоритму или программе. Здесь и далее под техническими средствами понимается оборудование ПЭВМ, участвующее в автоматизированной обработке данных.

Решение задач на ПЭВМ (вычислительный процесс) проводится по определенным правилам. Любая задача,

10

подготавливаемая для решения на ПЭВМ, представляется в

С

помощью

периферийных

устройств

виде одной или многих математических зависимостей.

осуществляется связь центральных устройств ПЭВМ с

Кроме исходных данных, вводимых в ПЭВМ при решении

различными

«поставщиками»

и

«потребителями»

задачи,

 

возникает необходимость в использовании

информации. Функции периферийных устройств до-

алгоритма - совокупности точных предписаний (правил),

статочно сложны, однако среди них можно выделить две

определяющих вычислительный процесс. Программа,

основные: хранение информации на различных носителях

представляющая собой алгоритм решения задачи,

данных и преобразование ее согласно функциям,

записанный на каком-либо формализованном языке,

выполняемым устройством. В периферийные устройства

определяет, какие действия и в какой последовательности

включают устройства ввода-вывода и внешнюю память.

должна выполнить машина над исходными данными и

К техническим средствам ввода информации в

промежуточными результатами. Информация обычно пред-

ПЭВМ относятся клавиатура - устройство ввода текста,

ставляется и обрабатывается

двоичными словами конечной

чисел и управляющей информации в основную память, а

длины - 8, 16 или 32 бит.

 

 

 

также устройства ввода алфавитно-цифровой, графической

 

Для выполнения процесса вычислений в состав

и речевой информации, например манипуляторы,

ПЭВМ включаются устройства, каждое из которых имеет

планшеты, сканеры и др.

 

 

 

 

вполне определенные функции, т. е. является

К техническим средствам вывода информации из

функционально законченной частью системы технических

ПЭВМ относятся знакорегистрирующие и графические

средств (рис.2.1). Данные устройства принято разделять на

регистрирующие устройства - устройства печати и графопо-

центральные и периферийные. Процессор и основная

строители, а также устройства вывода информации в

память являются центральными устройствами ПЭВМ.

речевой форме - синтезаторы речи. Устройства

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

отображения информации - дисплеи (видеомониторы) на

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

электронно-лучевых трубках (ЭЛТ) или на других

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

индикаторах - предназначены для отображения визуальной

 

 

 

 

ОСНОВНАЯ ПАМЯТЬ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

информации (текстов, чисел, графических изображений или

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Процессор

 

 

 

 

 

 

 

 

 

других результатов работы).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Устройства внешней памяти ПЭВМ также выполняют

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Внешняя

 

Устрой-

 

Устрой-

 

функции двустороннего обмена информацией и служат для

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

память

 

ства

 

ства

 

постоянного хранения программ и данных. Однако они

 

 

 

 

 

ввода

 

вывода

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

представляют область памяти, к которой процессор

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

непосредственно обращаться не может.

 

 

Рис. 2.1. Упрощенная структурная схема ПЭВМ

Для

того, чтобы

использовать

информацию,

хранящуюся во внешней памяти, ее необходимо

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В

ПЭВМ может

использоваться несколько

предварительно передать в основную (внутреннюю) память.

К техническим средствам внешней памяти относятся

процессоров, один из которых является центральным (ЦП).

12

11

накопители на гибких (НГМД) и жестких (НЖМД) магнитных дисках, магнитных лентах (НМЛ), магнитных картах (НМК), запоминающие устройства на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД) и др. Такие устройства называют также внешними (ВЗУ).

Связь всех функциональных устройств ПЭВМ определяется совокупностью правил и средств, устанавливающих единые принципы их взаимодействия, - интерфейсами.

Устройства объединены внутрисистемным интерфейсом и взаимодействуют по адресному принципу: все подчиненные устройства и их составные части имеют конкретные адреса, по которым к ним обращаются устройства, выполняющие функции управлений. Для связи процессора с периферийными устройствами используются специальные устройства сопряжения и обмена - адаптеры (каналы). По каналам осуществляется передача сигналов между частями ПЭВМ. Общий канал для всей ПЭВМ часто называют системной шиной, подчеркивая, что по данному каналу взаимодействуют все устройства, входящие в вычислительную систему [7].

Центральной частью ПЭВМ является системное устройство (системный блок), состоящее из центрального процессора, оперативной и постоянной памяти, адаптеров. Кроме него в базовый (минимальный) комплект ПЭВМ входят также периферийные устройства: клавиатура, видеомонитор, накопители информации, печатающее устройство. Поскольку без вышеперечисленных периферийных устройств нормальное функционирование ПЭВМ невозможно, то эти устройства также называют системными. Более того, в большинстве конструкций ПЭВМ системное устройство реализуется совместно с накопителями в едином

13

конструктивном блоке, а в некоторых случаях в состав системного блока включают также клавиатуру и дисплей.

Внеобходимых случаях, например в

профессиональных ПЭВМ, рабочих станциях, комплект технических средств может быть расширен путем подключения дополнительных устройств, как центральных, так и периферийных. К дополнительным периферийным устройствам обычно относят:

1)графические устройства ввода, включая манипуляторы различных типов, обеспечивающие ввод графических координат для последующей обработки средствами машинной графики, а также графические планшеты и сканеры;

2)графопостроители, используемые для построения чертежей и других графических и текстовых документов с высокой точностью отображения;

3)устройства получения твердой копии, позволяющие получать на бумаге копии изображений (в том числе и цветных) с экрана дисплея;

4)модемы для связи ПЭВМ с линиями передачи

данных;

5)контроллеры локальных сетей и др.

Современные технические средства ПЭВМ позволяют создавать достаточно мощные вычислительные системы самого разного назначения: автоматизированной обработки данных, управления, автоматизации проектирования и производства, обучения и т. д.

2.3. Устройства ввода графической информации

2.3.1. Общие сведения Важное значение для профессиональных ПЭВМ

имеет возможность использования в них средств машинной

14

графики, т. е. аппаратуры, методов и приемов для преобразования с помощью ПЭВМ данных в графическое представление, и наоборот - графического представления в данные. В частности, рабочие станции различного назначения на базе ПЭВМ, используемые, например, в издательском деле, медицине, архитектуре, электронике, экономике, системах технического зрения и особенно в САПР, как правило, снабжаются графическими устройствами ввода-вывода.

Наиболее быстрые и эффективные преобразования элементов графических изображений в соответствующие им цифровые коды координат вводимых точек (дискретизация изображения) и ввод этих кодов в ПЭВМ осуществляются графическими устройствами ввода (иногда их называют графоповторителями).

Процесс преобразования графической информации в цифровую форму состоит из двух этапов - считывания и кодирования.

При считывании распознается графический элемент (точка, линия, элементарный фрагмент) и определяется его координата в принятой системе координат. Считанная информация при кодировании по определенным правилам принимает вид цифрового кода.

Объем цифровой информации, описывающей эти операции, велик. Это обусловливает повышенные требования к памяти ПЭВМ (емкости и быстродействию), необходимо также достаточно развитое и дорогостоящее специальное программное обеспечение.

Стоимость графических устройств ввода оказывается зачастую сравнимой со стоимостью базового комплекта

ПЭВМ, а иногда и превышает ее

 

Основными

характеристиками

графических

устройств ввода являются размеры рабочего поля, скорость

и

точность

считывания,

тип

интерфейсов,

 

 

15

 

 

энергопотребление, надежность, массогабаритные характеристики, стоимость и др.

Под рабочим полем понимается поверхность графического устройства ввода, в пределах которой осуществляется считывание, ограниченная минимальными имаксимальными значениями координат по каждой из осей. Размер рабочего поля оказывает существенное влияние на другие характеристики графического устройства ввода.

Различают аппаратную и реальную скорости преобразования информации.

Аппаратная скорость - это максимальная скорость считывания, т. е. число пар координат, формируемых графическим устройством ввода за единицу времени.

Реальная скорость преобразования может отличаться от аппаратной, например в полуавтомагических устройствах она определяется темпом работы пользователя.

Точностными характеристиками являются погрешность считывания, разрешающая способность (дискретность) и повторяемость.

Погрешность считывания определяет максимальное отклонение значений координат точки от истинного по всему рабочему полю графического устройства. Разрешающая способность характеризует кратчайшее расстояние между двумя точками на каждой оси координат графического устройства ввода, результаты измерения которых различаются на единицу младшего разряда цифрового кода.

Повторяемость - это максимальный разброс результатов измерения координат в любой точке рабочего поля по отношению к их среднему значению.

Минимальное значение повторяемости равно по модулю разрешающей способности.

2.3.2. Основные характеристики и классификация

16

Графические устройства ввода подразделяются по способу ввода (автоматизации поиска и выделения изображения) на полуавтоматические и автоматические.

Вполуавтоматических графических устройствах ввода поиск и выделение элементов изображения производятся пользователем с помощью специального органа съема - указателя координат, щупа, визиря, датчика

ит.п., а преобразование выделенного пользователем элемента - кодирование - автоматически специальным электронным блоком. Полуавтоматические устройства имеют рабочее поле (планшет или стол), на котором размещается документ.

Вавтоматических устройствах преобразование производится без участия пользователя - либо сканированием всей поверхности носителя графической информации, либо слежением за линией или границей с различной яркостью и цветностью.

2.3.3. Полуавтоматические графические устройства ввода

Для представления сложных графических изображений используются полуавтоматические графические устройства ввода. В настоящее время они имеют широкую номенклатуру и применяют достаточно простые методы считывания, снижающие их стоимость и повышающие надежность.

По совокупности основных параметров различают четыре типа полуавтоматических графических устройств ввода:

1)для выполнения работ, требующих высокой точности ввода, например по картографии, топографии, обработке аэрофотоснимков;

2)для использования в составе САПР при разработке топологии БИС и печатных плат;

17

3)для работы в графических рабочих .станциях для совместной работы с графическими дисплеями;

4)используемые в составе учебных, бытовых и других ПЭВМ, позволяющих выполнять деловую, учебную

идемонстрационную графику, а также обработку текстовой документации.Основные требования к характеристикам графических полуавтоматических устройств ввода определены в ГОСТ 24593-87 «Устройства ввода графические для электронных вычислительных машин».

По принципу определения координат полуавтоматические графические устройства ввода подразделяют на электромеханические, оптомеханические, сеточные (индукционные, емкостные), резистивные, звуковые, ультразвуковые, магнитострикционные и др.По конструктивному исполнению различают электромеханические устройства с подвижной координатной системой и электронные со свободно перемещаемым указателем координат (манипулятором). Наибольшее распространение получили полуавтоматические графические устройства ввода второго типа. Они выполняются в виде планшета, на поверхности которого размещается документ, и электронного устройства управления и преобразования информации.

Устройство управления определяет координаты, изменяет масштаб, систему координат, осуществляет упаковку в стандартный формат, сопряжение с ПЭВМ и др. Современные устройства управления на микропроцессорах, кроме кодирования, выполняют дополнительные функции, например предварительную обработку информации, ее контрольное отображение, редактирование, уплотнение, запись на внешние носители.

В некоторых специальных случаях используются графические планшеты с электромагнитным сеточным методом оцифровывания, поскольку другие методы

18