1. Системы автоматизированного проектирования в электронике.

В электронике САПР имеют примерно 40-летнюю историю, первые программы анализа электронных схем и проектирования печатных плат появились в начале 60-х годов XX века. Значительным стимулом для развития автоматизации проектирования в электронике (EDA – Electronics Design Automation, ECAD – Electronics Computer Aided Design) стали разработка и развитие технологии интегральных схем.

В электронике наиболее наукоемкими процедурами, насыщенными сложным математическим обеспечением, являются процедуры проектирования СБИС. Проектирование СБИС многоуровневое, каждый уровень характеризуется своим математическим обеспечением (МО). Можно выделить следующие уровни проектирования СБИС:

-        системный;

-        функционально-логический;

-        схемотехнический;

-        конструкторский.

На верхнем, системном (или поведенческом) уровне оперируют алгоритмами, которые должны быть реализованы в СБИС, которые выражают поведенческий аспект проектируемого изделия. Алгоритмы, как правило, представляют на языках проектирования аппаратуры (HDL – Hardware Description Language).

На функционально-логическом уровне выполняется синтез функциональной схемы (ФС) (так называемый уровень регистровых передач), состоящей из различных функциональных блоков: регисторв, операционных устройств, мультиплексоров и т.п., и преобразование ФС в схемы вентильного уровня. На вентильном уровне используются библиотечные элементы: И, ИЛИ, И-НЕ, и др.

Основными языками HDL, которые используются на системном и функционально-логическом уровнях, являются VHDL и Verilog.

Процедуры схемотехнического проектирования обычно непосредственно не входят в маршрут проектирования СБИС. Они применяются в основном при отработке библиотек функциональных компонентов СБИС.

К процедурам конструкторского проектирования относят планирование кристалла (разрезание и компоновка), размещение компонентов и трассировку соединений (канальная трассировка).

В силу большой сложности задач структурного синтеза, для их эффективного выполнения обычно используют специализированные программы, ориентированные на ограниченный класс проектируемых схем. Характерные особенности проектирования имеют микропроцессоры и схемы памяти, заказные БИС, в том числе программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС).

 В настоящее время при проектировании, например, микропроцессора, разработчики могут воспользоваться микропроцессорным ядром, разработанным другой фирмой (например, по лицензионному соглашению). Топологию памяти для этого же кристалла можно приобрести у другой фирмы, специализирующейся на так называемых компиляторах памяти.

Важной проблемой при проектировании является обеспечение возможности всестороннего тестирования микросхем, актуальность проблемы тестирования обусловлена малым числом внешних выводов СБИС, то есть ограниченной управляемостью и наблюдаемостью СБИС. Синтез и анализ тестов занимают до 35% времени в цикле проектирования СБИС. Для осуществления тестирования или самотестирования на кристалле размещают дополнительные функциональные блоки.

Современные САПР СБИС состоят из большого числа программ, различающихся ориентацией на различные проектные процедуры и типы схем. Наиболее известными разработчиками интегрированных САПР для СБИС являются фирмы Synopsys, Cadence Design Systems, Mentor Graphics. Наряду с ними отдельные программы, предлагают многие фирмы, работающие в области ECAD.

Компания Synopsys известна, прежде всего, своими программами, ориентированными на синтез цифровых и аналоговых схем, и так называемых «систем на кристалле» (то есть реализация на одном кристалле всех функций устройства, как аналоговых, так и цифровых, например, портативный компьютер, или система сбора данных).

Фирма Mentor Graphics предлагает продукты для разработки интегральных схем (ИС), специализированных ИС, сигнальных процессоров (DSP- Digital Signal Processing), печатных плат и многокристальных модулей, механических узлов.

Области интересов компании Cadence Design Systems – проектирование печатных плат, моделирующие системы, проектирование ИС, DSP.

Среди программного обеспечения проектирования печатных плат для платформы PC на Российском рынке хорошо известны система OrCAD, программы SPECCTRA и PCB Design Studio фирмы Cadenece. В настоящее время программа SPECCTRA является наиболее мощным из доступных средств авторазмещения и трассировки для платформы PC, система OrCAD почти не развивается, хотя в ней имеются средства для моделирования, разработки устройств на ПЛИС и интерфейс с программой SPECCTRA.

Еще одним известным производителем САПР печатных плат является австралийская фирма Altium. Наиболее известные продукты этой фирмы система сквозного проектирования Protel DXP и система проектирования печатных плат P-CAD. Пакет Protel обеспечивает сквозной цикл проектирования смешанных аналого-цифровых печатных плат с использованием программируемой логики фирм Altera и Xilinx. Несмотря на приоритетное развитие системы Protel DXP, фирма Altium продолжает развивать и систему P-CAD,  которая остается достаточно популярной в России, в силу приверженности этому названию (которое было у системы PCAD 4.5, фирмы CADAM company, прекратившей существование).

Конструкторское проектирование включает в себя также задачи анализа механической прочности (в том числе и печатных плат), тепловых режимов, и электромагнитной совместимости (EMC). Для реализации этих расчетов, предлагаются специализированные продукты, хотя некоторые пакеты сквозного проектирования имеют собственные модули, например в системе MentorBoardStation, компании Mentor Graphics имеются модули анализа EMC и теплового моделирования. Из российских программ следует отметить коммерческий пакет теплового моделирования ТРИАНА (АСОНИКА-Т), разработанный специалистами Московского Государственного Института Электроники и Математики. В состав пакета входит редактор, позволяющий формировать геометрическую модель печатной платы или гибридной интегральной схемы, а также специализированный модуль подготовки тепловых моделей. Программа имеет интерфейс с современными САПР печатных плат: PCAD, Protel, OrCAD, SPECCTRA.

Важным этапом проектирования печатных плат является подготовка уже разработанного проекта к производству, для этого предназначены так называемые CAM (Computer Aided Manufacturing) системы. В задачи САМ систем входит проверка на соответствие проекта технологическим нормам имеющегося оборудования, формирования управляющих файлов для фотоплоттеров для получения фотошаблонов, генерация управляющих файлов для станков с ЧПУ для сверления отверстий, а также для оборудования автоматического тестирования печатных плат и автоматической расстановки элементов.  И хотя большинство систем проектирования печатных плат имеют встроенные средства генерации таких файлов, тем не менее, имеется ряд задач, которые необходимо выполнять в специально предназначенных для этого продуктах. На российском рынке из подобных систем наиболее известна программа CAM350 компании Dawnstream Technologies. Можно отметить также программу САМtastic, которая поставляется в комплекте с пакетами PCAD 2002, Protel DXP.

В области автоматизации схемотехнического проектирования наибольшее распространение получили варианты программы Spice. Она была разработана в Беркли в 1972 году, версии для персональных компьютеров имеют название PSpice. Сейчас она входит в комплекты проектирования различных фирм, например, в систему OrCAD 9.2 (Cadence Design Systems), систему DesignLab 8.0 фирмы MicroSim (прекратила существование после слияния с Cadence). В программе Pspice предусмотрены статический, динамический и частотный виды анализа, смешанное аналого-цифровое моделирование, расчет на наихудший случай и шумовой анализ, статистический и спектральный анализ.

На российском рынке, кроме упомянутых систем, также получили распространение программы Micro-Cap фирмы Spectrum Software, Electronics Workbench фирмы Interactiv Image Technology и Microwave Office фирмы Applied Wave Research (AWR). Программа MicroCap позволяет проводить все стандартные виды анализа, оптимизацию параметров, синтез фильтров, и достаточно проста в освоении, что позволяет её рекомендовать для изучения систем схемотехнического проектирования.  Отличием программы Electronics Workbench является изображение на экране дисплея различных измерительных приборов (осциллографов, частотомеров, вольтметров, спектроанализаторов), тем самым еще более упрощая освоение работы с программой (не нужно создавать задания на моделирование). Система Microwave Office позволяет моделировать СВЧ-устройства, заданные как в виде принципиальных, так и функциональных схем.

2. Системы автоматизированного проектирования в машиностроении.

2.1 Основные функции и проектные процедуры, реализуемые в САПР машиностроения.

В состав развитых машиностроительных САПР входят в качестве составляющих системы CAD (Computer Aided Design), CAM (Computer Aided Manufacturing), и CAE (Computer Aided Engeneering).

Функции CAD систем в машиностроении подразделяют на функции двумерного и трехмерного моделирования. К функциям 2D относят черчение, оформление конструкторской документации (КД). К функциям 3D относят получение трехмерных геометрических моделей, метрические расчеты, взаимное преобразование 2D и 3D-моделей.

Среди CAD различают системы нижнего, среднего и верхнего уровня. Первые из них (легкие), ориентированы преимущественно на 2D-графику, сравнительно дешевы, платформой для них являются персональные ЭВМ. Системы верхнего уровня (тяжелые) дороги, более универсальны, ориентированы на геометрическое твердотельное и поверхностное 3D-моделирование, оформление чертежей в них происходит обычно после разработки трехмерных моделей. Системы среднего уровня занимают промежуточное положение между «легкими» и «тяжелыми» системами.

К важным характеристикам CAD-систем относятся параметризация и ассоциативность.

 Параметризация предусматривает использование геометрических моделей в параметрической форме, то есть при представлении параметров объекта не константами, а переменными. При этом появляется возможность включения параметрической детали в модель сборочного узла с автоматическим определением размеров детали, диктуемых пространственными ограничениями.

Пространственные ограничения в виде математических зависимостей между параметрами моделей сборки отражают ассоциативность моделей.

Благодаря параметризации и ассоциативности изменения, сделанные конструктором в одной части сборки, автоматически переносятся в другие части, вызывая изменения геометрических размеров в этих частях.

К основным функциям CAM систем относятся синтез управляющих программ для технологического оборудования с ЧПУ, моделирование процессов обработки, в том числе построение траекторий относительного движения инструмента и заготовки, расчет норм времени обработки.

Функции CAE-систем довольно разнообразны (инженерные расчеты):

-        моделирование полей физических величин, например, поля напряжений при расчете прочности (выполняется методом конечных элементов (МКЭ)), или температурного поля;

-        расчет состояний моделируемых объектов и переходных процессов в них;

-        имитационное моделирование сложных производственных систем на основе моделей массового обслуживания и сетей Петри.

2.1 Примеры САПР машиностроения.

 К числу мировых лидеров в области CAD/CAM/CAE-систем верхнего уровня относятся системы Unigraphics фирмы EDS и Pro/Engineer фирмы PTC.

Система Unigraphics – универсальная система геометрического моделирования и конструкторско-технологического проектирования, в том числе разработки больших сборок, прочностных расчетов и подготовки конструкторской документации.

Значительно дешевле обходится приобретение САПР среднего уровня. В России получили распространение системы компаний Autodesk, Solid Works Corporation, Beantly, Топ Системы, Аскон.

Наибольшую популярность из них получили продукты фирмы Autodesk, среди которых наиболее развитыми считаются системы AutoCAD Mechanical Desktop и Inventor.

Система Mechanical Desktop предназначена для параметрического 3D-моделирования, ассоциативного конструирования, оформления 2D-документации, построена на графическом ядре ACIS.

Система Inventor предназначена для твердотельного параметрического моделирования, ориентирована на разработку больших сборок с сотнями и тысячами деталей, в основе также лежит ядро ASIC. Система является более удобной, так как ассоциативные связи задаются не путем уравнений, а непосредственно определением формы и положения деталей. По своим возможностям система приближается к «тяжелым» САПР.

Система твердотельного параметрического моделирования механических конструкций Solid Works построена на графическом ядре Parasolid, разработанном в Unigraphics Solution. По своим характеристикам сопоставима с программой Inventor и также имеет подсистемы расчета изделий изготавливаемых гибкой, штамповкой и пр.

Среди САПР среднего уровня, успешно развиваются отечественные продукты Компас (компания Аскон) и Т-Flex (Топ Системы).

В системе Компас реализовано 3D-моделирование на основе оригинального графического ядра, имеется библиотека с типовыми деталями по ГОСТу, а также подсистемы проектирования изделий специального назначения (пружин, зубчатых колес, штамповой оснастки и пр.).

Система трехмерного твердотельного проектирования T-Flex CAD, построена на базе ядра Parasolid. Реализована двунаправленная ассоциативность, то есть изменение параметров чертежа, автоматически  вызывает изменение параметров модели и наоборот. Возможно по видам и разрезам трехмерной модели получить чертеж. Имеются так же подсистемы для проведения инженерных расчетов, проектирования штампов и пресс-форм.