CC BY
22
УДК 004.942 Доц. В.М. Теслюк, д-р техн. наук;
ст. викл. П.Ю. Денисюк, канд. техн. наук; acnip. Тарж (Мох'д Тайар) Алi Аль OMapi - НУ "Львiвська nолimехнiкa"
ПРОГРАМН1 ЗАСОБИ 1НФОРМАЦ1ЙНИХ ТЕХНОЛОГ1Й АНАЛ1ЗУ ТА СИНТЕЗУ АКУСТИЧНИХ ЕЛЕМЕНТ1В МЕМС
Розроблено арх^ектуру програмних 3aco6ÏB шформацшних технологiй аналiзу та синтезу базових акустичних елеменпв МЕМС, яка мютить: бiблiотеку макромоделей, бiблiотеку мшромоделей, бiблiотеку моделей для оптимiзацiï, бiблiотеку типо-вих рiшень, базу даних матерiалiв i БД типових конструкцш, систему оптимiзацiï, пiдсистему аналiзу на макрорiвнi i мiкрорiвнi, пiдсистему параметричного i структурного синтезу, що дае змогу автоматизувати процес аналiзу та синтезу акустичних мiкроелектромеханiчних систем.
^W4ûsi слова: шформацшна технологiя, мшроелектромехашчш системи.
Assoc. prof. V.M. Teslyuk; senior lecturer P. Yu. Denysyuk; post-graduate Tariq
(Moh'd Taisir) Ali AlOmari-NU "L'vivs'kaPolitekhnika"
Software of information technologies for analysis and synthesis of basic
acoustics MEMS elements
The developed architecture of software means of information technologies for analysis and synthesis of basic acoustics MEMS elements is presented in the paper, which contains: library of macromodels, library of micromodels, library of models, for optimization, library of typical decisions, base of these materials and DB of typical constructions, system of optimization, subsystem of analysis, on macrolevels and microlevels, subsystem of self-reactance and structural synthesis which enables to automatize the process of analysis and synthesis of the acoustic microelectromechanical systems.
Keywords: information technology, microelectromechanical systems.
Вступ. Для початку XXI ст. характерний швидкий розвиток м1ждис-циплшарних наукових напрям1в. Одшею з галузей е мжроелектромехашчш системи [1-3]. Особливютю пристроïв цього типу е ïx мжронш розм1ри, що значно ускладнюе процеси операцш тестування, здшснення експеримент1в, виготовлення тощо. Тому особливого значення набувають програмш системи, технологи, методи та модел1, як дають змогу отримати результати моде-лювання та проектування з високою точшстю за прийнятш термши.
1. Розроблення архгтектури 1Т аналiзу та синтезу акустичних елемен^в МЕМС
Арх1тектуру шформацшних технологш анашзу та синтезу мжроелек-тромехашчних систем (МЕМС) наведено на рис. 1. Вона складаеться з трьох основних складниюв: кшентсько1 та серверноï' частин, а також канаив зв'язку. Серверна частина мютить б1блютеку макромоделей, б1блютеку мж-ромоделей, б1блютеку моделей оптим1заци, б1блютеку моделей для оптим1за-ци, б1блютеку типових ршень, базу даних (БД) матер1ал1в та базових конструкцш акустичних МЕМС.
Б1блютека мжромоделей мютить VHDL-AMS модел1 акустичних еле-мент1в МЭМС, яю призначеш для анашзу акустичних пристро1в i елемент1в на схемотехшчному р1вш розробляння пристро1в. Окр1м цього, ця б1блютека мютить модел1 на основ! звичайних диференщальних р1внянь та 1хтх систем, для розв'язання яких використано метод скшченних р1зниць та скшченних
елементiв. Бiблiотека мiкромоделей мiстить моделi компонентного рiвня, якi грунтуються на рiвняннях у часткових похщних з вiдповiдними початковими i граничними умовами.
Процес аналiзу та синтезу акустичних елементiв МЕМС дае змогу за-писувати отримаш та використовувати вже наявнi проектш рiшення. Усi рь шення розмщеш в бiблiотецi типових рiшень, що дае змогу пiдвищити ефек-тившсть iнформацiйних технологiй аналiзу i синтезу акустичних елемент1в МЕМС.
Рис. 1. Архтектура шформацшних технологш аналiзу та синтезу акустичних
елементiв МЕМС
Побудоваш моделi дають змогу змiнювати матерiал конструкци акустичних елементiв МЭМС (параметричш твердотiльнi моделi). Усi параметри матерiалiв, якi використовуються в мшроелектроннш промисловостi, розмь щенi у вщповщнш базi даних.
Програмнi складовi 1Т аналiзу та синтезу акустичних елемеш!в МЕМС, розмiщенi на серверi, спрощують доступ для багатьох користувачiв, можливють наповнення новими конструкцiями та моделями. Кшентська час-тина архiтектури мютить систему оптимiзацil, пiдсистему аналiзу на макро- й мiкрорiвнях, пiдсистему параметричного i структурного синтезу [4-8]' Водно-час у клiентськiй частинi розмщеш засоби зв'язку з iснуючими системами анашзу та синтезу МЭМС, що дае змогу тдвищити рiвень автоматизаци та ефективностi 1Т. Пiд час роботи з тдсистемами використовуеться типовий штерфейс користувача, що також сприяе шдвищенню ефективностi 1Т.
Алгоритм роботи 1Т зображено на рис. 2. На першому етапi вводять вхщш даннi (за допомогою вiдповiдного редактора), обирають потрiбну конструкцiю акустичного елемента i параметри матерiалiв, з яких реашзова-ний акустичний елемент. Наступний етап потребуе розв'язання задачi параметричного синтезу. При цьому використовуеться система оптимiзацil, бiблi-отека моделей для оптимiзацil та пiдсистема структурного й параметричного
синтезу. У випадку, коли отримаш вс параметри технiчного завдання, алгоритм передае управлiння на проведення аналiзу на макро- i мiкрорiвнях, якi мають зв'язки з бiблiотекою макромоделей i мжромоделей
^ Початок ^
Рис. 2. Алгоритм роботи 1Т аналiзу та синтезу акустичних елементiв МЕМС
2. Основш складники 1Т анал1зу та синтезу МЕМС
Теорда оптимiзацil ефективно використовують для багатьох задач, i насамперед, у таких областях, зокрема: синтезу систем i !хтх складниках; планування й аналiз функщонування iснуючих систем; iнженерний аналiз i обробляння шформаци; управлiння динамiчними системами, тощо.
Сучаснi оптимiзацiйнi задачi, що виникають пiд час анашзу та синтезу МЕМС [9], характеризуются надзвичайно високою складнiстю, тому побудо-вана програмна система та дае змогу прискорити процес розв'язання оптимiза-цiйних задач i одержати результати в наочнш i зручнш для користувача формi.
2.1. Розроблення структурноТ схеми системи "ОрйшМЕМ8"
Система "OptimMEMS" призначена для розв'язання та дослщження оптимiзацiйних задач. Структура ще1 системи мiстить низку пiдсистем (рис. 3), а саме: тдсистема розв'язання одновимiрних задач оптимiзаци; тд-система розв'язання задач лшшного програмування (ЗЛП); тдсистема розв'язання задач багатопараметрично1 оптимiзаци; пiдсистема розв'язання задач багатокритершно1 оптимiзаци; пiдсистема розв'язання задач умовно1 оптимь зацп; пiдсистема статистичних методiв оптимiзаци; пiдсистема розв'язання оптимiзацiйних задач з використанням еволюцшних методiв; тдсистема вь дображення вихiдних результатiв; тдсистема введення вхщних даних; модуль штерфейсу системи i Help-пiдсистема.
Користувач
Рис. 3. Структурна схема системи "ОрИтМЕМ8"
^pye poбoтoю пiдсистем мoдyль iнтеpфейсy. За дoпoмoгoю шдсисте-ми введення вхiдних даних вiдбyваeться введення пoчаткoвoï iнфopмацiï ^o oптимiзацiйнy задачy, яку пoтpiбнo poзв'язати, фopмyвання вхiднoгo завдан-ня i кoнтpoль пpавильнoстi введення пoчаткoвих даних. Пщсистема вiдoбpа-ження вихiдних pезyльтатiв даe змoгy вивести pезyльтати poзв'язання oптимi-зацiйнoï задачi y виглядi гpафiка, абo текстoвих файлiв. Це все надзвичай^ актyальнo пiд час дoслiдження та вивчення oптимiзацiйних метoдiв та poзв'я-зання задач аналiзy й синтезy елементiв МЕМС.
Дo складy системи oптимiзацiï вхoдить бiблioтека pеалiзoваних метoдiв oптимiзацiï, poзpахoвана, зазвичай, на poзв'язання таких задач: oптимiзацiï oд-нoвимipних oднoекстpемальних цiльoвих функцш oднoвимipними метoдами [10-12]; oптимiзацiï oднoекстpемальних квадpатичних цiльoвих фyнкцiй де-кщьгах змiнних за дoпoмoгoю метoдiв пеpшoгo абo дpyгoгo пopядкiв; oптимi-заци oднoекстpемальних цiльoвих фyнкцiй декiлькoх змшних [13]; oптимiзацiï багатoпаpаметpичних цiльoвих функцш oднieï абo декiлькoх змiнних абo бага-тoпаpаметpичних цiльoвих фyнкцiй детеpмiнoваними метoдами глoбальнoгo пoшyкy; метoди poзв'язання багатoкpитеpiальних oптимiзацiйних задач [14].
О^м цьoгo, у пiдсистемi статистичних метода e бiблioтека випадкoвих закoнiв poзпoдiлy, щo мiстить piвнoмipний, нopмальний та iншi закoни poзпoдiлy.
Для ^ав^ь^го вибopy метoдy oптимiзацiï, дoсить часто, пoтpiбнo знати pельeф цiльoвoï функци, пpoте в poзpoбника oб'eкта, який пpистyпаe дo oптимiзацiï йoгo паpаметpiв, зазвичай, такoï iнфopмацiï немаe. ^му в системi мoжна викopистoвyвати oдин з метoдiв пoпеpедньoгo дoслiдження виду щ-льoвoï функци та ïï iдентифiкацiï для ефективнoгo вибopy методу oптимiзацiï та систематизаци пoчаткoвoï iнфopмацiï для opганiзацiï ефективнiшoгo npo-цесу шшуку oптимyмy (пoчаткoвoï тoчки шшуку, пoчаткoвoгo кpoкy тoщo).
Система "OptimMEMS" даe змoгy фopмyвати вхiдне завдання у фopмi вхiднoгo файлу, poзшиpення якoгo маe бути *.txt. У гажнш pядкy e iнфopма-щя пpo кoopдинати тoчки для двoвимipнoгo ваpiанта цiльoвoï функци. Якщo ваpiант oднoвимipний, у кoжнoмy pядкy пеpшoю цифpoю йде значення raop-динати, а штсм - значення функци.
Вoднoчас, пiдсистема виведення даe змoгy пеpеглянyти pезyльтати генеpацiï вибipки випадкoвих чисел для пiдсистеми статистичнoï oптимiзацiï. Вiдпoвiдний файл мiстить iнфopмацiю npo кiлькiсть чисел у вибipцi та вщшвщго, самi числа.
Введення вхщних даних для системи oптимiзацiï мoжна здiйснювати за дoпoмoгoю тpьoх ваpiантiв: вибip цiльoвoï функци та oбмежень з мнoжини тес-тoвих; введення за дoпoмoгoю загальнoï функци; введення вхщних даних у pе-альшму часi. Введення даних за дoпoмoгoю вибopy цiльoвoï функци i oбмежень з мнoжини тестoвих викopистoвyють, зазвичай, для вивчення метода i алгopит-мiв oптимiзацiï, викoнання тестoвих ^и^ада i poзв'язання oптимiзацiйних задач, як частo тpапляються пiд час аналiзy та синтезу гетеpoгенних oб'eктiв.
2.2. Пoбyдoвa iнфoрмaцiйнoï мoдeлi
У npo^ri poзpoблення системи пoбyдoванo iнфopмацiйнy мoдель стpyктypи даних для збеpеження pезyльтатiв poзpахyнкy для задач л^йдого пpoгpамyвання, а саме:
ModelSympleksJabl = (N Gl, El, Ll, Z, a, B,MinMax),
де: N - кшьюсть змшних; Gl - кшьюсть змшних типу >; El - кшьюсть змiнних типу рiвностей; Ll - кшьюсть змшних типу <; Z (N) - множина ко-
ефщенпв цшьово1 функци; a (Gl + El + Ll, N) - множина коефщенлв обме-
жень в заданш послiдовностi; B ( 01 + El + Ll) - множина вшьних членiв коефь
щенпв обмежень; MinMax - параметр типу оптимiзацiйного завдання (MinMax = 0 - пошук мтмуму, MinMax = 1 - пошук максимуму).
Збереження даних у пiдсистемi реалiзоване з використанням двомiр-ного масиву A(1,J), а саме (1 - кiлькiсть обмежень = Gl + El + Ll, J = N), (табл. 1):
• в нульовому стовпщ збер1гаються коефщ1енти в1льних члетв обмежень A(i,0) = B(i), де 1 < i < I;
• у наступних N стовпцях збер1гаються коеф1ц1енти обмежень A(i, ]) = a(i, у), де 1 < i < 1 и 1 < у < 1;
• в 1 + 1-му рядку збер1гаються коефщ1енти ц1льово! функцИ, тобто: А ^ +1, у ) = Z (у ), де 1 < у < 1;
• в 1 + 1-му рядку збер1гаються коефщ1енти ц1льово! функци, тобто: А(;' + 2,у) = w(у), де 1 <у < 1; А(;' +1,0)= MinMax, А(0,0) = N, А(0,1) = Gl,
А(0,2) = Е1, А(0,3) = Ll.
Формування вхщного завдання для оптимiзацil за допомогою загаль-но! функци використовуеться частше. Користувач, у цьому випадку, задае тiльки значення коефiцiентiв.
Запропонований шдхщ дае змогу описати значну частину можливих одно-, дво- i тривимiрних та iнших функцiй.
Табл. 1. Структура даних ЫформацшноХмоделi для збереження результатiв
розв 'язання ЗЛП
у = 0 у=1 у = 2 у = 3 у = N
i = 0 N Gl Е1 и
i = 1 В(1) а (1,1) а (1,2) а (1,3) а (1, N)
i = 2 В(1) а (2,1) а (2,2) а (2,3) а (2, N)
i = Gl + Е1 + Ь1 В(1) а(1,1) а (1,2) а(1,3) а (1, N)
i +1 MinMax 2 (i +1,1) 2 (i +1,2) 2 (i +1,3) 2 (i +1, N)
i + 2 w (i +1,1) w (i +1,2) w (i +1,3) w (i +1, N)
Розроблена система дае змогу вводити вхщш даш та здшснювати оп-тимiзацiю за вiдсутностi цiльовоl функци, зокрема, за експериментальними даними або обчислювальними експериментами. Особливiстю цього шдходу е те, що в довшьний момент часу процес оптимiзацil можна перервати i про-довжити через певний промiжок часу, завантаживши вщповщний файл з iсто-рiею ршення оптимiзацiйноl задачi (контрольнi точки).
2.3. Структура шдсистеми для аналiзу елементiв МЕМС на макро-р1вн1 та мiкрорiвнi
Пiдсистема аналiзу акустичних елементiв МЕМС призначена для ав-томатизаци побудови VHDL-AMS моделей елементiв МЕМС та розв'язанню задач на макрорiвнi i3 використанням розроблених макромоделей i VHDL-AMS моделей.
Структура ще1 системи мютить такi модулi та шдсистеми (рис. 4): ш-терфейс шдсистеми; модуль введення вхщних даних; модуль контролю ко-ректност вхiдних даних; Help-система; модулi виведення результатiв в текстовому та графiчному виглядц база типових шаблонiв VHDL-AMS - моделей; модуль виконання VHDL-AMS - моделей. Керуе роботою шдсистеми модуль штерфейсу.
1нтерфейс пщсистеми
Модуль введення вхщних даних
Модуль контролю правильное!! введення
VHDL-AMS моделей
Модуль систем ОДУ
Рис. 4. Структура шдсистеми для aHmÎ3y акустичних елементiв МЕМС на MaKpopieHi
Пщсистема анашзу елемент1в МЕМС на мiкрорiвнi використовуе мо-делi компонентного рiвня, як грунтуються на рiвняннях в часткових похщ-них з вiдповiдними початковими i граничними умовами. Структуру ще1 шдсистеми зображено на рис. 5._
1нтерфейс шдсистеми
Модуль введення даних
Редактор математичних моделей
Модуль розв'язання РЧП
Модуль виведення даних
Help - пщсистема
Модуль формування початкових та краевих умов
Рис. 5. Структура шдсистеми для aHmÎ3y акустичних елементiв
МЕМС на мiкрорiвнi
Висновки. Отримала подальший розвиток арх^ектура iнформацiйних технологш aнaлiзу та синтезу акустичних елеменпв МЕМС, яка мiстить: бiблi-отеку макромоделей, бiблiотеку мiкромоделей, бiблiотеку моделей для оптимь заци, бiблiотеку типових рiшень, базу даних мaтерiaлiв i БД типових конструк-цiй, систему оптимiзaцil, пiдсистему aнaлiзу на мaкрорiвнi i мiкрорiвнi, шдсис-тему параметричного i структурного синтезу, що дае змогу автоматизувати процес aнaлiзу та синтезу акустичних мжроелектромехашчних систем.
Побудовано i реaлiзовaно систему "OptimMEMS", яка мютить бiблi-отеку методiв i моделей та дае змогу ефективно оргашзувати процес оптимь зацп конструкцш акустичних елементiв МЕМС.
Л1тература
1. Теслюк В.М. Модел1 та шформацшш технологи синтезу мшроелектромехашчних систем : монограф1я. - Льв1в : Вид-во "Вежа i Ко", 2008. - 192 с.
2. Лысенко И.Е. Проектирование сенсорных и актюаторных элементов микросистемной техники. - Таганрог : Изд-во ТРТУ. 2005. - 103 с.
3. Varadan V.K., Varadan V.V. Microelectro- mechanical Systems (MEMS), 2000.
4. Teslyuk V., Tarik Al Omari, Hamza Alshavabkekh, Denysyuk P., Melnyk M. Computer-Aided Design of MEMS at System Level // Journal Machine Dynamics Problems. -Poland, Warsaw University of Technology. - 2007., Vol. 31, No. 3 - P. 92-104.
5. Теслюк В.М., Денисюк П.Ю., Хамза Ал1 Юсеф Аль Шавабкех, Тарж (Мох'д Тайс1р) Ал1 Аль Омарь Розроблення математичних моделей МЕМС на основ1 мереж Петр1 для системного р1вня автоматизованого проектування // Моделювання та шформацшш технологи : зб. наук. пр. ЮМЕ 1м. Г.С. Пухова НАН Укра1ни. - К., 2008. - Вип. 46. - С. 120-126.
6. Теслюк В. Формал1защя процесу автоматизованого проектування МЕМС з допомо-гою мереж Петр1 / В. Теслюк, М. Лобур, Альшавабкех Хамза, Омар1 Тарш Аль, I. Х1м1ч // Ма-тер1али науково-техшчно! конференци 'Тнтелектуальш системи прийняття р1шень та прикла-дш аспекти шформацшних технологш". - 2007. - Херсон : ПП "Вишемирський В.С.". - Том. 2. - С. 230-233.
7. Teslyuk V., Tarik Al Omari, Hamza Alshavabkekh, Denysyuk P., Melnyk M. Computer-Aided Design Of MEMS At System Level // Proc of the XV- Polish -Ukrainian Conf. on "CAD in Machinery Design - Implementation and Educational Problems" - Naleczow, Poland, 2007, October 12 -13. - P. 35-37.
8. Teslyuk V., Hamza Al-Shavabkeh, Pereyma M., Al Omari Tarik. The formalization of the MEMS automated design process by usage of Petri Networks.// Proc. of the Illd International Conference of Young Scientists (MEMSTECH'2007) - Lviv - Polyana, May, 23-26, 2007. -P. 133-134.
9. Mokhoff N. Test conference to target MEMS [Електронний ресурс] / International Test Conference. - Charlotte, 2003. - Режим доступу:.
10. [Електронний ресурс]. - Доступний з http://www.eetimes.com/conf/itc/showArticle. jhtml? articleID=17408578&kc=6120.
11. Гилл Ф. Практическая оптимизация. : пер. с англ. - М. : Изд-во "Мир", 1985. - 509 с.
12. Реклейтис Г. Оптимизация в технике. - у 2-х кн. Кн. 1,2. : пер. с англ. - М. : Изд-во "Мир", 1986. - 349 с.
13. Шуб Т. Решение инженерных задач на ЭВМ. Практическое руководство : пер. с англ. - М. : Изд-во "Мир", 1982. - 238 с.
14. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование : пер. с англ. - М. : Изд-во "Мир", 1975. - 535 с.
15. Denysyuk P., Teslyuk V., Tariq (Moh'd Taisir) Ali AlOmari, Teslyuk T. Development and Study of Subsystem for Solution of Tasks of Multicriterial Optimization // Proc. of the V-th International Conference of Young Scientists (MEMSTECH'2009) - Lviv - Polyana, 2009. -P. 166-167.
