Разработка структуры программных средств системы автоматизации проектирования с функцией виртуальной сертификации радиоэлектронных устройств по эмиссии излучаемых радиопомех Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Разработка структуры программных средств системы автоматизации проектирования с функцией виртуальной сертификации радиоэлектронных устройств по эмиссии излучаемых радиопомех

Н.В. Лемешко, к.т.н., С.С. Захарова, к.т.н.

Кафедра «Радиоэлектроника телекоммуникации», МИЭМ НИУ ВШЭ п1етеккко @Ьле. гы, згакагоуа@Ике.гы

Одним из основных вопросов в теории виртуальной сертификации, сущность которой раскрыта в других публикациях в настоящем сборнике, состоит в проработке структуры программных средств реализующей ее системы автоматизации. Поскольку моделирование сертификационных испытаний радиоэлектронных средств по эмиссии излучаемых радиопомех является задачей, требующей большого объема вычислений, то оно должно проводиться в единой системе автоматизации, характеризующейся универсальностью по отношению к исследуемым объектам в пределах ограничений, установленных в [1].

Основные принципы построения системы автоматизации проектирования с функцией виртуальной сертификации (САПР ВС), являющиеся отправной точкой в ее разработке, состоят в следующем [2].

1. Требования к САПР, как правило, определяются её функциями в составе более сложной системы, включающей в себя САПР как подсистему. Если говорить о РЭС, то такой системой может быть САПР сквозного проектирования, используемая на предприятии. Для САПР ВС должен действовать принцип включения, обеспечивающий такое вхождение.

2. САПР ВС должна отвечать принципу системного единства, что обеспечивается наличием информационных и управляющих связей между ее программными модулями.

3. САПР ВС должна соответствовать принципу комплексности, который требует связности каждого элемента и всего РЭС в целом на этапах создания, редактирования, моделирования и анализа его результатов при проведении виртуальной сертификации.

4. Для САПР ВС должен выполняться принцип информационного единства, согласно которому отдельные подсистемы и компоненты должны быть информационно согласованы. Это означает, что в модулях САПР должны использоваться единые термины, символы, условные обозначения и т.п. Этот принцип должен проявляться и в части хранения наиболее часто используемой информации, необходимой для функционирования САПР, которую рекомендуется структурировать.

5. Принцип совместимости также должен быть реализован в САПР ВС. Он состоит в том, что языки, коды, информационные и технические характеристики структурных связей подсистем и компонентов системы должны быть согласованы так, чтобы обеспечивалось их совместное функционирование и сохранялась открытая структура системы в целом. Это позволит создавать дополнительные надстройки для САПР ВС, как технические, так и программные, без изменения модулей, уже введенных в эксплуатацию. Этот, казалось бы, второстепенный принцип позволяет без полной модернизации вводить в эксплуатацию модули, расширяющие функциональность САПР, подключать дополнительные базы данных и т.д.

6. САПР ВС должна отвечать принципу инвариантности, что означает универсальность применения компонентов и подсистем к объектам разработки. В [1] были выделены принципиальные ограничения, которым должно соответствовать подвергаемое виртуальной сертификации РЭС. Эти ограничения естественным образом вытекают из сущности методов, составляющих ее теоретический базис, поэтому инвариантность САПР ВС может быть обеспечена только в пределах существующих методических ограничений.

7. Рассмотренный выше принцип совместимости должен быть дополнен реализацией в САПР ВС принципа развития, который предусматривает возможность наращивания и совершенствования компонентов и подсистем, а также связей между ними. Для САПР ВС использование принципа развития не только повышает универсальность системы, но и дает возможность создавать специализированные комплексы, предназначенные для моделирования сертификационных испытаний аппаратуры отдельных типов, проводимых в т.ч. в нестандартных условиях и с использованием специальных измерительных средств.

Изложенные требования к САПР ВС и принципы её построения реализуются выработкой соответствующей структуры разрабатываемой системы.

Как следует из публикаций [3 — 5], структурная схема для одной и той же САПР может разрабатываться на разных уровнях детализации и в различных формах, что в первую очередь определяется текущей проработкой системы. Например, в [4] для программного комплекса ТРиАНА приводится подробная структурная схема программных средств с обозначением отдельных модулей в составе подсистем и подробным описанием их взаимодействия. С другой стороны, в [3] приводятся многочисленные схемы САПР электротехнических устройств без столь подробного описания.

В настоящее время САПР ВС находится на уровне концептуально-эскизной проработки при наличии вполне сформированного методического обеспечения. Естественно, что приведенным выше требованиям могут соответствовать САПР, построенные по разным схемам, поэтому для САПР ВС ниже рассматривается лишь один из вариантов структуры программных средств системы, который по мере развития будет дополнен требуемыми подробностями. Структура программных средств САПР ВС изображена на рис. 1.

Взаимодействие пользователя с САПР ВС осуществляется через модуль универсальных пользовательских интерфейсов, которые определяются типом используемого системного программного обеспечения и характеристиками аппаратной платформы. Этот модуль выполняет визуализацию информации, выводимой САПР ВС, а также ввод текстовой и графической информации при просмотре и редактировании проекта РЭС и баз данных.

САПР ВС характеризуется большим количеством информационных потоков. Согласованность функционирования программных модулей обеспечивается управляющей программой САПР ВС, взаимодействующей с каждым из них. Таким образом, основной функцией управляющей программы САПР ВС являются коммутация информационных потоков, формирование управляющей информации для программных модулей и получение контрольных данных, а также информирование пользователя о текущем состоянии и действиях САПР ВС.

я

а 03 С

н т м Сй

р е О.

е п т с П

с и А

к Э с С

ГО 2

ч: т

Б ё

* с; л ю т о

Ё 00 £ £2

V V

Модули препроцессорной обработки

Модуль синтеза модели тепловых процессов в РЭС

т

х

Модуль синтеза

модели электрических процессов в РЭС

Модуль

универсальных

пользовательских

интерфейсов

Визуализация информации Текстовый ввод данных Графический ввод данных

Пользователь

Банк компонентных электрических моделей

1

Модуль синтеза электродинамических моделей РЭС

Модуль синтеза моделей средств измерений

^г^ V V у

Управляющая программа САПР ВС

а А и ]ГТ

т

База данных проектирования

Файлы схем РЭС Файлы конструкций РЭС

Модуль импорта

и экспорта проектных данных

Модуль моделирования

тепловых процессов в РЭС

Модуль моделирования электрических процессов в РЭС

Модуль моделирования электродинамических процессов РЭС

Модуль моделирования средств измерений

о б

а р

б

о к

а

н р

о с с

е ц

о р

Р П А

о

о

р

ч

о;

<и

о н ь л е

Модуль постпроцессорной обработки результатов моделирования

База данных стандартных материалов, конструкций и их физических свойств

а; -

и ь т

н л о

е е б

I т а

е а о

п с в о 05 О.

е з м 1

б ь и <Т

о .0 л л о п о * е О. о

у

д о

о н о

М м к с

Т Другие системы автоматизации проектирования

^ Интернет, локальная сеть (обновление и импорт баз ► данных, работа в многопользовательском режиме)

Рис. 1. Структурная схема программных средств САПР ВС

Модели электрических, тепловых и электродинамических процессов строятся при помощи модулей синтеза, осуществляющих препроцессорную обработку информации и приводящих разнородные данные о проекте к пригодному для использования виду. При построении моделей соответствующих типов использует не только информация базы данных проектирования, но и дополнительны сведения об используемых стандартных материалах, конструкциях и их физических свойствах. Построение электрических моделей выполняется с использованием банка компонентных электрических моделей.

Практика использования средств автоматизации показала, что процесс построения моделей разнородных процессов в сложных объектах, какими бы совершенными алгоритмами он не реализовывался, не может проходить в полностью автоматизированном режиме [6, 7]. Во всех случаях, когда в САПР возможно появление неоднозначных решений, должен использоваться интерактивный режим.

При построении электродинамических моделей РЭС и моделей средств измерений используется информация из базы данных продуктовых стандартов по

ЭМС, определяющих условия проведения сертификационных испытаний. Эти стандарты являлись основой для разработки методологии моделирования сертификационных испытаний. Важно отметить, что содержание этой базы данных является рекомендательным, т.е. при необходимости пользователь может сам задавать основные параметры построения моделей и выполнения моделирования.

Использование в составе САПР ВС экспертной системы может значительно упростить отбор проводников для выполнения анализа помехоэмиссии, а также выбор моделируемых средств измерений. В зависимости от того, какие базы знаний включены в состав экспертной системы, она может выполнять многие дополнительные функции, поэтому на текущем уровне проработки перечень дополнительных баз знаний в целом следует оставить открытым, отнеся к нему проблемы выбора тепловых режимов для радиоэлементов при отсутствии информации, достаточной для теплового моделирования РЭС, а также оптимизации настроек модулей препроцессорной обработки и вычислительного ядра САПР ВС для конкретных типов сертифицируемых РЭС.

Сформированные в ходе препроцессорной обработки модели используются для моделирования свойств РЭС в вычислительном ядре САПР, которое имеет соответствующие программные модули. Взаимосвязь последних, отмеченная на рис. 1, заключается в том, что результаты, полученные в предыдущем модуле, служат в качестве исходных данных для последующего. Это положение может быть нарушено только для взаимодействия тепловой и электрической моделей РЭС, что отмечено двунаправленной стрелкой. При совместной организации моделирования электрических и тепловых процессов [8] обычно возникает итерационный цикл, обусловленный расчетом мощности тепловыделения в радиоэлементах и их температур с последующим попеременным уточнением их значений до достижения сходимости.

После выполнения моделирования полученная информация поступает в программный модуль постпроцессорной обработки. Как отмечалось выше, основным результатом моделирования сертификационных испытаний являются оценки показаний средств измерений, полученные в точках наблюдения, соответствующих их максимуму. Поэтому предполагается сохранять и выводить второстепенную информацию только по запросу пользователя при проведении углубленного анализа. В модуль постпроцессорной обработки результатов моделирования поступают данные из базы данных продуктовых стандартов, необходимые для оценки соответствия РЭС требованиям стандартов и для расчета неопределенности результатов моделирования.

Постпроцессорная обработка включает в себя представление данных, необходимое для информативного отображения полученной путем моделирования информации об объекте разработки. Эти данные в последствии визуализируются. Вместе с тем, они сохраняются в базе данных проектирования, которая должна, как это сейчас принято во многих САПР, содержать архив проектов. Как следует из предложенной структуры САПР ВС, решение о внесении изменений в проект РЭС принимается пользователем, однако и здесь возможно использование экспертной системы, особенно при выявлении путей снижения помехоэмиссии.

Многопользовательский режим работы САПР ВС предполагает использование соответствующего модуля при работе системы в локальной либо всемирной компьютерной сети. Взаимодействие с остальными модулями САПР ВС осуществляется при этом через управляющую программу, которая в данном случае не

только коммутирует потоки данных, но и обеспечивает ограничение доступа к базам данных системы и их изменение. Все базы данных САПР ВС, кроме базы данныгх проектирования, а также экспертная система должны иметь возможность обновляться через Интернет либо через локальную сеть.

В настоящее время САПР обычно позволяют импортировать данные из других систем проектирования, что делает их более универсальными. В САПР ВС это обеспечивается функциональностью модуля импорта и экспорта проектных данных. Важно отметить, что конвертирование форматов имеет и производственное значение, поскольку современное оборудование позволяет изготавливать конструкционные элементы РЭС на основе файлов специальных форматов.

При использовании САПР ВС ввиду сложности решаемой ей задачи и наличия ряда особенностей функционирования может возникнуть потребность в ознакомлении разработчиков РЭС с содержанием баз данных и с правилами баз знаний экспертной системы. Очевидно, что это не будет связано с использованием препроцессорной, постпроцессорной обработки либо вычислительного ядра. Поэтому в структурной схеме имеются связи, допускающие просмотр информации из указанных модулей, однако её изменение и редакция возможны только при наличии соответствующих прав.

Заканчивая описание предложенной структурной схемы, отметим, что непосредственная редакция проекта осуществляется в модуле универсальных пользовательских интерфейсов, а результаты сохраняются в базе данных проектирования.

Литература

1. Лемешко Н.В. Теоретические основы моделирования сертификационных испытаний радиоэлектронных средств по эмиссии излучаемых радиопомех. Монография. — М.: МИЭМ, 2012. — 196 с.

2. Алексеев О.В., Головков А.А., Пивоваров И.Ю. и др. Автоматизация проектирования радиоэлектронных средств. Учебное пособие для вузов. Под ред. Алексеева О.В. — М,: Высшая школа, 2000. — 400 с.

3. Кулон Ж.-Л., Сабоннадьер Ж.-К. САПР в электронике. — Пер. с франц. под ред. Стрельбицкого Э.К. — М.: Мир, 1988. — 208 с.

4. Жаднов В.В., Сарафанов А.В. Управление качеством при проектировании теплонагруженных радиоэлектронных средств. — М.: СОЛОН-Пресс, 2004. — 464 с.

5. Автоматизированная система АСОНИКА для проектирования высоконадежных радиоэлектронных средств на принципах CALS-технологий. Т.1. — Под ред. Кофанова Ю.Н., Малютина Н.В., Шалумова А.С. — М.: Энергоатомиздат, 2007 г. — 368 с.

6. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования Micro-CAP V. — М.: Солон, 1997. — 273 с.

7. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования и проектирования печатных плат Design Center (PSpice). — М.: СК Пресс, 1996. — 272 с.

8. Сарафанов А.В. Структурная организация подсистемы моделирования тепловых характеристик РЭС. — Вестник Красноярского государственного технического университета. Сборник научных трудов. Выпуск 4. — Красноярск, КГТУ, 1996. — с.37 - 42.