CC BY
344
Кочегаров И. И., Шуваев П.В.
Пензенский государственный университет
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММНЫХ ПАКЕТОВ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
На сегодняшний день существует достаточно большое количество пакетов автоматизированного проектирования печатных плат. Среди них есть как системы начально уровня, так и промышленные системы для многопользовательской работы. В данной статье даётся сравнительный обзор таких средств.
Любая система проектирования печатных плат представляет собой сложный комплекс программ, обеспечивающий сквозной цикл, начиная с прорисовки принципиальной схемы и заканчивая генерацией управляющих файлов для оборудования изготовления фотошаблонов, сверления отверстий, сборки и электроконтроля.
Стоимость EDA продуктов сильно зависит от их функциональности, поэтому ниже мы постараемся показать пользователям основные детали, которые следует иметь в виду при выборе системы проектирования.
Продукты компании Mentor Graphics
Имея собственную систему проектирования ПП Mentor BoardStation, компания поглотила двух своих конкурентов, компании Verybest и Innoveda, и сейчас продолжает развивать линии продуктов Expedition PCB и PADS PowerPCB. Ключом к успеху компании явилась ориентация на современные интегрированные среды проектирования для Widows.
Пакет Expedition PCB [1] представляет сейчас наиболее мощное решение в области проектирования плат. Основу системы составляет среда AutoActive, позволяющая реализовать такие функции, как предтопологический анализ целостности сигналов, интерактивная и автоматическая трассировка с учётом требований высокочастотных плат и специальных технологических ограничений, накладываемых использованием современной элементной базы (BGA). У данного продукта можно отметить только один недостаток - его высокую стоимость, что является немаловажным препятствием для проникновения на российский рынок.
Другой продукт компании Mentor, система PADS PowerPCB[2] предлагает более дешёвое решение. Эта система может похвастаться лучшим автотрассировщиком BlaseRouter, поддерживающим все необходимые при трассировке высокочастотных плат функции (рисунок 1) . Пакет имеет модули предтопологичекого (HyperLinks LineSim) и посттопологического (HyperLinks BoardSim) анализа, тесно взаимодействующих с системой контроля ограничений. Сейчас эти модули улучшены за счёт внедрения в них оригинальных алгоритмов моделирования, ранее применявшихся в продукте ХТК компании Innoveda.
Рисунок 1 - Автоматическое изменение формы проводника с контролируемой длиной при перемещении
конденсатора в пакете PADS PowerPCB
Продукты компании Cadence
Далее по мощности предлагаемых решений идёт компания Cadence. Для верхнего уровня проектирования предлагается пакет PCB Design Studio[3]. В качестве редактора печатных плат здесь используется программа Allegro, позволяющая разрабатывать многослойные и высокоскоростные платы с высокой плотностью размещения компонентов. В качестве штатного модуля авторазмещения и автотрассировки здесь используется программа SPECCTRA[4], управляемая обширным набором правил проектирования и технологических ограничений. Анализ электромагнитной совместимости топологии платы выполняется с помощью специального модуля SPECCTRAQuest SI Expert, для предварительного анализа проекта и подготовки наборов правил проектирования используется модуль SigXplorer.
Другой продукт компании Cadence, пакет OrCAD [5] рекомендуется как более лёгкое и дешёвое решение для проектирования печатных плат. В последнее время продукт почти не развивается, о чём косвенно свидетельствуют номера последних версий (9.1, 9.2, ...) . Данный пакет рассматривается фирмой Cadence как приоритетная система ввода проектов и моделирования: модули Capture CIS и PSpice сейчас поставляются в составе пакета PCB Design Studio. В самую последнюю версию системы OrCAD вошли новые возможности синтеза и моделирования цифровых логических схем NC Sim. Редактор печатных плат OrCAD Layout имеет три различные конфигурации с разными функциональными возможностями. В проекте платы здесь может присутствовать до 30 слоёв, 16 из которых могут быть сигнальными. Имеются встроенные средства авторазмещения и автотрассировки, а также интерфейс с программой SPECCTRA.
Продукты компании Altium
С появлением Altium Designer[6], компания Altium Limited принципиально изменила технологию проектирования, моделирования и отладки электронных устройств в общем процессе разработки электроники: она предоставила всем разработчикам электроники возможность использовать весь потенциал современного поколения программируемых устройств для создания высокоинтеллектуального оборудования в кратчайшие сроки, независимо от базового знания основ ПЛИС и языков программирования HDL. В отличие от многочисленных аналогичных систем сторонних производителей, которые рассматривают разработку электронных устройств как пошаговую работу в нескольких продуктах, Altium Designer 10 объединяет схемную, программную и аппаратную части в единой оболочке. Это позволяет разработчикам электроники максимально сосредоточиться на задачах проекта с целью создания качественных электронных устройств.
Предыдущие системы из линейки Altium Designer, также предназначенные для разработки электроники, носили название Protel. Многим разработчикам электронных устройств известна система Protel DXP 2004. В начале 2006 года австралийская компания Altium Limited выпустила новую версию комплексного пакета проектирования электронных устройств Altium Designer. В этой системе работа над проектами принципиальных схем и печатных плат ведется в тесной интеграции с программированием цифровых устройств на уровне ПЛИС в единой управляющей оболочке Design Explorer. В Altium Designer реализованы такие возможности, как трассировка дифференциальных сигналов от схемного
уровня до уровня топологий печатных плат, сваппирование пинов на уровне интегрированных проектов ПЛИС и печатных плат, технологии управления библиотеками и генерации отчетов Bill of Materials, поддержка интерфейса с библиотекой OrCAD Capture CIS (Component Information Systems), поддержка PSpice моделей и многое другое.
На сегодняшний день данный продукт один из немногих имеет русскоязычный интерфейс. Последняя актуальная версия - 10.
Как известно, система P-CAD больше не будет развиваться и остановится на существующей версии P-CAD 2006, которая, впрочем, довольно далека от полноценной системы проектирования - теперь в ней отсутствует даже собственный автоматический трассировщик печатных плат (роутер). Это обстоятельство, в общем-то, вполне объяснимо. Если вспомнить, как разводил печатные платы встроенный трассировщик из P-CAD прежних версий, начиная от P-CAD 2000, то очень сложно будет услышать положительные отзывы о работе этого трассировщика хотя бы от одного разработчика. Разводить печатные платы приходилось, используя внешние трассировщики SPECCTRA, Situs или попросту вручную, что далеко не всегда возможно. Вот тут полезно будет заметить, что Situs является встроенным трассировщиком системы Altium Designer.
В Altium Designer введена поддержка Viper C-Compiler компилятора и CrossView debugger для ARM
процессоров и поддержка ПЛИС Xilinx MicroBlaze и Cyclone II семейства Altera. Важной отличительной чертой Altium Designer от P-CAD является разработка принципиальной схемы и печатной платы электронного устройства в рамках одного проекта, файлы которого связаны между собой. То есть, к примеру, изменение номинала резистора, вносимое на печатную плату, автоматически вызывает его изменение на принципиальной схеме. Это упрощает и ускоряет разработку электроники, избавляет от необходимости вносить исправления в несколько файлов, а в итоге - оберегает разработчика от потенциальной возможности допустить ошибку.
Altium Designer имеет огромное количество качественных библиотек элементов с удобным поиском по ним. К примеру, можно задать в параметрах поиска "7805", и будут найдены все компоненты, сразу во всех имеющихся библиотеках, расположенных в указанной папке, содержащие в своем наименовании "7805". К сожалению, в P-CAD такая возможность фактически отсутствует, и разработчик порою должен тратить лишнее время на поиск нужного компонента, и разработка электроники значительно растягивается по времени.
Еще одна интересная функция Altium Designer позволяет увидеть BD-модель разрабатываемой печатной платы. В этом режиме можно перемещать компоненты по плате. Особенно удачно применение данной функции для случаев расположения одних компонентов под другими. При попытке перетащить один компонент, с габаритами больше допустимых, под другой компонент, нависающий сверху, программа подсвечивает перемещаемый компонент и указывает, что выполняется его перемещение в недопустимое пространство .
САПР компании Zuken
Нельзя не упомянуть ещё один почти неизвестный в России, но достаточно мощный и популярный в мире продукт - Visulaкомпании Zuken[7] Продукты этой компании обеспечивают сквозной цикл проектирования и предлагают мощные средства моделирования и синтеза программируемой логики с последующей разработкой печатной платы. Здесь имеется стандартный набор инструментария, а также собственные средства авторазмещения и автотрассировки. Следует отметить, что компания Zuken также предлагает пользователям интегрированные средства трёхмерного твердотельного моделирования разрабатываемых устройств (рисунок2).
Рисунок 2 - Трёхмерное моделирование платы средствами компании Zuken
САПР компания Новарм (программа DipTrace 2.2)
DipTrace 2.2 - САПР для проектирования печатных плат (PCB) [8] . В пакет включено четыре программы: Schematic - разработка принципиальных схем; DipTrace - создание плат, ручная и автоматическая трассировка; ComEdit - редактор корпусов; SchemEdit - редактор компонентов.
DipTrace содержит минимальное количество управляющих элементов - отражающих основные функции, при этом переход в большинство режимов, таких как выбор, перемещение, создание связей, редактирование трасс - осуществляется автоматически при попытке пользователя сделать необходимую операцию. Вся работа сопровождается подсветкой редактируемых и зависящих от них элементов, позволяющих наглядно оценивать ситуацию. Логическая структура принципиальной схемы или платы формируется сразу при построении и изменение одного элемента отражается на зависящих от него.
DipTrace поддерживает экспорт плат в Gerber, и N/C Drill. Для Gerber существует возможность разметки отверстий. При экспорте текста осуществляется векторизация с заданным шагом, таким образом что можно использовать любой шрифт, установленный в системе. Также поддерживается векторизация и экспорт в Gerber растровых черно-белых изображений.
Имеется большое количество библиотек корпусов и компонентов. Стандартные библиотеки содержат более 10 тыс. компонентов наиболее известных фирм-производителей.
Система имеет 3D предпросмотр , причём с программой поставляются более 2.5 тыс. BD-моделей корпусов.
Кроме этого присутствует русский интерфейс, справка, учебник и форматки .
KiCAD
KiCAD - программный комплекс с открытыми исходными кодами, предназначенный для разработки электрических схем и печатных плат. Состоит из нескольких модулей [8].
EESchema - это графический редактор для разработки принципиальных электрических схем, входящий в состав системы автоматизированного проектирования печатных плат KiCAD для операционных систем типа Linux и Windows. Независимо от используемой операционной системы создаваемые файлы схем полностью совместимы.
EESchema - интегрированная программа: из нее вызываются все функции управления, обслуживания библиотек, рисования и компоновки схемы и перехода к разработке печатной платы. Она допускает иерархическую разработку многостраничных схем.
EESchema работает совместно с графическим редактором проектов печатных плат и трассировки проводников PCBNEW, для которого она предоставляет файл netlist, описывающий электрические соединения для разработки печатной платы.
EESchema также включает редактор изображений компонент (символов элементов схем) LibEdit, который позволяет создавать, редактировать и просматривать компоненты, и поддерживать библиотеки символов (операции импорта, экспорта, добавления и удаления компонент библиотеки).
EESchema дополнительно выполняет следующие, важные для современного программного обеспечения разработки схем, функции:
автоматизированная проверка правильности схемы (DRC) - контроль за правильностью ввода компонент и соединений, неподключенными компонентами и др.;
генерация чертежей схем в форматах POSTSCRIPT, HPGL или DXF; распечатка схем на локальном принтере; формирование перечня материалов;
формирование списков цепей (netlist) для моделирования электрической схемы проекта и проектирования печатной платы.
PCBNEW- это мощная программа для создания печатных плат (printed circuit board), работающая с разными семействами операционных систем: как с LINUX, так и с WINDOWS.
PCBNEW используется совместно с программой разработки схем (schematic capture) EESCHEMA, которая на выходе, помимо рисунка электрической схемы, формирует список электрических цепей (Netlist-файл), описывающий электрические соединения для разработки печатной платы (PCB).
Программа CVPCB при этом используется для назначения каждого компонента в Netlist, полученном в EESCHEMA, модулю, который используется в PCBNEW. Это может быть сделано либо интерактивно, либо автоматически, используя эквивалентность файлов.
PCBNEW управляет библиотеками модулей. Каждый модуль это плоский образ посадочного места (ПМ) физического компонента (footprint), включающий послойную геометрию контактных площадок, обеспечивающих соединение с компонентом. Требуемые модули автоматически загружаются во время чтения Netlist, формируемого программой CVPCB.
PCBNEW интегрирует, автоматически и немедленно, любые модификации цепи, удаляя ошибочные дорожки, добавляя новые компоненты или модифицируя любые значения (и при определенных условиях любые ссылки) старых или новых модулей, согласно с электрическими соединениями, появляющимися в схеме .
PCBNEW обеспечивает отображение не реализованных соединений (rats nest display), тонкая линия соединяет контактные площадки модулей, которые соединены по схеме, но не разведены проводниками (дорожками). Эти соединения динамически перемещаются вместе с перемещениями дорожек и модуля.
PCBNEW имеет активную проверку правил проектирования Design Rules Check (DRC), которая автоматически обнаруживает любые ошибки разводки в реальном времени.
PCBNEW может автоматически генерировать рисунок дорожек с (или без) термальных барьеров (thermal breaks) на площадках.
PCBNEW имеет простую, но эффективную авто-разводку (autorouter) для помощи в проектировании плат. Экспорт и импорт в формат Specctra DSN позволяет привлекать более развитые внешние программы авто-трассировки.
PCBNEW поддерживает специфические опции для изготовления схем СВЧ (ultra high frequency) (трапециевидные и сложной формы площадки, автоматическую прорисовку катушек...) .
PCBNEW отображает элементы топологии платы (проводящие дорожки, площадки, тексты, рисунки.) в реальных размерах, в соответствии с персональными настройками:
Основные достоинства KiCAD:
Интегрированная система сквозного автоматизированного проектирования печатных плат от разработки электрических схем до выхода на технологическое оборудование с программным управлением
Несмотря на бесплатность, система разрабатывается и поддерживается с помощью современной открытой мультиплатформенной технологии программирования
Открытый для изменения исходный код и форматы данных библиотек, схем и проектов печатных плат.
"Горячая связь" между схемным редактором и редактором печатных плат
Функция авто-размещения компонентов по критерию минимальной длины соединений
Функции ERC и DRC автоматического электрического и топологического контроля правил проектирования
Выход на SpecctraDesignLanguage
BD-визуализация платы Передача чертежей в формате DXF Тепловой анализ
Отдельной задачей проектирования печатных плат является тепловой анализ. Наиболее мощным решением в этой области является программа BETA Soft-Board компании Dynamic Soft Analysis[10] . Здесь также имеются интерфейсы импорта проектов из всех выше перечисленных продуктов, богатые библиотеки моделей и материалов. В процессе расчёта могут быть получены температуры отдельных компонентов, карты прогрева плат, градиент температур (рисунокЗ). Отметим, что программа BETASoft-Board поставляется как штатное средство теплового моделирования для продуктов Mentor Graphics.
Рисунок 3 - Тепловой анализ платы в пакете BETASoft-Board<
Другая программа теплового анализа Sauna компании Thermal Solutions [11], позволяет моделировать поведение не только плат, но и блоков и шкафов. Здесь присутствуют обширные библиотеки компонентов и материалов. Имеется специальный графический редактор, позволяющий прорисовывать конфигурацию оборудования. Система даёт возможность назначать специальные рабочие циклы с учётом включения и выключения внешних источников питания.
Из российских программ следует отметить, пожалуй, единственный коммерческий пакет теплового моделирования ТРИАНА (АСОНИКА-Т) [12] , разработанный специалистами Красноярского Государственного Технического Университета (КГТУ) и Московского Государственного Института Электроники и Математики (МИЭМ). В состав пакета входит редактор, позволяющий формировать геометрическую модель исследуемой печатной платы или гибридной интегральной схемы, а также специализированный модуль подготовки тепловых моделей. Программа имеет интерфейс с современными системами проектирования печатных плат P-CAD 2002, Protel DXP, OrCAD 9.2, Allegro, SPECCTRA, а также старыми, но всё ещё распространёнными в России, версиями P-CAD 4.Б-8.7.
ЛИТЕРАТУРА
1. Программный продукт Expedition PCB. \\URL:http://www.mentor.com/pcb
2. Программный продукт PADS PowerPCB. \\URL: http://www.pads.com
3. Программный продукт Expedition PCB. \\URL: http://www.pcb.cadence.com
4. Система автоматической трассировки SPECCTRA. \\URL: http://www.specctra.com
Б. САПР OrCAD. \\URL: http://www.orcad.com
6. Программный продукт Altium Designer. \\URL: http://www.altium.com
7. Программный продукт Visula. \\URL: http://www.zuken.com
8. Программный продукт DipTrace2.2. \\URL: http://www.diptrace.com/rus/index.php
9. Программный продукт KiCAD \\URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/KiCad
10. Пакет теплового анализа BetaSoftBoardURL: http://www.betasoft-thermal.com.
11. Пакет теплового анализа Sauna\\ URL: http://www.sauna.com
12. Пакет теплового анализа Асоника-Т\\ URL: http://www.asonika-online.ru/UI/Info/asonika
t.aspx
