Провести формализацию и, используя два алгоритма (последовательно-групповой и алгоритм Штейнберга), провести размещение микросхем на печатной плате.

На этапе конструкторского проектирования решаются вопросы, связанные с компоновкой элементов логической схемы в модуле, модулей в ячейки, ячеек в панели и т.д. Эти задания в общем случае тесно связаны между собой, и их решение позволяет значительно сократить расходы и трудоемкость отмеченного этапа в системах автоматизированного проектирования. Обычно задания компоновки рассматриваются как процесс принятия решений в определенных или неопределенных условиях, в результате выполнения которого части логической схемы располагаются в конструктивных элементах і-го уровня, а эти элементы размещаются в конструктивных элементах (i+1)-го уровня и т.д., причем расположение выполняется с оптимизацией за избранным критерием.

Электрические схемы РЕА в общем случае представляют собой конструктивно законченные части высшего уровня, что состоят из элементов более низкого конструктивного уровня соответственно избранному критерию. Основным критерием объединения является критерий электромагнитотепловой совместимости элементов более низкого уровня.

Такими критериями могут быть:

- минимум типов конструктивно законченных частей;

- плотность компоновки, минимум соединений между устройствами;

- простота диагностики и др.

Основным этапом при решении конструкторских заданий служит переход от неформальной постановки к формализированному заданию. В целом этот этап представляет собой выделение списка кругов из принципиальной схемы ЭА.

Список кругов формируется в виде текстового файла с обязательным перечислением всех соединений следующего вида:

 

<Название элемента> <Номер контакта> <Название элемента> <Номер контакта>...

 

В итоге образуется специальный файл электрических соединений.

Составим формальный список кругов, выделив их из принципиальной схемы:

 

№	Элемент	Контакт	Элемент	Контакт	Элемент	Контакт
1.	Dd1	4	d3	3
2.	Dd1	6	Dd3	12	C	А
3.	Dd3	14	R	1
4.	d3	4	d3	5
5.	d3	6	D2	3
6.	D2	1	C	B
7.	D2	5	d9	7	R	2

 

Итерационные алгоритмы имеют структуру, аналогичную итерационным алгоритмам компоновки. У них для улучшения исходного размещения элементов на плате вводят итерационный процесс перестановки местами пар элементов.

В случае минимизации суммарной взвешенной длины соединений формула для расчета изменения значения целевой функции при перестановке местами элементов r_i и r_j, закрепленных в позициях t_f и t_g, имеет вид:

 

 

где p и h(p) – порядковый номер и позиция закрепления неподвижного элемента r_p.

Если , то осуществляют перестановку r_i и r_j, что приводит к уменьшению целевой функции на , после чего делают поиск и перестановку следующего пара элементов и т.д.

Процесс заканчивается получением такого варианта размещения, для которого последующее улучшение за счет парных перестановок элементов невозможно.

Использование описанного направленного перебора сокращает число анализируемых вариантов размещения (в сравнении с полным перебором), но приводит к потере гарантии нахождения глобального экстремума целевой функции.

Алгоритмы данной группы характеризуются достаточно высоким быстродействием. Алгоритмы с групповыми перестановками элементов на практике используются редко через их сложность, которая часто не оправдывает степень улучшения результата.

Частичным случаем итерационного алгоритма является алгоритм Штейнберга или так называемый алгоритм парных перестановок.

Для решения заданий размещения все элементы считаются условно одногабаритными. Из всего множества элементов схемы выбирается подмножество, которое складывается из n-елементов которые не имеют общих электрических цепей. Дальше строится матрица стоимости, каждый элемент которой задает суммарную длину соединений элемента, при условиях установки его на каждую из обозначенных позиций. Для этого элементы переставляются по посадочным местам так, чтобы каждый элемент побывал на всех посадочных местах и сумма длин соединений заносится в соответствующую позицию матрицы стоимости. После анализа полученной матрицы стоимости элементы переставляются на посадочные места соответственно критерию минимальной суммарной длины соединений. Дальше, выбирается следующее подмножество n-независимых элементов и процедура повторяется. Итерации прекращаются в случае достижения минимальной суммарной длины связей или после завершения заданного количества итераций.

Последовательные алгоритмы основаны на предположении, что для получения оптимального размещения необходимо в соседних позициях располагать элементы, максимально связаны друг с другом. Сущность этих алгоритмов складывается в последовательном закреплении заданного набора конструктивных элементов на коммутационной плате относительно тех, что были установлены раньше. В качестве сначала закрепленных на плате элементов обычно выбирают разнимания, которые искусственно «раздвигают» к краям платы. При этом все контакты разниманий равномерно распределяются по секциям (столбцам и строкам координатной сетки). На каждом l шаге (l=1,2.,n) для установки на коммутационную x0 плату выбирают элемент из числа еще не размещенных, что имеет максимальную степень связности с ранее закрепленными элементами Rl-1. В большинстве используемых в это время алгоритмов оценку степени связности делают по одной из следующих формул:

 

 

где с_іj – коэффициент взвешенной связности элементов i и j;

J_l-1 – множество индексов элементов, закрепленных на предыдущих l-1 шагах;

n – общее число размещенных элементов.

Если установочные размеры всех розташовуваних на плате элементов одинаковые, то избранный на дежурном шаге элемент x0 закрепляют в той позиции x0 из числа незанятых, для которой значение целевой функции x0 с учетом ранее размещенных элементов Rl-1 минимально.

В частности, если критерием оптимума является минимум суммарной взвешенной длины соединений, то

 

 

где d_fj – расстояние между f-о й позицией установки элемента x0 и позицией размещенного раньше элемента r_j;

Tl-1 – множество позиций, занятых элементами после (l-1)-го шага алгоритма.

Процесс размещения алгоритма заканчивается после выполнения n шагов алгоритма.

Алгоритмы, что используют последовательный процесс закрепления элементов в позициях, являются в это время самыми быстродействующими. Однако по качеству получаемого решения последовательные алгоритмы вступают итерационным. Поэтому их используют обычно для получения начального размещения элементов на плате.

Для размещения разногабаритных элементов наиболее эффективным является последовательно-групповой метод. Модель монтажного пространства представляется непрерывной плоскостью в координатах X,Y. Модель схемы - гиперграфом G(P,V), где P - множество выводов элементов; V - множество электрических цепей. Каждый элемент представляется прямоугольником, с указанием координат выводов элементов.

Для решения задания размещения элементов на плате по существующему файлу связей складывается матрица инциденций, что описывает число электрических соединений между всеми элементами схемы и строится граф всех связей. Дальше определяется минимальная размерность матрицы посадочных мест m x n, где m - число мест по горизонтали n - число мест по вертикали. Эта модель расширяется к размерам (2m-1) x (2n-1).

Первым в центр расширенной матрицы устанавливается элемент, который имеет наибольшее число влиятельных соединений, дальше устанавливается элемент, наиболее связан с максимально связанным элементом и эти элементы условно соединяются в одну группу. Потом устанавливается элемент, наиболее связан с этой группой и т.е., пока не будут определены посадочные места для всех элементов. При установке дежурного элемента минимизируется следующая функция:

 

Fi = Уk Уj (ЬjДxijk +вjДyijk) + Si

 

где: Si – неиспользованная площадь платы, связанная из разногабаритносттью элементов;

Ьj, вj =0, если и элемент не связан с j-тим;

Ьj=0, вj=4, если элемент связан с корпусом;

вj=0, если элемент связан со свободным выводом соединителя.

Во всех других случаях Ьj=1 вj=2, если і-тий элемент связан с j-тим

дxijkдyijk – разница соответственно между абсциссами и ординатами выводов устанавливаемого элемента с установленными,суммирование по k означает перебор по всем выводам устанавливаемого элемента, а суммирование по j – перебор по всем установленным элементам.

Далее при помощи системы ArtWork производим размещение элементов.

Общие сведения о системе ArtWork

Система позволяет сделать прорисовку контактных площадок, компонентов и трасс ортогонально-диагональной конфигурации для 2-слойных печатных плат (ПП), а именно получить послойные рабочие чертежи для их изготовления.

Программа Artwork состоит из модуля создания, корректировки и сохранения в файле изображений двухслойных плат EDIT.EXE и модуля вывода подготовленных изображений на принтер или плоттер DOT.EXE.

Программа EDIT.EXE

Диалог с программой ведется в двух режимах – командном и функциональном (с использованием функциональной клавиатуры и разных комбинаций клавиш). Переключение между режимами осуществляется клавишей <Enter>. Признаком командного режима имеется слово COMMAND > в нижней части екрана.

Командный режим.

В этом режиме используется 9 команд :

1) CLEAR - изображение платы на схеме размещения.

2) LOAD <имя файла> - загрузка изображения платы из внешнего файла, подготовленного раньше.

3) SAVE <имя файла> - сохранение изображения платы в файле.

4) MOUSE - подключение "мыши"

5) XLATE - соединение горизонтальной координаты Х левого края изображения на площади размещения с горизонтальной экранной координатой положения курсору и представление видимой в этом случае части изображения на экране.

6) CLEAVE <парам> - сдвиг изображения в границях площади размещения относительно позиции курсору на один дискрет (размер курсору или 1,25 мм) в направлении, отмеченном в параметре. Значение направления - один из четырех символов:

N(orth) - север

S(outh) - юг

W(est) - запад

E(ast) - восток

7) DIP <парам> <число конт> <размер> - расставляет контакты микросхем типа DIP (корпус с двурядным расположением выводов) относительно позиции курсору.

Значение параметра <парам> такие же,як и в команде CLEAVE.

При <парам> = N правый нижний контакт устанавливается на место курсору. Другие значения <парам> приводят к поворотам контактной маски относительно правого нижнего контакта, что отвечает положению курсору, в необходимом направлении

<число конт> - общее число контактов.

От значения параметра <размер> зависит расстояние между противоположными контактами микросхемы на площади размещения, что в дискретах равняется <размер> * 2 - 1.

Расстояние между соседними контактами - два дискрета.

8) SIP <парам> <количество конт> - размещение контактов микросхем типа SIP (корпус с однорядным расположением выводов) относительно позиции курсору.

Значение параметров и расположение контактной маски на площади размещения аналогично команде DIP.

Команду SIP можно использовать и для формирования рядов контактных площадок для однотипных элементов с двумя выводами (резисторов, конденсаторов и т.д.)

9) QUIT - выход в DOS.

Во время выполнения некоторых команд программа спрашивает:"DISCARD CURRENT WORKSPACE (Y/N)", то есть затирать ли рабочую область памяти, отведенную под площадь размещения. Это позволяет предотвратить потерю информации через невнимательность пользователя.

Функциональный режим.

Назначение некоторых клавиш и их комбинаций :

Клавиши F1-F8 используются после установки курсору в нужное место площади размещения.

F1 (или щегол левой кнопки мыши) - указание начала и конца соединения.

F2 (или щегол правой кнопки мыши) - уничтожение соединения.

F3 - установка контакта (создание переходного отверстия для ручной трассировки)

F4 - уничтожение контакта

F5 - увеличение толщины соединения

F6 - уменьшение

F7 - закрашивание площади под курсором

F8 - дублирование проведенного более раннее соединения

Alt + F1 - переключение видеорежима (color/mono)

Alt + F2 - изменение яркости фона в цветном режиме

Alt + F3 - изменение палитры в цветном режиме

Alt + F4 - переключение фона в цветном режиме

Alt + F5 - переключение палитры (3-х цветная/2-х цветная)

Alt + F6 - изменение цвета слоев

Alt + F7 - представление всей площади размещения на экране

Если NumLock не нажат :

<стрілки>- движение курсору в соответствующем направлении на одно дискрет

Home - перемещение курсору в левый нижний угол площади размещения

PgUp - переход на второй слой

PgDn - переход на первый слой

Если NumLock нажат :

<горизонт. стрелки> - движение курсору с шагом 10 дискрет

<вертик. стрелки> - движение курсору с шагом 5 дискрет.

Изображения печатных плат создаются на площади размещения, которая на экране представляется лишь частично. Размер видимой части площади размещения - это 1/20 часть всей площади размещения. Всю ее можно увидеть, нажавши Alt + F7 в функциональном режиме.

Была сделана проверка размещения элементов на плате . Для этого была составлена матрица связности которая отображает участие каждого элементу во все связках. Строка матрицы - это строка текстового файла, что описывает связь. Столбец – участие элемента в каждой связи.

На основании матрицы инциденций сделаем размещение элементов последовательно-групповым методом, что обеспечит наиболее высокую плотность размещения разногабаритных элементов в монтажном пространстве.

Условно считаем, что элементы, которые подлежат размещению (микросхемы) одногабаритные.

Количество микросхем на принципиальной схеме Z шт.= 9

Будем размещать их в матрице посадочных мест m x n >(или =) Z.

Для последовательно-группового метода расширяем ее к (2m-1) x (2n-1) = ....

Первый элемент, который имеет наибольшее число соединений – D3. Размещаем его в центре модели. Дальше размещаем элементы, наиболее связаны с ним.

При помощи последовательно - группового метода размещения было получено оптимальное размещение элементов:

Потом посредством программы EDIT был сложен файл размещения элементов на будущей плате. После автоматической трассировки был получен результат с 95% соединением элементов.

Не разведенными остались связки: (перечисление).

Посредством ручной трассировки этот недостаток был устранен.