Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния проблемы и выбор направлений исследований в области разработки метода проектирования межсоединений РЭС с учетом требований ЭМС в распределенной вычислительной среде 14
1.1 Общая характеристика проблемы 14
1.2 Актуальность проблемы и методический подход к ее решению 16
1.3 Современные проблемы обеспечения ЭМС при проектировании РЭС 17
1.4 Место и стратегия проектных решений 25
1.5 Применение прикладных программ при проектировании РЭС с учетом ЭМС 29
1.5.1 Системы анализа ЭМС РЭС 29
1.5.2 Задачи по обеспечению ЭМС при проектировании межсоединений 30
1.6 Постановка задачи 32
2 Разработка типовой структуры распределенных вычислений 34
2.1 Система распределенных вычислений 34
2.1.1 Идеология системы распределенных вычислений 34
2.1.2 Архитектура распределенных приложений 35
2.2 Анализ специализированного программного обеспечения в области ЭМС 37
2.2.1 Специализированное программное обеспечение в области ЭМС 37
2.2.2 Проектирование РЭС с использованием специализированного программного обеспечения в области ЭМС 44
2.3 Анализ математических пакетов 45
2.3.1 Mathcad 46
2.3.2 МАТЬ АВ ,48
2.3.3 Maple 49
2.3.4 Mathematica 52
2.4 Сравнение функциональных возможностей математических пакетов 57
2.5 Выводы по главе2 60
3 Разработка технологии интегрирования пакета Mathematica в Интернет-среду 62
3.1 Интернет-среда 62
3.1.1 Технология Word Wide Web 64
3.1.2 Качество обслуживания в Интернете 69
3.1.3 Требования к производительности 69
3.1.4 Требования к скорости передачи данных 71
3.1.5 Функции, выполняемые Web-серверами 71
3.1.6 Основные требования, предъявляемые к Web-серверу 72
3.2 Идеология системы проектирования с помощью распределенных вычислений 75
3.3 Выводы по главеЗ 82
4 Разработка методов оценки параметров ЭМС межсоединений РЭС 83
4.1 Система проектирования межсоединений РЭС с учетом требований ЭМС 83
4.2 Расчет помех отражения в линиях связи с применением пакета Mathematica в распределенной вычислительной среде 84
4.2.1 Разработка метода и алгоритма расчета помех отражения в линиях связи с применением пакета Mathematica 84
4.2.2 Внедрение алгоритмов расчета помех отражения в линиях связи в Интернет и разработка Web-интерфейсов 89
4.2.3 Расчет помех отражения в линиях связи с применением пакета Mathematica в распределенной вычислительной среде 90
4.3 Расчет электрофизических параметров линий связи с применением пакета Mathematica в распределенной вычислительной среде 95
4.4 Расчет помехоподавляющих LC-фильтров с применением пакета Mathematica в распределенной вычислительной среде 100
4.5 Расчет воздействия ЭМИ на кабельные и проводные линии различного назначения с применением пакета Mathematica в распределенной вычислительной среде 108
4.6 Расчет эффективности экранирования с применением пакета Mathematica в распределенной вычислительной среде 110
4.7 Выводы по главе4 113
Заключение 115
Список использованных источников 117
Приложение А
- Актуальность проблемы и методический подход к ее решению
- Анализ математических пакетов
- Идеология системы проектирования с помощью распределенных вычислений
- Расчет помех отражения в линиях связи с применением пакета Mathematica в распределенной вычислительной среде
Введение к работе
Основной тенденцией развития радиоэлектронных средств (РЭС) является повышение скорости обработки информации. Традиционным путем увеличения быстродействия является улучшение динамических характеристик активных элементов, оптимизация структуры и параметров схем, улучшение технологии производства элементной базы. Однако, с повышением быстродействия РЭС, появляются новые проблемы, связанные с переходом в наносекундный диапазон работы устройств и обусловленные искажением сигналов в линиях связи. С повышением быстродействия логических схем скорость преобразования информации приближается к скорости её передачи, а при задержках логических элементов становится сравнимой с ней. Доля задержки, обусловленной искажениями сигналов в нагруженных линиях связи, может составлять от 30% до 50% от общей задержки. В этом случае улучшение динамических характеристик схемных элементов может не дать желаемого эффекта.
Увеличение уровня помех в цепях связи вызывает необходимость поднимать предел помехоустойчивости логических схем, что ведет к увеличению значений рабочих токов и напряжений, а тем самым и к увеличению потребляемой мощности.
Важной частью исследуемой проблемы становится исследование переходных процессов, протекающих в межсоединениях, а также анализ взаимодействия этих процессов со схемными элементами. Поэтому актуальными в этих условиях становятся проблемы защиты информационных ресурсов, оценка устойчивости гражданских объектов, обеспечение функциональной безопасности информационных и телекоммуникационных систем. Основные направления исследований по проблеме электромагнитной совместимости (ЭМС) РЭС представлены на рисунке В.1.
Традиционный процесс разработки продукции, например, радиоэлектронных средств, содержит ряд контрольных точек - каждая со своими специфическими целями. В стадии исследования определяется проект и разрабатывается первоначальная стратегия. Затем разрабатывается макет, чтобы продемонстрировать осуществимость проекта и получить информацию для разработки РЭС. Первоначальные опытные образцы создаются для того, чтобы оценить конструкцию РЭС и начать объединение основных блоков продукта. Потом создаются опытные образцы, представляющие реальный вид продукции, которые тестируются для того, чтобы получить данные по соответствию требованиям и для дальнейшего предоставления на проверку.
Методы расчета
Инженерные вычисления
Распределенные вычисления
САПР
Методы и средства испытаний
Международные стандарты
Экспериментальная база
Концепция защиты
Рисунок В.1 - Основные направления исследований по проблеме ЭМС Так как проверка соответствия находится в конце традиционного процесса разработки, существует довольно высокая вероятность того, что окончательно разработанный продукт не будет отвечать данным по ЭМС, полученным во время первого тестирования, и потребует дополнительных инженерных разработок и компонентов. Такая ситуация в самом конце процесса разработки может быть плачевной для проекта. В зависимости от сложности возникшей проблемы, ее разрешение может варьироваться от
простой установки дополнительного фильтра в отдельных сигнальных проводниках - до повторной разработки проекта, которая включает в себя обширную переработку РЭС, разводки кабелей и корпуса продукта.
Если же уделить внимание проблеме ЭМС на более ранних этапах производственного процесса, это будет намного эффективнее других альтернатив. Ранние стадии разработки предоставляют разработчикам больше свободы в достижении ЭМС. Компоновка и схематическое проектирование имеют меньшее количество факторов, ограничивающих разработку. Когда разработка продукции приближается к завершающей стадии, произвести изменения в проекте становится необычайно трудно. Например, проблема помехоэмиссии, которая могла бы быть решена при разумном размещении межсоединений РЭС, может потребовать установки металлического экрана. Ключом к получению наибольшей выгоды от инвестиций является понимание между разработчиками принципиальной электрической схемы и компоновки, что им необходимо объединить свои усилия в достижении ЭМС, и тем самым предотвратить возникновение неприятностей на более поздних этапах разработки.
В решение проблемы обеспечения ЭМС РЭС внесли большой вклад советские и российские ученые и специалисты: Волин М. Л., Буль В. А., Газизов Т. Р., Гурвич И. С, Ибатуллин Э. А., Кармашев В. С, Кечиев Л. Н., Кириллов В. Ю., Князев А. Д., Наумов Ю. Е., Носов В. В., Петров Б. В., Степанов П. В., Файзулаев Б. Н., Чурин Ю. А. и др.; среди зарубежных ученых известны своими работами в данном направлении Дж. Барнс, Р. Миттра, Г. Отт, Д. Уайт, Т. Уилльямс, Э. Хабигер, Р. Харрингтон, А. Шваб,
Проектные решения при создании современных РЭС опираются на широкий спектр результатов анализа моделей элементов и устройств с использованием средств автоматизации проектирования.
Проблема автоматизированного проектирования РЭС носит междисциплинарный характер. В ее разработке значительный вклад внесли следующие ученые и специалисты: Абрайтис Л. Б., Зайцева Ж. Н., Норенков И. П., Овчинников В. А, Рябов Г. Г., Селютин В. А. и др.
В настоящее время в связи с повышением быстродействия РЭС появились новые проблемы в области ЭМС, такие как обеспечения целостности сигнала, уменьшения перекрестных помех между межсоединениями и т.д. Ранее в системах автоматизированного проектирования (САПР) такие задачи не были учтены. Включение их в состав современных САПР таких производителей, как Mentor Graphics Technologies, Cadence и Zuken, подтверждает возрастающую роль их учета при проектировании РЭС. Основой таких систем является математическое моделирование физических процессов, протекающих в аппаратуре при ее функционировании. При этом традиционное построение САПР опирается на
применении рабочих станций и локальных вычислительных сетей. Для крупных промышленных предприятий с большой номенклатурой проектируемых изделий целесообразно создание собственных вычислительных центров, оснащенных мощной вычислительной и сетевой техникой, и приобретение специализированных дорогостоящих программных продуктов. Развитие рыночных отношений вызвало к жизни появление большого числа малых производственных фирм, специализирующихся в некоторой узкой области, с относительно малыми объемами проектных работ. Для таких фирм экономически не целесообразно приобретение мощного технического и программного обеспечения для решения своих задач.
По мере развития информационных технологий и появления службы WWW Интернета получили развитие интерактивные системы по технологии "клиент-сервер". Подобный подход открывает новые горизонты для построения проектных процедур, поскольку на серверной стороне распределенной информационной среды может быть реализован вычислительный центр, обслуживающий всех желающих, в том числе и малые фирмы. Развитие подобного подхода сдерживается отсутствием методического и программного обеспечения проектных процедур, ориентированных на применение в среде Интернет. Один из подходов, основанный на применении пакета "Mathematica" фирмы Wolfram Research Inc. для решения задач в области ЭМС и его взаимодействия с системой схемотехнического моделирования NetSpice, рассматривается в диссертационной работе.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников. В приложении приведены акты внедрения и свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.
В первой главе рассмотрено понятие электромагнитной совместимости РЭС, модели влияния и механизмы связи между источником и рецептором помех, структура, конструкция и организация межсоединений РЭС, построенных с использованием сверхбыстродействующих элементов, и отмечены особенности данных межсоединений. Проведена классификация типов электромагнитных помех, рассмотрена природа их возникновения и конструкторские методы повышения ЭМС устройств. Показано, что задержки сигналов, их искажения, отражения, перекрестные помехи, статическое электричество, внешние электромагнитные помехи и электромагнитное излучение оказывают наиболее существенное влияние на основные параметры РЭС на основе печатных плат - ЭМС и быстродействие [1-14].
Показано, что успех любого бизнеса определяется, прежде всего, качеством продукции и услуг, а также овладение методами обеспечения качества, базирующимися на триаде - стандартизация, метрология, сертификация, которая является одним из главных
условий выхода поставщика на рынок с конкурентоспособной продукцией (услугой), а значит, и коммерческого триумфа [15].
Сегодня изготовитель и его торговый посредник, стремящиеся поднять репутацию торговой марки, победить в конкурентной борьбе, выйти на мировой рынок, заинтересованы в выполнении как обязательных, так и рекомендуемых требований стандартов по ЭМС. В этом смысле стандарты приобретают статус рыночного стимула. Таким образом, стандартизация является инструментом обеспечения не только конкурентоспособности, но и эффективного партнерства изготовителя, заказчика и продавца на всех уровнях управления.
Сегодня поставщику недостаточно строго следовать требованиям прогрессивных стандартов - надо подкреплять выпуск товара и оказание услуги сертификатом по ЭМС.
Особое место среди процедур проверки и подтверждения соответствия на ЭМС заняла сертификация, которая отличается от остальных, прежде всего, тем, что выполняется третьей стороной, независимой от изготовителей (поставщиков) и потребителей, что создает предпосылки высокой достоверности ее результата.
Показано, что в нашей стране и за рубежом ведется целенаправленная работа по решению проблем ЭМС. Завершается работа над техническим регламентом по ЭМС. Активно работают комитеты МЭК (Международная электротехническая комиссия).
В результате проведенного анализа сформулированы цели и задачи диссертационной работы.
Вторая глава посвящена разработке типовой структуры распределенных вычислений. Определены свойства, которыми должна обладать данная структура [16]. Определено, что средой для распределенных вычислений может стать Интернет.
Проведено сравнение известных прикладных программ, их подсистем, пакетов прикладных программ и отдельных программ, способных частично анализировать ЭМС различных элементов и конструктивов РЭС. Рассмотрены их возможности, особенности и недостатки. Показано, что с одной стороны имеются современные САПР [2, 17-25], которые дороги, для которых требуется постоянная техническая поддержка и современное дорогостоящее оборудование. С другой стороны, имеются малые предприятия, которым, в любом случае, необходимо подтвердить соответствие своей продукции требованиям ЭМС, но при этом не имеющие средств для приобретения дорогостоящих САПР. Для таких фирм экономически не целесообразно приобретение мощного технического и программного обеспечения для решения своих задач. В связи с этим возникает проблема определения таких средств, с помощью которых можно учесть ЭМС и при этом, чтобы их стоимость была не высока.
Проведен анализ математических пакетов [26-35]. Показано, что математическое моделирование физических, химических, технологических и других процессов в инженерных разработках приобретает с течением времени все возрастающее значение. На основе проведенного анализа определено, что для инженеров-разработчиков использование пакета "Mathematica" в качестве математического инструмента нахождения численных и точных решений математических моделей очень удобно и перспективно.
Определено, что по мере развития информационных технологий и появления службы WWW Интернета получили развитие интерактивные системы по технологии "клиент-сервер". Подобный подход открывает новые горизонты для построения проектных процедур, поскольку на серверной стороне распределенной информационной среды может быть реализован вычислительный центр, обслуживающий всех желающих, в том числе и малые фирмы. Развитие подобного подхода сдерживается отсутствием методического и программного обеспечения проектных процедур, ориентированных на применение в среде Интернет. Поэтому предлагается один из таких подходов, основанный на применении пакета "Mathematica" фирмы Wolfram Research Inc.
В третьей главе рассматривается реализация системы распределенных вычислений и ее внедрение в Интернет.
Определено, что основными требованиями, предъявляемыми к Web-серверу, являются: надежность, быстродействие, управляемость, расширяемость [36-38]. Быстродействие Web-сервера, как и любой серверной прикладной программы, в сильной степени зависит от выбранной комбинации Web-сервера, операционной системы и используемых аппаратных средств. Показано, что производительность большинства серверов оказывается достаточной для обслуживания повседневного трафика, если только количество обращений не будет составлять миллионы в день.
Создана система распределенных вычислений с использованием архитектуры клиент-сервер [39-41]. Сервером здесь выступает ядро пакета "Mathematica", где производятся все необходимые вычисления. Клиентом - разработанный Web-интерфейс, использование которого достаточно удобно как в плане производительности, так и в плане надежности. При этом полученные результаты могут использоваться в подсистеме схемотехнического моделирования NetSpice [41-43].
К преимуществам реализации Web-интерфейса можно отнести следующие:
отпадает необходимость в приобретении пользователем достаточно дорогого программного продукта;
для работы не требуется мощный компьютер;
вычисления могут быть произведены с любого компьютера, имеющего выход в Интернет.
Разработанный Web-интерфейс и необходимое для их выполнения ядро пакета "Mathematica" должны находиться на удаленном Web-сервере и быть доступны клиенту через Интернет.
Для решения поставленных задач используется CGI-программа написанная в среде Microsoft Visual C++ [41].
Таким образом, на основе разработанной системы распределенных вычислений создана методика проектирования межсоединений РЭС с учетом требований ЭМС в распределенной вычислительной среде.
В четвертой главе описываются система проектирования межсоединений РЭС с учетом требований ЭМС, алгоритмы, программы и Web-интерфейсы разработанные на основе математического пакета "Mathematica" и внедренные в распределенную вычислительную среду, которая основана на использовании Интернета.
Определено, что при проектировании межсоединений с учетом требований ЭМС возникает ряд задач, которые можно решить путем математического моделирования и соответственно расчетом этих моделей с помощью математического пакета "Mathematica". Для решения любой задачи необходимо ввести исходные данные, после чего провести соответствующий расчет и получить результаты. Полученные результаты можно использовать для решения другой задачи и, таким образом, решить максимальное количество задач.
Рассмотрим более подробно решение ряда задач связанных с проектированием межсоединений РЭС с учетом требований ЭМС в распределенной вычислительной среде.
Расчет помех отражения в линиях связи. Для расчета помех отражения в линиях связи методом характеристик в пакете "Mathematica" была разработана его математическая реализация. Алгоритм математической реализации метода характеристик построен таким образом, что решение достигается при любом корректном описании вольтамперных характеристик (ВАХ) применяемых микросхем [5, 44-77].
Реализованные алгоритм и его программная реализация позволяют проводить экспресс-анализ качества сигнала.
Расчет электрофизических параметров линий связи [78]. Расчет электрофизических параметров линий связи печатных плат на начальной стадии проектирования с применением пакета "Mathematica" производится на основе метода конформных преобразований. Разработан ряд программ, написанных для трех типов линий
связи (печатный монтаж, плоские кабели и проводный монтаж). Для каждого из типов линий связи было выбрано по пять-шесть наиболее распространенных сечений линий связи.
Результатом расчетов является вывод значения емкости, индуктивности, волнового сопротивления и времени задержки распространения сигнала. До результатов расчета, выводятся исходные данные расчета, введенные пользователем.
Расчет помехоподавляющих LC-фильтров [79]. Синтез производится по методу НЧ-прототипов. При этом процедура сводится к расчету фильтра-прототипа нижних частот и преобразованию его в соответствии с исходными требованиями. Программа синтеза условно разделена на две части: в первой производится расчет фильтра Баттерворта, во второй расчет Чебышевского фильтра. В свою очередь обе части можно разделить в зависимости от типа рассчитываемого фильтра: нижних частот, верхних частот, полосовой фильтр и режекторный фильтр.
Реализованная программа позволяет использовать ее для расчета идеализированных фильтров с заданными характеристиками, что существенно сокращает время, затрачиваемое на поиск справочных данных и расчет по формулам при синтезе фильтров.
Расчет воздействия ЭМИ на кабельные и проводные линии различного назначения [80, 81]. С помощью программы расчета воздействия электромагнитного импульса (ЭМИ) на кабельные линии телекоммуникационных систем (ТКС) на основе математического пакета "Mathematica", определяются напряжения в инженерных коммуникациях, кабельных линиях связи и энергоснабжения, управления и контроля с учетом реальной структуры сети кабельных линий.
Расчет эффективности экранирования с применением пакета "Mathematica" [82]. Программа позволяет проводить расчеты для сплошных экранов и экранов с отверстиями. При этом учитывается материал экрана, его толщина, количество отверстий и их тип (прямоугольное, круглое, отверстие в виде волновода).
Все перечисленные выше программы размещены в Интернете по адресу: .
Даны рекомендации по применению распределенных вычислений в инженерных задачах.
В заключении сформулированы основные выводы по диссертационной работе в целом.
Полученные в диссертационной работе результаты внедрены в практику создания, отладки и эксплуатации кабельных линий ТКС на предприятии ЗАО «РАДИОКОМСИСТЕМА», а также в учебный процесс ГОУВПО МИЭМ.
Актуальность проблемы и методический подход к ее решению
Проблема учета ЭМС при проектировании межсоединений РЭС, представляет собой сложный многоэтапный процесс, основные составляющие которого показаны на рис. 1.3.
Таким образом, можно говорить от том, что проблема обеспечения ЭМС очень актуальна. Это связано с ростом быстродействия элементов, а также с расширением частотной полосы пропускания в активной зоне переключения и уменьшения помехоустойчивости элементов при воздействии импульсов помех, формируемых в межсоединениях как сигналами в соседних линиях связи, так и внешними электромагнитными полями.
Решение проблемы ЭМС межсоединений РЭС возможно лишь на этапе конструкторского проектирования при разработке эффективной технологии автоматизированного проектирования межсоединений с учетом требований ЭМС.
Основной чертой развития цифровой техники на сегодняшний день является повышение быстродействия. Это ставит перед разработчиками РЭС и, в том числе, электронных модулей, выполненных на печатных платах, ряд новых задач. Понятие "высокое быстродействие" относится к устройствам и системам, которые работают на частотах 50 МГц и выше. В настоящее время от 50 до 60 процентов электронных модулей работают именно в этом частотном диапазоне. Тем не менее, большинство проектировщиков слабо информированы о тех новых задачах, которые возникают при проектировании быстродействующих РЭС. Это во многом объясняется рядом причин: отсутствие опыта проектирования быстродействующих плат, отсутствием должных знаний в области физических явлений и процессов, которые необходимо учитывать при проектировании плат, разрозненностью этапов проектирования (электрофизических, топологических), слабой поддержкой САПР таких задач проектирования, как целостность сигнала, обеспечение электромагнитной совместимости и т. п. [1].
Например, повышение частот приводит к проявлению "паразитных" параметров в топологических элементах печатных плат (проводниках, экранах, шинах питания), а также в компонентах (индуктивность выводов и т.п.). Кроме этого, работа цифровых микросхем на повышенных частотах имеет определенные особенности, которые сказываются на конструкции печатной платы. На системном уровне повышенное быстродействие требует учета влияния конструкции платы и особенностей передачи сигнала в ней на общие показатели системы.
Важным фактором, подтверждающим необходимость освоения методов проектирования печатных плат повышенного быстродействия, является непрерывное увеличение доли цифровой техники и увеличение ее быстродействия в общем объеме продукции. По оценкам специалистов в ближайшие годы до 90 % печатных плат будут создаваться для цифровых систем повышенного быстродействия. Причем номенклатура продукции занимает огромный спектр - от мобильных телефонов до уникальных изделий специального назначения. Распределение проектируемых на начало 2000 г. плат по частотному диапазону представлено на рис. 1.4. Видно, что доля высокочастотных плат составляет примерно 50 %, и она со временем будет расти.
Рисунок 1.4 - Распределение проектируемых печатных плат по частотному диапазону на начало 2000 г. Повышению быстродействия способствует применение новых конструкторско-технологических направлений, а именно новых конструкций корпусов интегральных микросхем, увеличение числа выводов на один корпус, применение технологии монтажа на поверхность и миниатюризации компонентов. При этом увеличивается плотность монтажа на плате, что, кроме технологических сложностей, определяет усложнение задач, связанных с проблемой электромагнитной совместимости.
Перечислим некоторые основные задачи, которые возникают при проектировании высокоскоростных электронных модулей на печатных платах: обеспечение требований электромагнитной совместимости; минимизация перекрестных помех; обеспечение согласования линий передач; устранение помех по шинам питания, заземления и сигнальным проводникам; устранение "отрыва" заземления микросхемы; обеспечения минимальной системной задержки. Все эти задачи существенным образом влияют на деградацию цифрового сигнала. При длительности фронта цифрового сигнала в 1 не и менее необходимо комплексное решение этих и ряда других задач. В противном случае у разработчика практически нет никаких шансов рассчитывать на успех. Конечным результатом решения этих задач является рациональная топология печатной платы и компоновка электронного модуля (печатного узла).
Следует отметить еще два важных момента. Во-первых, проектирование высокоскоростных печатных плат следует рассматривать как часть комплексного этапа проектирования электронных модулей. Только комплексное рассмотрение схемотехнических, конструкторских и технологических аспектов создания электронного модуля позволит достичь успеха.
Во-вторых, следует иметь в виду, что электронные модули являются важнейшими сборочными единицами РЭС, от которых зависит качество функционирования конечного продукта. Чем более выверены и обоснованы будут решения на стадии проектирования, тем короче и дешевле будет этап экспериментальной отработки, и тем быстрее изделие появиться на рынке. В условиях жесткой конкурентной борьбы этот фактор имеет очень большое значение.
Одновременно с ростом быстродействия элементов расширяется частотная полоса пропускания в активной зоне переключения и уменьшается помехоустойчивость элементов при воздействии импульсов помех, формируемых в межсоединениях как сигналами в соседних линиях связи, так и внешними электромагнитными полями. В этих условиях при конструировании РЭС к межсоединениям предъявляется ряд требований, выполнение которых существенно влияет на конструкцию РЭС в целом. Структура, конструкция и организация межсоединений РЭС, построенных с использованием субнаносекундных
Анализ математических пакетов
Проектирование быстродействующих устройств требует предварительных расчетов, позволяющих учесть ЭМС на стадии проектирования. Для проведения расчетов электрических параметров необходимо построение адекватных моделей составляющих частей РЭС, некоторые из которых, могут быть представлены, например, как межсоединения.
Исследования в направлениях связанных с обеспечением ЭМС можно проводить с использованием специализированного программного обеспечения, подразделяющегося по стадиям проектирования (рис. 2.3).
Для проведения исследований посттопологического проектирования могут использоваться следующие инструментальные средства анализа ЭМС: Omega Plus, Signal Integrity Analyzer, BoardSim, XTK и др. Провести более эффективное исследование проблемы электромагнитных шумов, позволяет использование программных средств предтопологического анализа (LineSim, ePlanner, BLAST, QUIET, QUIET Expert и др.) на ранних стадиях цикла проектирования изделия, когда составляющие модели не доступны и анализ ведется по эквивалентным схемам. Такой подход позволяет снизить временные и
Приведем краткую характеристику указанных программных продуктов:
HyperLynx - средство анализа целостности сигналов и ЭМС. Сейчас включает два продукта: LineSim и BoardSim. Первая программа предназначена для предварительной оценки проблем ЭМС, а вторая - для более подробного посттопологического анализа целостности сигналов, перекрестных искажений и параметров ЭМС.
LineSim позволяет представить еще не разработанный печатный узел (ПУ) в виде эквивалентной схемы, в которой микросхемы и дискретные элементы представлены соответствующими IBIS-моделями (I/O Buffer Information Specification models), а печатные проводники на плате - моделями линий передачи. Библиотеки компонентов содержат около 7000 моделей и легко могут быть пополнены. Пользователь может получить начальную информацию о работоспособности после задания последовательности слоев платы. Результат анализа позволяет конкретизировать требования к топологии, а модуль — передать их в систему проектирования.
BoardSim работает уже не с эквивалентной схемой, а с реальным чертежом платы. В данный модуль может быть загружен проект ПП, разработанный практически в любом современном пакете проектирования. Имеются средства расчета волновых сопротивлений проводников с учетом многослойной структуры платы.
ePlanner - предтопологическое средство анализа. Позволяет провести оценку проекта на этапе разработки базовой концепции. Например, можно построить графические модели топологий цепей с помощью разного рода "мастеров". Это позволяет рассмотреть различные подходы к проектированию. Модуль предоставляет разработчику оптимальное решение для задания ограничений в проекте еще до начала разработки 1111 в САПР. После того, как по окончательно разработанной принципиальной схеме будет сформирован список соединений, модуль ePlanner может быть использован совместно с системой управления ограничениями для наложения ограничений на критические параметры сигналов в проекте.
Предложенные топологии, ограничения на сигналы и варианты оконечных устройств могут моделироваться для оценки их влияния на временные показатели и качество сигналов. Разработчик имеет возможность изменять любые физические свойства, которые воздействуют на временные и качественные параметры сигналов, например, длину проводников, их волновые сопротивления или скорость распространения сигнала в них. Исследование перекрестных искажений может производиться с помощью метода подбора, использующего модели индуктивно связанных линий, в которых можно варьировать различные параметры, например, зазор между проводниками, длину связи, расположение слоев платы и свойства материалов. Затем предварительные оценки параметров уточняются и передаются вместе со списком соединений в среду проектирования 1111.
Blast - модуль, предназначенный для статического анализа временных характеристик. Тщательно анализирует проводники и определяет задержку в них, что позволяет на этапе проектирования ПП выявить нарушения заданных временных параметров сигналов. Предварительная оценка задержек в проводниках позволяет оптимизировать топологию на этапе трассировки. Имеется полная интеграция с программой ХТК, благодаря чему можно получить уточненные данные на посттопологическом этапе.
Традиционные программы моделирования логических схем обеспечивают функционирование проекта, когда он состоит из компонентов, имеющих средние или типичные значения временных задержек. Модуль Blast решает задачи построения проектов с использованием элементов, у которых определены минимальные или максимальные временные характеристики. Он моделирует худший случай с точки зрения временных параметров и позволяет сделать вывод о работоспособности проекта.
ХТК - специализированный инструмент для анализа целостности сигналов и перекрестных искажений в сложных многослойных ПП. Это система посттопологического анализа. После проведения подробного анализа всего проекта, с учетом заранее заданных критериев генерируется отчет с описанием всех выявленных нарушений. В программе используются собственные оригинальные алгоритмы, позволяющие повысить скорость России cr -v; госу.-у.пс: /; м: - анализа. Параметрический и статистический анализ проводится методом Монте-Карло. Модуль поддерживает широкий набор моделей устройств.
Встроенная система просмотра топологии облегчает пользователю поиск в проекте критических мест благодаря средствам визуализации в отчетах. Все найденные нарушения отображаются на топологии специальными маркерами. После этого производится интерактивный анализ сигналов в отдельных цепях или классах цепей. Затем проводится поиск возможного решения выявленных проблем.QUIET - расширенный модуль ХТК, полезен на всех этапах разработки проекта. Позволяет проводить анализ электромагнитных помех на системном уровне, в том числе в цепях питания и заземления; анализ целостности сигналов и перекрестных искажений на уровне отдельных 1111. Также есть возможность задать стратегию трассировки для наиболее критических цепей, определить стратегию распределения нагрузки в цепи, разрешить проблемы межслойных связей в платах, установить наборы правил проектирования для программ и др. Данная программная среда позволяет решить проблемы ЭМИ с помощью метода подбора, учитывает дифференциальные и синфазные источники помех. Поддерживается широкий набор библиотек элементов и совместимость с IBIS и SPICE моделями.
Идеология системы проектирования с помощью распределенных вычислений
В результате проведенного анализа ПО, среды для передачи данных и технических характеристик оборудования систему проектирования с помощью распределенных вычислений можно представить в виде схемы (рис. 3.10). При этом ПО для проведения расчетов в ней является пакет Mathematica, средой для передачи данных Интернет, а технические характеристики сервера (используется в вычислительном центре) и рабочих станций (используются во всех остальных случаях) определены ранее.
В создании РЭС участвуют различные организации, подразделения, исполнители. Организации делятся на Заказчика, Исполнителя, Субподрядчика [39].
Заказчик формулирует технические требования (ТТ) к РЭС и осуществляет приемку разработанного изделия.
Технические требования на разработку РЭС определяют показатели назначения (мощность, чувствительность, разрешающую способность и т. д.), а также содержат требования к конструкции: наименование, число и назначение основных частей; габаритные, установочные и присоединительные размеры; требования по взаимозаменяемости частей, унификации, типизации, стандартизации и преемственности. Кроме того, в ТТ входят требования по охране окружающей среды, помехозащищенности и электромагнитной совместимости, составу запасного имущества, безопасности работы, эргономике и эстетике, условиям эксплуатации (виду объекта установки, уровням климатических, механических,
Исполнитель на основании ТТ разрабатывает техническое задание (ТЗ), в котором содержатся экономические, производственные и другие требования, определяется порядок разработки и приемки изделия.
Субподрядчик решает для исполнителя частные вопросы: разработку и поставку новых материалов, элементов, узлов, технологических процессов, методов измерений или проводит испытания, отработку на соответствие требованиям эргономики и т. д.
При проектировании конструкции РЭС в той или иной степени принимают участие различные подразделения предприятия: системотехнические (определение структуры РЭС, разбивка на наземную и бортовую части); схемотехнические (разработка схемы, разбивка ее на узлы); конструкторские (общая компоновка, выпуск конструкторской документации, сопровождение производства); технологические (установление последовательности изготовления, отработка режимов, подготовка производства); производственные. Кроме того, в разработке принимают участие вспомогательные службы: надежности (рекомендации по структурной и информационной избыточности, проведение испытаний); снабженческие (поставка материалов, покупных изделий); патентные; автоматизированного конструкторского проектирования и т. д.
Исполнитель и Субподрядчик могут для решения различных задач использовать специализированное ПО, в частности, размещенное в Интернете. При этом необходимые сведения для расчета могут направляться в вычислительный центр, там обрабатываться и результаты отсылаться обратно.
Вычислительный центр, в свою очередь, для проведения расчетов может использовать свою базу данных моделей, элементов и т.д. или же обращается за недостающими сведениями к чужим БД.
Вычислительный центр представляет из себя совокупность специализированного ПО взаимосвязанного между собой. При этом если рассматривать организацию сервера с пакетом Mathematica, то с точки зрения администратора сервера порядок его создания представлен на рис. 3.11. Порядок создания пользователем программ для решения инженерных задач и их размещение на сервере представлен на рис. 3.12, а использование созданных программ на рис. 3.13
Т.к. система Mathematica построена с использованием архитектуры клиент-сервер, где сервером выступает ядро системы (Kernel), в котором производятся все необходимые вычисления, а клиентом - интерфейс (FrontEnd), то такое решение достаточно удобно как в плане производительности, так и в плане надежности (например, зависание вычислительной части, интерфейсная работает и все результаты работы можно сохранить). Таким образом, появляется возможность замены штатного интерфейса на более удобный и даже на свой собственный. Для удобства использования системы был разработан Web-интерфейс [40-42].
К преимуществам реализации Web-интерфейса можно отнести следующие: отпадает необходимость в приобретении пользователями достаточно дорогого программного продукта; для работы не требуется мощный компьютер; вычисления могут быть произведены с любого компьютера, имеющего выход в Интернет.
HTML-форма для введения условий задачи, алгоритма ее решения и необходимое для его выполнения ядро программы Mathematica, находятся на удаленном сервере и доступны клиенту через Интернет (рис. 3.14). Для решения этой задачи используется разработанная CGI-программа написанная в среде Microsoft Visual C++. Для установки связи со страницей, на которой размещен Web-интерфейс, в панели адресов браузера надо указать следующий адрес: http://spice.distudy.ru/math/index.htm.
Расчет помех отражения в линиях связи с применением пакета Mathematica в распределенной вычислительной среде
В пакете Mathematica для расчетов помех отражения методом характеристик [5, 39] была разработана его математическая реализация [44-77]. Алгоритм математической реализации метода характеристик построен таким образом, что решение достигается при любом корректном описании ВАХ применяемых микросхем. На рисунках 4.3, 4.4 приведены схемы включения линейных и нелинейных генератора и нагрузки.
Mathematica представлена на рисунке 4.6.Рассмотрим основные положения алгоритма расчёта формы сигнала при переключении МС из нуля в единицу (0 - 1). Т.к. в пакете Mathematica начертание текста обычное, то и написание функций, символов и т.п. далее в тексте будет таким же.
Задание граничных условий задачи: вольтамперные характеристики Us0(I), Usl(I),Ur(I) и значение волнового сопротивления линии связи Z (в Омах). Для задания ВАХ вводятся соответствующие точки в виде списков: UOout (на графиках Us0(I)), Ulout (на графиках Usl(I))) и Uin (на графиках Ur(J)) соответственно. При этом их количество и алгоритм расстановки зависят от характера ВАХ. Для вычисления промежуточных значений
функции используется математический аппарат интерполяции. При нем истинная функция заменяется аппроксимирующей функцией, которая в узловых точках дает точные значения ординат у(х) и позволяет вычислить значения интерполируемой функции в промежуточных точках (ГО, fl, f). Для решения задач интерполяции был проведен анализ возможностей пакета Mathematica на тему «Представление и обработка данных». Произведен сравнительный анализ функций: SplineFit, Interpolation, PolynomialFit, Fit, InterpolatingPolinomial. В результате для решения данной задачи была выбрана функция Interpolation, которая позволяет найти любое промежуточное значение на заданном отрезке изменения х, в том числе значения в узловых потенциалах. Для задания линейных ВАХ необходимо для опции InterpolationOrder функции Interpolation указать значение 1, что указывает степень подходящего полинома (для задания нелинейных ВАХ значение опции InterpolationOrder равно 3).
Построение ВАХ. Используются функции ListPlot, Plot и Show. Функция ListPlot строит графики ВАХ в виде набора заданных точек. Функция Plot строит график каждой функции отдельно, a Show строит их вместе. Предварительный просмотр позволяет пользователю оценить правильность введенных данных на первоначальном этапе. Если этого не сделать, то ошибка при введении ВАХ может прервать весь расчет и будет выведено сообщение об ошибке.
Используемые функции: ListPlot[{{xl,yl}, {х2,у2}, ...}] - выводит график списка величин с указанными х - и у - координатами; Plot[fIx], {х, xmin, xmax}] - возвращает объект, представляющий собой график функции f аргумента х в интервале от xmin до xmax; Show[plotl, plot2, ...] - построение нескольких графиков с наложением их друг на друга. При этом для лучшей визуализации графиков и их печати использовались директивы двумерной графики: PointSize[d] - задает вывод последующих точек графика в виде кружков с относительным диаметром d, заданным как доля общей ширины графика; Thickness[r] - устанавливает для всех последующих точек толщину г, заданную как доля полной ширины графика; Dashing[{rl, г2,...}] - задает построение последующих линий пунктиром с последовательными сегментами rl, г2, ..., повторяемыми циклически, причем п задается как доля полной ширины графика. Используемые опции: AxesLabel- {"x","y"} - создает надписи у координатных осей х и у; PlotLabel - "text" - выводит титульную надпись text на графике; PlotJoined- True - указывает, что следует соединять линией точки, нанесенные на график. Определение статического режима «О». Для нахождения лог. «О» используется функция FindRoot[fO[x] = f[x],{x,xmin,xmax}], которая отыскивает одно решение на интервале от xmin до xmax. Для автоматического задания интервала используются функции Sort и Part. Функция Sort сортирует элементы заданных списков в каноническом порядке, после чего функция Part выделяет для начала интервала (xmin) - наибольший элемент списков из наименьших и для конца интервала (хтах) - наименьший элемент из наибольших. Находим точку пересечения ГО с f, соответствующую логическому «О». Нахождение точек пересечения нагрузочной прямой с fl, характеристики падающей волны (XIШ) с f, характеристики отраженной волны (ХОВ) с П и точки статического режима «1». Для решения данной задачи используются следующие функции: Module, FindRoot, AppendTo, FixedPointList. Рассмотрим каждую из них подробно: AppendTo[s, elem] - добавляет elem к значению s и присваивает s новое значение; Module (Module[{a,b,...},proc] - используется для задания процедуры со списком локальных переменных {а,Ь,...} и телом ргос; FixedPointList[f,expr] - вычисляет f начиная отсчет с ехрг, пока результат не перестанет изменяться, и возвращает все промежуточные результаты итераций. Сначала создаем локальную (временную) переменную а (переменная) внутри функции stepl и используем функцию Module для задания процедуры со списком локальных переменных {pnt, b} и телом, которое включает стандартные функции FindRoot и AppendTo. Используя функцию FindRoot находим точку пересечения нагрузочной прямой с выходной ВАХ генератора для состояния лог. «1» fl (переменная inter). Затем добавляем ее в список waves (функция AppendTo). Построение нагрузочной прямой производится под углом Z. Задаем нагрузочную прямую значением волнового сопротивления Z. Определение амплитуд падающих и отражённых волн. Для этого последовательно строится ХПВ под углом -Z до пересечения с входной ВАХ нагрузки f и присваивается ее значение переменной result, и ХОВ под углом, который пропорционален +Z до пересечения с выходной ВАХ генератора для состояния лог. «О» ГО (переменная inter). Значения result и inter добавляются в список waves, а их абсциссы в списки dropping и reflected соответственно (для построения осциллограмм начала и конца линии). Построение ведётся до достижения статического режима «1». Для определения статического режима «1» используется функция FixedPointList, которая вычисляет stepl начиная расчет с точки zero,
