Модуль NX™ PCB Exchange для интеграции с ECAD системами

С увеличением сложности конструкций радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) существенно возрастает и трудоемкость ее проектирования. Это связано с ростом размерности задач, решаемых в процессе разработки. Эффективным средством решения этой проблемы является применение компьютерной техники и современных САПР на всех этапах создания РЭА. В последнее время методы автоматизированного проектирования, как и радиоэлектроника в целом, находятся на этапе стремительного совершенствования. Поскольку высокоэффективные компьютеры перестали быть редкостью, методы машинного проектирования постепенно превращаются в инструмент, использовать который должен каждый современный инженер.

В процессе проектирования РЭА, как правило, применяют два класса САПР:

на первых этапах – ECAD системы – САПР электронных устройств для проведения схемотехнического проектирования, трассировки плат и оптимизации размещения на них электронных компонентов (электро-радио изделий);
далее САD/CAE системы – САПР для компоновки РЭА, получения трехмерных сборок, чертежей конструкций аппаратуры и проведения необходимых инженерных расчетов.

Использование инструментов САПР при разработке современных РЭА позволяет уже на стадии проектирования оптимизировать характеристики создаваемой аппаратуры. Также необходимо стремиться сократить время проектирования и уменьшить количество итераций при разработке перед выпуском готового продукта. Это возможно при интеграции указанных двух классов САПР для осуществления сквозного проектирования электронных устройств. Системы САПР имеют различные программные модули, позволяющие упростить и оптимизировать разработку на соответствующих этапах проектирования.

Одной из актуальных задач при интеграции ECAD САПР и САD/CAE систем является задача обмена проектными данными (рисунок 1). При этом важно корректно передавать информацию о проекте печатных плат, разработанных средствами ECAD САПР, в САD/CAE системы для дальнейшего трехмерного моделирования и проведения инженерных расчетов.

Рисунок 1

Для примера, далее, рассмотрим интеграцию ECAD системы САПР Mentor Graphics и САD/CAE системы САПР NX™.

Импортирование модельных данных по печатным платам в среду проектирования САПР NX™ из различных САПР электронных устройств или ECAD систем, которой является Mentor Graphics, осуществляется с применением модуля NX™ PCB Exchange.

При импорте модельных файлов печатных плат, разработанных ECAD системами, в модуле PCB Exchange САПР NX™ производится автоматическое построение трехмерной сборки платы с учетом:

данных об электро-радио изделиях (ЭРИ): наименования радиоэлементов, геометрические размеры, расположение и позиционное обозначение ЭРИ на плате, тепловая мощность и др.;
данных по слоям платы о трассировке, о контактных площадках, о металлизации, об отверстиях;
данных об используемых материалах с учетом их физических характеристик.

На базе сгенерированной трехмерной сборки печатной платы стандартными средствами САПР NX™ можно получить комплект чертежей и текстовой конструкторской документации. Сгенерированная трехмерная сборка печатной платы в дальнейшем может быть использованная как подсборка для компоновки прибора. Кроме этого, в модуле PCB Exchange САПР NX™ имеются средства для автоматизированного получения конечно-элементной модели (КЭМ) и расчетной модели (РМ) для анализа тепловых режимов работы платы.

В рамках модуля PCB Exchange САПР NX™ поддерживаются следующие форматы файлов для обмена данными между ECAD системами и САПР NX™:

IDF – стандартный формат для передачи информации из САПР электронных устройств (ECAD системы) в механические САПР, включает два файла с расширениями *.EMP и *.EMN;
BRD – файлы *.BRD и *.PRO, которые содержат текстовое описание геометрии платы (координаты контура, координаты и ориентация элементов на плате, координаты и диаметры отверстий);
GenCAD – ASCII-формат, общий для индустрии ECAD систем, файлы в формате GenCAD имеют расширение *.CAD.

Для обмена данными между Mentor Graphics и САПР NX™ рекомендуется использовать IDF или BRD форматы. Использование данных форматов обладает следующими неоспоримыми преимуществами:

1) Универсальность: форматы являются стандартным для передачи информации из САПР электронных в механические и фактически не зависят от того, из какой САD/CAE системы в какую передается проект.

2) Простота в использовании: система проектирования печатных плат генерирует два файла, которые дают полное представление о трехмерной модели печатной платы. Первый из них описывает, что называется, сборку печатной платы, то есть габариты подложки, координаты и угол поворота компонентов и т.д. Второй – фактически является библиотечным файлом, в котором описаны используемые компоненты проекта в виде простейших геометрических фигур.

Общий алгоритм передачи данных об изделии из САПР Mentor Graphics в САПР NX™ следующий:

сохранение модельного файла САПР Mentor Graphics в соответствующем формате;
определение настроек для импорта данных;
запуск конвертора PCB Exchange и импорт данных из САПР Mentor Graphics;
генерация трехмерной сборки модели печатной платы.

Сохранение модельного файла САПР Mentor Graphics производится стандартными средствами системы (функции «Экспорт» – «Импорт»). В результате экспорта формируются два модельных файла:

файл описание геометрии платы (*.EMN);
файл описания ЭРИ (*.EMP).

Импорт модельных данных по печатным платам в PCB Exchange является настраиваемым и управляемым процессом, с применением предусмотренных интерфейсом специальных фильтров и компонентов в терминологии соответствующей ECAD системы.

Определение настроек для импорта данных может быть осуществлено в специальном окне (рисунок 2), вызов которого производится из главного меню модуля PCB Exchange.

Рисунок 2

Далее производится запуск конвертора PCB Exchange и импорт данных из САПР Mentor Graphics. Для этой цели в главном меню модуля PCB Exchange предусмотрена команда «Импорт ECAD модели». В результате вызова данной команды выводится специальное окно (рисунок 3). Используя интерфейс окна «Импорт ECAD модели», можно выбрать модельный файл САПР Mentor Graphics, определить опции импорта и, далее, запустить конвертор PCB Exchange.

Рисунок 3

В результате импорта данных автоматически генерируется трехмерная сборка платы. Полученная трехмерная сборка представляет собой модель платы с отверстиями, нанесенными на нее слоями с металлизацией в виде эскизных контуров или геометрических поверхностей и набор трехмерных деталей ЭРИ с учетом их расположения на плате (рисунок 4). Наименования компонентов трехмерной сборки (плата, ЭРИ) соответствуют наименованию библиотеки компонентов в ECAD системе. Дополнительные данные об ЭРИ автоматически переносятся в свойства трехмерных деталей – компонентов трехмерной сборки печатной платы в NX™ (рисунок 5).

Рисунок 4

Рисунок 5

Следует заметить, что для корректной генерации трехмерной сборки печатной платы требуется ассоциативная взаимосвязь на уровне наименований трехмерных деталей ЭРИ в библиотеке САПР NX™ и наименований соответствующих моделей в библиотеке ECAD системы. В нашем случае это библиотека САПР Mentor Graphics. При импорте данных, в случае отсутствия соответствующей модели в библиотеке трехмерных деталей САПР NX™, производится автоматическая генерация упрощенной модели с габаритными геометрическими размерами согласно данных библиотеки ECAD системы.

Сгенерированная трехмерная сборка печатной платы в модуле PCB Exchange может быть использована для автоматизированного построения РМ. В данном случае построение РМ производится для теплового решателя NX™ THERMAL/FLOW и состоит из следующих этапов:

вычисление тепловых характеристик платы и определение параметров сетки КЭ для платы;
задание условий нагружения на ЭРИ по данным тепловой мощности заданной в ECAD системе и определение параметров сетки КЭ для ЭРИ;
генерация РМ с автоматическим переходом в CAE модуль NX™ Advanced Simulation для проведения расчетов на тепловые воздействия.

Вычисление тепловых характеристик, определение параметров конечно-элементной сетки платы, а так же сетки ЭРИ, задание условий нагружения на ЭРИ по данным тепловой мощности из ECAD системы осуществляется в специальных окнах модуля PCB Exchange (рисунок 6).

При генерации РМ возможен выбор различных типов сеток и тепловых связей. При необходимости допускается генерация сетки платы и ЭРИ в виде плоских или объемных конечных элементов. В общем случае все сгенерированные данные (конечно-элементные сетки и тепловые связи) могут быть введены заново или отредактированы на уровне модуля NX™ Advanced Simulation.

В результате генерации КЭМ и РМ создаются соответствующие модельные файлы и осуществляется переход в модуль NX™ Advanced Simulation для проведения расчетов на тепловые воздействия. Примеры сгенерированных КЭМ и РМ приведены на рисунках 7, 8 соответственно.

Сгенерированная РМ готова для проведения расчетов. Запуск решателя производится стандартным образом – команда «Solve» для активного расчетного случая в навигаторе «Симуляции» САПР NX™. Пример расчета и результаты расчета платы разработанной в САПР Mentor Graphics приведены на рисунке 9.