Программы автоматической трассировки печатных плат. Проблемы и их решения

Введение

Печатный монтаж появился в середине прошлого века. Промышленное освоение новых радиотехнических средств и материалов, малогабаритных вакуумных, полупроводниковых и других радиотехнических приборов, а также технологических процессов способствовало бурному развитию техники печатных схем [1].
Процесс монтажа радиоэлектронной или электронно-вычислительной аппаратуры на печатных платах позволяет:
– облегчить большую часть технологических процессов;
– повысить плотность размещения элементов;
– снизить вероятность ошибок монтажа;
– упростить упрощается поиск неисправностей в готовой аппаратуре [2].
Целью данного реферата является анализ программы автоматической трассировки печатных плат.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
– рассмотреть теоретические вопросы размещения элементов на электрической схеме;
– проанализировать виды ПО, позволяющие осуществлять автоматическую трассировку печатных плат.

1 Размещение элементов электрической схемы

Первой задачей при конструировании платы является необходимость в распределении схемы по конструктивно-функциональным узлам, т.е. осуществляется процесс называемый компоновкой узлов.
Если рассмотрим в общем случае радиоэлектронную схему (РЭС), то можно отметить, что она всегда содержит иерархию конструктивных частей (рисунок 1) [3].

Рис.1.  Произвольный неориентированный граф

Компоновка может быть многоуровневым процессом и реализовываться "снизу вверх" или "сверху вниз".
При компоновке "снизу вверх" происходит последовательное распределение узлов по возрастающей сложности. При походе "сверху вниз" осуществляется последовательное разбиение узлов высшего уровня на узлы меньшей сложности.
В ходе указанного процесса определяется состав каждого конструктивного узла, а также схемы внутриузловых и межузловых соединений.
Каждый из узлов представляет собой неделимый элемент по отношению к узлу более высокого уровня, поэтому он носит название "элемент". Из узлов можно составить конструктивный базис устройства.
Вопрос о том, как разместить элементы и как осуществить их трассировку имеют тесную взаимосвязь. В ходе ручных методов конструирования их необходимо рассматривать одновременно. При размещении элементов уточняются трассы соединений. Затем происходит корректировка положения некоторых элементов. Выбор ограничений и критериев зависит от того, на какую схемотехническую, конструктивную и технологическую базу была осуществлена опора. Стоит отметить, что проблема оптимизации соединений встречается в различных из представленных ранее задач. В конечном счете получают точное пространственное расположение отдельных элементов конструктивного узла изделия. А так же определяется выбор способа соединений выходов данных элементов.
В настоящее время каждое из электронный устройств обладает унифицированными узлами. Коммутационная часть зависит от конструктивно – технологического способа реализации соединений.
Критерии качества и ограничения, которые связаны с конкретными задачами размещения и трассировки, зависят от конкретных конструктивных и технологических особенностей реализации коммутационной части узла

. Все ограничения можно разделить на две группы в соответствии с метрическими и топологическими параметрами конструкции узлов и схем.
Метрические параметры представляют собой размеры элементов и расстояния между ними, размеры коммутационного поля, расстояния между выводами элементов, допустимые длины соединений и т.д [4].
Топологические параметры зависят от принятых в конкретной конструкции способа устранения пересечений соединений и относительного расположения соединений на коммутационном поле.
Основная цель размещения заключается в том, чтобы создать наилучшие условия для дальнейшей трассировки соединений при удовлетворении основных требований, которые обеспечивают работоспособность схем.
Пример размещения элементов на печатной плате изображен на рисунке 2.

Рис.2. Пример размещения элементов на печатной плате

Чаще сего критерием является минимальная величина взвешенной длины соединений.
Алгоритмы размещения могут быть разделены следующим образом:
модель задачи размещения, т.е. алгоритмы решения задач математического направления;
алгоритмы начального размещения, которые связаны с конструктивной составляющей;
алгоритмы, позволяющие существенно улучшить начальный вариант размещения;
непрерывные или дискретные методы размещения.
Первая группа состоит из методов ветвей и границ для задачи квадратичного назначения. С учетом определенных допущений можно к данной группе отнести задачу размещения.
Вторая группа моделей определяется оптимизацией размещения на непрерывной плоскости. При таком варианте нет предварительной фиксации набора позиций.
Третья и четвёртая группы состоят из приближённых алгоритмов. Они используются с целью оптимизировать размещение элементов в фиксированном наборе позиций.
Конструктивные алгоритмы приводят к созданию размещения. В ходе применения итерационных алгоритмов необходимо задать начальное размещение.
При использовании конструктивных алгоритмов находят применения последовательный или параллельно - последовательный процесс установки элементов в позиции. При этом критерием размещения является  локальная оптимизация функции.
Итерационные алгоритмы включают в себя переразмещение элементов или их групп. Изменение места вновь приводит к минимизации выбранного критерия. В ходе применения данных алгоритмов необходимы существенные затраты времени. Поэтому их используют только для того, чтобы получить окончательные размещение.
Если позиция для элемента заранее не оговорена, то необходимо применять непрерывно - дискретные методы размещения. Базовыми направлениями для того, чтобы построить алгоритм непрерывно-дискретной группы являются использование непрерывных моделей и механических аналогов задач размещения.

2 Программы автоматической трассировки печатных плат

В настоящее время имеется целый список программ, позволяющих осуществлять автоматическую трассировку печатных плат: P-CAD, OrCAD, TopoR, Altium Designer, Specctra, Proteus, gEDA и KiCad.
Наибольшее распространение в нашей стране получила программа P-CAD