Altium Designer

Altium Designer представляет собой современный программно-аппаратный комплекс, предлагающий:

• единую среду для проектирования РЭС на базе печатных плат и ПЛИС,
• сквозную технологию от разработки или описания электрической схемы до подготовки платы к производству,
• работу с интегрированной базой данных электронных компонентов,
• поддержку двунаправленного интерфейса со многими распространенными CAD-системами,
• широкие возможности в пользовательских настройках,
• коллективную работу над единым проектом.

Особенности Altium Designer:

Принцип сквозного проектирования

Принцип сквозного проектирования подразумевает передачу результатов одного этапа проектирования на следующий этап в единой проектной среде. При этом изменения, вносимые на любом этапе, должны отображаться во всех частях проекта. Такой принцип позволяет разработчику контролировать целостность проекта, отслеживать изменения и синхронизировать их.

Впервые этот принцип реализован в системе Altium Designer. Также можно отметить следующие ее достоинства:

• простой и интуитивно понятный пользовательский интерфейс системы: его настройка согласно требованиям конкретного пользователя, а также использование меню с командами на русском языке и множества «горячих» клавиш позволяют научиться эффективно работать с программой менее чем за две недели;
• возможность коллективной работы над проектом;
• поддержка совместимости с многими старыми и современными популярными САПР РЭС (ECAD) и механических САПР (MCAD);
• все действия, выполняемые пользователем вручную, могут быть описаны с помощью макросов и выполнены автоматически, что открывает широкие возможности для автоматизации рутинных операций процесса создания принципиальных схем и проектирования печатных плат;
• программа имеет набор документации на русском языке, разработаны специальные методические указания для начинающих. Базовая программа обучения рассчитана на пять дней и позволяет пользователям выработать правильные навыки работы в этой системе;
• это программно-аппаратный комплекс для создания большинства современных РЭС при достаточно небольшой стоимости.

DXP-платформа

В основе системы Altium Designer лежит программная платформа Design Explorer (DXP), объединяющая в себе различные модули для реализации всех функций сквозного автоматизированного проектирования:

• редактор схем;
• редактор библиотек моделей электронных компонентов;
• программу моделирования всевозможных схем РЭС;
• текстовый редактор списка соединений и описаний на языке VHDL;
• редактор синтеза логики для ПЛИС;
• редактор печатных плат, автотрассировщик;
• интерфейсы импорта и экспорта;
• CAM-средства и др.

DXP – программная платформа для решения всех задач в Altium Designer

В случае отсутствия в системе нужных функций пользователю предлагается специальный набор Software Development Kit, позволяющий создавать собственные вспомогательные модули, которые затем будут прочно интегрированы в единую систему. Благодаря наличию этого модуля полностью снимаются какие-либо ограничения на дальнейшее развитие пакета Altium Designer как компанией-разработчиком, так и самими пользователями.

Важные особенности DXP-платформы:

• среда DXP представляет собой 32-разрядное клиент-серверное приложение, предназначенное для работы под управлением операционных систем Windows XP SP2 Professional или выше;
• работа с файлом проекта Altium Designer, который представляет собой специальный служебный файл, содержащий ссылки на отдельные документы и определяющий права доступа к ним в рамках DXP;
• широкие возможности по созданию документов и подключению к проекту или добавлению существующих документов, а также исключению из проекта;
• запуск DXP осуществляется самостоятельно или путем выбора в папке любого документа, относящегося к проекту Altium Designer;
• 3 уровня настройки: системы и редактора (из единого меню) и документа;
• состав команд главного и всплывающих меню (кроме команд меню DXP, которое относится ко всей платформе) меняется в зависимости от вида текущего проекта и активности соответствующего редактора;
• панели и окна рабочей области могут быть специфически настроены пользователем;
• количество подключенных к работе с системой Altium Designer мониторов ограничивается только возможностями видеокарты ПК;
• дублирование почти всех пунктов меню DXP «горячими» клавишами позволяет значительно ускорить работу;
• отдельные документы проекта могут храниться на одном (сервере) или нескольких ПК в рамках локальной вычислительной сети;
• допускается множественный доступ к одним и тем же файлам и использование одного документа в разных проектах;
• реализован функционал для совместной работы разработчиков как одного подразделения, так и различных подразделений предприятия;
• хранение «истории» (до 8 версий) проекта обеспечивает контроль, сравнение и восстановление данных проекта, а также сохранение целостности проекта при непредвиденных сбоях.

Одной из функций DXP является ввод и поддержка разного вида проектов:

1. Проект печатной платы (файлы – *. PrjPCB) – построение схемы на основе библиотек, моделирование, создание конструкции ПП, получение производственных файлов (ODB++, Gerber, NC Drill).
2. Интегрированная библиотека (*.LibPkg, *.IntLib) – компиляция компонентов библиотечного пакета в единый файл интегрированной библиотеки.
3. Проект логического ядра (Core Project – *.PrjCor) – создание элементов логической структуры проекта ПЛИС.
4. Проект ПЛИС (FPGA Project – *.PrjFpg) – формирование схем или HDL-описания логики, ввод ограничений, компиляция заданной логики в формат обмена EDIF.
5. Встроенный проект (Embeded Project – *.PrjEmb) – проектирование программного приложения на языках С или Assembler.
6. Скрипт-проект (*.PrjScr) – автоматизация с использованием интерфейса программирования приложений API на скрипт-языках (DelphiScript, EnableBasic, VB Script, JavaScript и др).

Редактор схем

Особенности Редактора схем системы Altium Designer:

• возможность переключения в проекте систем измерения (дюймовая/метрическая) снимает все ограничения для оформления схем согласно требованиям ЕСКД;
• возможность создания в Altium Designer сложно-иерархических проектов, где проект изначально строится сверху вниз: РЭС – блок – субблок – модуль – ячейка – печатная плата – электронный компонент (ПЛИС), в отличие от системы P-CAD, где ввод проекта ограничен лишь вводом схемы (пусть даже многолистовой);
• поддержка многоканальных принципиальных схем, то есть нет необходимости копировать подчиненные листы по числу одинаковых каналов, достаточно нарисовать схему канала один раз и правильно связать ее с вышестоящим листом, что ранее было только в «тяжелых» САПР для построения многоканальных проектов. В дальнейшем при моделировании или передаче проекта в Редактор печатных плат система автоматически размножит описанные каналы, присвоит компонентам уникальные позиционные обозначения и добавит необходимые связи.
• Altium Designer позволяет легко преобразовывать огромные сложные схемы в набор простейших подсхем, а также сохранять фрагменты схем для использования в будущем;
• специальные мастера по размещению графических объектов и текстов, а также специальный инструмент SCH Inspector для выборки элементов схемы в группы, совместного редактирования их свойств или размещения;
• использование инструментов Редактора схем при:
1. формировании символов электронных компонентов схем и их библиотек;
2. текстовом редактировании списка соединений и описаний на языке VHDL;
3. процедуре моделирования схем;
4. синтезе логики для ПЛИС;
5. генерации BOM-файла (Bill of Material).

Пример части проекта в Редакторе схем

Разработка библиотек

Особенности разработки библиотек в Altium Designer:

• 4 типа библиотек: символов (*.SchLib), посадочных мест (*.PcbLib), интегрированная (*.IntLib), база библиотек данных (*.DBLib). Текстовые описания SPICE-моделей и IBIS-моделей в отдельных файлах (*.MDL, *.CKT);
• в среде DXP отображаются связи между различным представлением компонента;

Пример просмотра Библиотеки компонетов

• Редактор схемотехнических символов электронных компонентов в Altium Designer является составной частью Редактора схем, а не автономным приложением, как в P-CAD;
• Altium Designer содержит огромные библиотеки уже готовых компонентов (более 95 тыс.), которые к тому же постоянно обновляются и доступны через средства Internet-окружения пользователя;
• облегченные механизмы для создания собственных библиотек символов, посадочных мест, трехмерных моделей и SPICE-моделей;
• специальный Мастер для импорта проектов и готовых библиотек из Protel X, P-CAD 200Х и других программ, что расширяет возможности по созданию собственных библиотек. Данная функция особенно полезна при работе с проектами, полученными от других разработчиков, использующих свои библиотеки компонентов;
• интегрированная библиотека позволяет в едином файле хранить набор схемных символов компонентов и их ассоциативные модели;
• при создании рабочей интегрированной библиотеки производится объединение (компиляция) отдельных библиотек (символов, посадочных мест, SPICE-моделей и IBIS-моделей) компонента и верификация с сообщением о возможных ошибках;
• возможность преобразования интегрированной библиотеки в базу библиотек компонентов (*.DBLib), где все ссылки на символы, привязанные модели и другая параметрическая информация хранятся в базе данных на основе ODBC, ADO или формате Excel. В этих форматах гораздо проще наполнять базу данных однотипными компонентами, а также группировать их по параметру и редактировать у них другие параметры или ссылки на файлы моделей.

Пример просмотра Базы данных в Access

Моделирование устройств

Важным шагом в достижении нужного результата при создании проекта РЭС является процесс отладки работы схемы устройства еще до его воплощения «в железо», поэтому в состав Altium Designer включена программа моделирования, которая позволяет разработчику сразу по окончании создания принципиальной схемы начать ее анализ, изменять параметры и проводить статистический анализ.

Основные возможности:

• расширенная версия пакета Berkeley SPICE3f5/XSPICE для моделирования любой комбинации из аналоговых и цифровых устройств (смешанных схем);
• цифровые устройства, включенные в библиотеки моделей, описаны с помощью патентованного языка Digital SimCodeTM;
• возможность моделировать и синтезировать устройства, описанные на языке HDL (VHDL, Verilog);
• в расчете учитываются почти все реальные параметры (для цифровых схем – задержка распространения, время установки и удержания, учет нагрузки на всех выводах устройств и т.д.);
• программа содержит модели источников сигналов, имеющих линейные и нелинейные зависимости. Они предназначены для построения эквивалентных схем различных устройств, рассматриваемых как «черный ящик»;
• результаты компьютерного анализа, как правило, идентичны результатам, получаемым при макетировании, а смоделированное поведение устройств в точности воспроизводит работу реального изделия;
• поддержка моделей от ведущих производителей: Motorola, Texas Instruments и др., которые создают модели для обеспечения максимальной совместимости с аналоговым моделированием. Система позволяет использовать эти модели непосредственно, без дополнительной адаптации;
• для всестороннего тестирования и анализа схемы пользователю предоставлено более 20 000 математических моделей;
• при размещении элемента на листе принципиальной схемы происходит автоматическое установление связи с соответствующей моделью для анализа схемы;
• полученные выходные сигналы, результаты их математической обработки и различные функции (зависимости) могут быть отображены в специальном окне.

Altium Designer поддерживает большое количество типов анализа, в том числе:

• частотный анализ в режиме малого сигнала;
• анализ переходных процессов;
• расчет спектральной плотности внутреннего шума;
• анализ передаточных функций по постоянному току;
• статистический анализ выходных электрических параметров схемы методом Monte-Carlo;
• анализ влияния изменений значений параметров элементов схемы и температуры на работу схемы;
• спектральный анализ Фурье;
• возможности по математической обработке рассчитанных сигналов: их сложения, вычитания, применения к ним различных математических функций.

Пример анализа сигналов на схеме

Редактор печатных плат

Главное назначение любого Редактора печатных плат – это размещение компонентов и трассировка проводников на сигнальных слоях платы, соединяющих выводы компонентов согласно списку соединений. Система Altium Designer предлагает пользователю достаточный набор инструментов для автоматизации этих и других действий. Основные особенности редактора:

• одинаково хорошо работает как с метрической, так и с дюймовой системой мер, причем заложенная точность на два порядка выше, чем в системе P-CAD, а переключение системы единиц может быть выполнено в любой момент работы над проектом с помощью «горячей» клавиши;
• имеет ряд специальных функций, упрощающих работу с компонентами, имеющими разный шаг между выводами, в том числе и в разных системах единиц, поскольку имеет так называемую электрическую сетку (Electrical Grid), задающую некоторую окрестность вокруг электрического объекта (конца проводника, контактной площадки, переходного отверстия), попадая в которую указатель мыши притягивается точно к его центру независимо от установок сетки Snap Grid. Это существенно упрощает работу с разнородными компонентами. В других системах проектирования, как правило, проблемы начинаются, если на одной плате используются топологические посадочные места с метрическим и дюймовым шагом выводов;
• допускается три типа слоев: электрические (сигнальные и экранные), механические;
• проект может содержать до 32-х сигнальных слоев, предназначенных для формирования рисунка многослойной печатной платы;
• для размещения элементов сборки, различной вспомогательной и служебной информации (обозначений размеров, контура печатной платы, различных масок, границ областей трассировки, таблиц, служебных меток и надписей, форматки чертежа и т.д.) можно использовать до 16 механических слоев, содержимое которых может выводиться в Gerber-файлы наряду с информацией из электрических слоев;
• специальная функция назначения пар механических слоев позволяет размещать на них контуры компонентов, используемые при генерации видов различных сторон платы для сборочного чертежа;
• до 16 внутренних экранных слоев для выполнения проводников в виде металлизированных полигонов (земли и питания);
• как и в Редакторе схем, в Редакторе плат имеется несколько режимов и подрежимов прорисовки проводников, но здесь их больше, так как существует возможность прорисовки дуг. Имеются режимы рисования: ортогонально, ортогонального с дугой, под углом 45 градусов, под углом 45 градусов с дугой, под произвольным углом;
• все подсхемы иерархической структуры проекта «привязаны» к определенной области на плате («комнате размещения» или Room), что значительно упрощает работу конструктора. Так, при многоканальной структуре проекта все компоненты определенного канала будут автоматически привязаны к Room, что облегчит их последующее размещение и трассировку связей, благодаря уникальной функции Copy Room Format;
• также DXP поддерживает сохранение и последующее использование фрагментов плат;
• с помощью мощной, полностью наглядной и настраиваемой системы задания и проверки правил проектирования (DRC) конструктор определяет четкие логические критерии управления автоматическим или полуавтоматическим проектированием плат и получает полный контроль над ним;

Вид одного из окон настройки правил проектирования DRC

• все правила проектирования, учитываемые в редакторе печатных плат, сгруппированы в 10 категорий. Представленные в одной категории правила отличаются по типу, причем нет никаких ограничений на использование правил одного типа к различным объектам, например, всей плате, Room, классам цепей или отдельным цепям. Приоритет правил определяется их положением в списке, которое устанавливается вручную при их создании;
• выполняемые вручную операции контролируются постоянно, поэтому любое неверные действие мгновенно отображается как нарушение;
• существующие средства автоматического и интерактивного размещения компонентов – это две встроенные программы авторазмещения компонентов Cluster Placer и Statistical Placer, что существенным образом отличает ее от P-CAD, в котором таких средств нет вообще. Cluster Placer рекомендуется для работы с платами с числом компонентов не более 100 и хорошо управляется набором соответствующих правил проектирования, регламентирующих зазоры между компонентами, разрешенные слои, ориентацию, высоту и группировку, что существенным образом отличает ее от P-CAD, в котором таких средств нет вообще. Программа автоматического размещения Statistical Placer предназначена для обработки плат с большим числом компонентов (свыше ста). Она работает по принципиально другим алгоритмам и не учитывает никакие из выше перечисленных правил проектирования. Главным критерием правильного размещения компонентов здесь считается равномерное распределение компонентов на плате при оптимальной плотности связей. Но в общем случае обе программы могут рекомендоваться только как вспомогательный инструмент при интерактивном размещении, когда часть компонентов предварительно размещается вручную и блокируется. Традиционно считается, что автоматическое размещение с помощью большинства программ выполняется некорректно. Однако в большинстве случаев в этом виноваты сами пользователи, которые уделяют недостаточное внимание подготовительному этапу. Чем хуже пользователь описывает критерии, которые должны использоваться в работе программы расстановки, тем худший будет получен результат;
• Altium Designer позволяет прокладывать сегменты проводников непосредственно из центров электрических объектов (контактных площадок, переходных отверстий) или концов существующих проводников без привязки к сетке Snap Grid, чем снимает любые ограничения и неудобства, связанные с использованием топологических посадочных мест, созданных в разных системах измерения;
• современный автотрассировщих, именуемый Situs, который является модифицированной версией использованного в пакете Protel модуля ShapeBased Router и имеет возможность настройки стратегии трассировки посредством задания последовательности выполнения специальных процедур, например, веерного размещения стрингеров у SMD-компонентов, разрыва и раздвигания уже имеющихся проводников, спрямления, чистки и т.д. Процесс трассировки платы управляется сложными наборами правил проектирования, регламентирующих зазоры между проводниками на разных слоях платы, их ширины или импедансы; типы переходных отверстий, способ соединения их и контактных площадок с полигонами и внутренними слоями питания и заземления; приоритетное направление на слое и многое другое. В результате, удается избежать досадных ошибок, вызванных действием «человеческого фактора»;
• не менее важную роль автотрассировщик играет в качестве вспомогательного инструмента при интерактивной разводке проводников. Situs как бы присматривает за действиями разработчика: спрямляет и раздвигает проводники, убирает замкнутые петли, «вспахивает» полигоны, заменяет или удаляет переходные отверстия и т.д. Более того, он осуществляет непрерывный контроль правил проектирования DRC, в результате чего система просто не позволяет пользователю выполнить неправильное действие. Однако в ходе такой поверки, называемой on-line DRC, проверяются далеко не все правила проектирования, которые могут быть учтены при так называемой пакетной проверке DRC. Наличие функции интерактивного контроля DRC является главным отличием системы Altium Designer от P-CAD, где возможную ошибку можно будет выявить только в ходе пакетной проверки DRC. Более того, при прокладке проводников здесь нет необходимости обращать внимание на настройку сеток: наличие Electrical Grid позволяет прокладывать проводники по оптимальному пути из центра одного электрического объекта в центр другого в соответствии с выбранным режимом рисования. При необходимости включится режим расталкивания препятствий, при котором мешающий проводник будет автоматически отодвигаться по мере прокладки проводника. Новое положение мешающего проводника определяется правилами проектирования, регламентирующими зазоры, и никак не привязывается к сетке;

Пример интерактивной разводки проводников на плате

• все внесенные на плату изменения могут быть переданы обратно в Редактор схем. Целостность проекта контролируется посредством крайне оригинального механизма синхронизации проекта, ключевым элементом которого является специальный модуль программы – компаратор. При необходимости может быть сгенерирован традиционный отчет о внесенных изменениях (ECO).

Анализ целостности сигналов (Signal Integrity)

Сложность и плотность компоновки современных печатных плат постоянно повышается, поэтому для правильной работы разрабатываемого устройства необходимо провести дополнительный анализ поведения сигналов с учетом особенностей реальной топологии (искажения форм сигналов за счет паразитных эффектов отражений и перекрестных искажений (взаимных наводок) в печатном монтаже) и избежать возможных проблем в будущем. Для решения этой задачи:

• критерии оценки качества сигналов задаются специальными правилами проектирования из категории Signal Integrity;
• для анализа целостности сигналов подключаются модели компонентов, учитывающие входные и выходные импедансы (сопротивления и емкости) выводов компонентов (буферов интегральных микросхем, других электрических выводов), прохождение сигналов через ИС не моделируется, они заменяются IBIS-моделями (Input/Output Buffer Information Specification), а дискретные компоненты заменяются соответствующими SPICE-моделями;
• в Altium Designer имеются модули пред- и посттопологического анализа целостности сигналов;
• модуль предтопологического анализа позволяет разработчику выполнить предварительный расчет и провести оценку проекта еще на этапе создания принципиальной схемы, то есть еще до начала компоновки и трассировки печатной платы рассчитать основные параметры системы, смоделировать ее возможное поведение при воздействии критических сигналов, оценить устойчивость проекта и выработать набор рекомендаций, в дальнейшем оформленных разработчиком в виде топологических директив, которые при передаче на плату будут автоматически преобразованы в соответствующие наборы правил проектирования;
• модули посттопологического анализа имеются почти во всех системах проектирования печатных плат, но в системе Altium Designer этот модуль интегрирован непосредственно в Редактор плат и позволяет выполнять первичный анализ на уровне DRC. Данная функция отсутствует в стандартном наборе инструментов всех остальных систем проектирования печатных плат «среднего» уровня;
• при анализе целостности сигналов все сегменты проводников на печатных платах представляются в виде отрезков линий передачи, после чего выполняется расчет переходных процессов при воздействии на них импульсных сигналов;
• помимо расчета формы сигнала в каждом узле проводника здесь выполняется анализ перекрестных искажений (взаимных наводок);
• особенностью анализа является то, что здесь не учитываются физические эффекты, связанные с распределением токов в проводниках земли и питания. Эти цепи считаются идеальными;
• при пакетной проверке запускается система моделирования сигналов в проводниках платы и, если паразитный сигнал превышает определенный уровень, генерируется и заносится в отчет информация о нарушении. В дальнейшем выявленное нарушение служит подсказкой при более подробном анализе электромагнитной совместимости;
• модели зависят от типа, схемотехники и технологии изготовления компонентов;
• модели бывают внешние и поставляются производителями компонентов или задаются непосредственно в среде Редактора библиотек.

Работа с трехмерными моделями

В Altium Designer существует возможность просмотра внутри системы трехмерного вида проектируемой платы по технологии OpenGL. Разработчик может:

• вывести на монитор реальный вид платы с компонентами;

Пример 3D-просмотра элементов на плате

• оценить сопряжение платы с механическими деталями конструкции и тут же внести необходимые изменения;
• отключать отображение компонентов или участков металлизации и тем самым наблюдать вид платы на промежуточных этапах изготовления;
• выключение текстур заливки объектов позволяет просматривать многослойную структуру платы на просвет, как на рентгеновском снимке;
• контролировать на уровне DRC превышения компонентами максимально допустимой для данной «комнаты» высоты, с наглядным отображением выявленных нарушений.

Импорт и экспорт файлов

Перенос проекта электронного изделия из одной среды проектирования в другую всегда был одной из сложнейших задач. Если разработчик одновременно работает с другой САПР либо получает проект от сторонних разработчиков, ему просто необходима возможность импорта схемы или проекта платы в систему Altium Designer.

Встроенный помощник импорта (Import Wizard) позволяет импортировать схемы, платы, библиотеки, выполненные с помощью систем P-CAD, OrCAD, PADs, DxDesigner, Allegro PCB, и преобразует их в проекты Altium Designer.

Встроенный помощник для импорта проектов

В Редакторе печатных плат имеются традиционные возможности импорта файлов в стандартных плоских форматах ДВГ или DXF (например, контур печатной платы) и передачи проекта в механические САПР для дальнейшего оформления.

Altium Designer также позволяет осуществлять обмен файлами с любой из программ твердотельного моделирования (AutoCAD Inventor и т.д.) в формате STEP, например:

• подключать модели компонентов в интегрированную базу данных, а затем размещать их на плате;
• при необходимости, импортировать модель корпуса устройства и оценивать размещение в нем разрабатываемой платы;
• передавать всю плату в сборке в механическую САПР для последующей работы.

Модуль CAMtastic

Готовый проект печатной платы в виде наборов Gerber- и NC Drill-файлов передается в специальный модуль CAMtastic, где осуществляется первичная подготовка производства. Здесь реализована возможность технологического анализа топологии и автоматического устранения большинства ошибок. CAMtastic позволяет редактировать топологию, выполнять мультиплицирование и выпускать управляющие файлы для аппаратуры электроконтроля и монтажа компонентов.

Выходная документация

Заключительный этап проектирования – выпуск конструкторской документации. Редактор печатных плат Altium Designer располагает традиционными возможностями импорта/экспорта файлов в стандартных форматах ДВГ и DXF, что позволяет добавлять на чертеж заранее заготовленные элементы оформления или контур печатной платы и передавать проект в механические САПР (AutoCAD и др.) для дальнейшего оформления документации.

В отличие от других подобных систем проектирования электронных устройств, система Altium Designer позволяет крайне просто изменять положение обозначения размеров, что чрезвычайно важно для соблюдения требований ГОСТ. Помимо указания линейных размеров, в Редакторе печатных плат можно проставить размер диаметра, радиуса, линейные размеры от опорной точки, координатные метки, угловые размеры. Все размеры являются объектно-связанными – это означает, что при изменении, например, диаметра окружности обозначение ее диаметра будет меняться автоматически.

Система Altium Designer предоставляет пользователю также широкий набор средств генерации различных отчетов, от обычных сообщений, содержащих статистическую информацию, до сложных таблиц и перечней используемых материалов (Bill of Material (BOM), отчетов об иерархической структуре проекта (Report Project Hierarchy) и файлов перекрестных ссылок (Component Cross Reference). Кроме того, в сложных проектах, содержащих несколько PCB-документов, отчеты могут быть сформированы как для отдельных плат, так и для проекта в целом.

Аппаратное моделирование проектов на ПЛИС

Помимо средств проектирования печатных плат, одним из основных достоинств Altium Designer является быстрая разработка проектов электронных устройств на базе ПЛИС (FPGA) от основных мировых производителей.

При этом система интегрирует процесс разработки как программной части проекта устройства, так и аппаратной, а разработчику предлагается крайне простая методология ведения проекта, схожая с разработкой печатных плат ПЛИС.

Для этого в системе объединен следующий инструментарий:

• схемный ввод проекта с использованием библиотек готовых логических устройств;

Пример логической схемы проекта ПЛИС

• VHDL-моделирование и VHDL-ввод проекта для создания пользовательских логических блоков и компонентов;
• обширный комплект предсинтезированных и предпроверенных IP-блоков, включая ядра процессоров (входит в комплект поставки и не требует дополнительных материальных затрат);
• средство разработки с поддержкой отладки поставляемых процессорных ядер на уровне исходных кодов;
• полная интеграция с платой отладки и макетирования NanoBoard от компании Altium Ltd, которая позволяет отладить проект еще на этапе создания принципиальной схемы и повысить качество разработки;
• полная интеграция с инновационной технологией LiveDesign («живое проектирование»);
• встроенная система помощи, примеры проектов и описание представленной элементной базы.

Такая объединенная интерактивная разработка и отладка обеих частей проекта вкупе с платой отладки NanoBoard, использование виртуального инструментария отладки, периферийное сканирование и возможность отладки поставляемых ядер на уровне исходных кодов и называется технологией LiveDesign. Как только проект загружен в NanoBoard пользователь может полностью контролировать все процессы непосредственно в программируемом кристалле и пользоваться всем виртуальным инструментарием. При этом система позволяет постоянно взаимодействовать с разрабатываемым приложением на всех этапах проектирования. Такая LiveDesign-методология проектирования позволяет «прогонять» реальные «программы» в реальных кристаллах, полностью устраняя необходимость в HDL-моделировании – в конечном счете, это приводит к серьезному сокращению временных затрат.

Достоинства технологии проектирования:

• возможность введения проекта в графическом (схемном) виде позволяет полностью отказаться от использования (да и знания) HDL-языков;
• обширный перечень поставляемых ПЛИС-ориентированных устройств позволяет быстро и просто «строить» проектируемую систему;
• пользовательские компоненты и вспомогательные логические блоки могут быть созданы на основе уже существующих в виде все той же схемы или при помощи описания на VHDL;
• схемотехнический редактор поддерживает работу с иерархическими структурами без каких-либо ограничений на глубину иерархий и количество используемых страниц схемы;
• при необходимости пользователь может применить многоканальные структуры (многократное использование единожды описанного фрагмента);
• возможность использовать шинные соединения при работе с мультивыводами значительно упрощает ввод проекта;

Пример принципиальной схемы проекта ПЛИС

• Altium Designer поставляется с обширным перечнем IP-блоков в виде предсинтезированных библиотек, в том числе ядра процессоров стандартных архитектур, различные контроллеры коммуникации и внешней периферии, а также стандартные логические устройства. Система позволяет реализовывать проекты на кристаллах всех ведущих вендеров (Altera, Xilinx и т.д.), причем переориентация проекта на «другой» кристалл происходит без изменения самого проекта;
• уникальная технология LiveDesign активно использует виртуальный инструментарий, позволяющий видеть «происходящее» в ПЛИС на протяжении всего цикла проектирования. Виртуальные инструменты встраиваются в проект на схемотехническом уровне. После загрузки проекта в NanoBoard пользователь может «общаться» с ним через специальную панель визуализации;

Пример специальной панели визуализации

• виртуальный инструментарий имеет те же функциональные возможности, что и простое VHDL-моделирование, но показывает реальные сигналы, протекающие в кристалле. Виртуальный инструментарий включает в себя логические анализаторы, генераторы частот, счетчики частот, модули ввода/вывода.

Altium Designer позволяет разрабатывать «процессорные» системы на базе ПЛИС. В поставку включены ядра процессоров, при этом поддерживается их редактирование на уровне исходных кодов на С или Ассемблере. Инструментарий редактирования исходного кода включает в себя С- и Ассемблер-компилятор с высоким уровнем оптимизации, симулятор, линковщик (Linker/Locator). Редактор интегрирован с системой отладки, что позволяет загружать и отлаживать исходный код в NanoBoard. При работе с многопроцессорным проектом можно использовать многопроцессорную сессию для одновременной отладки двух и более процессоров.

Технические прецификации

• Описание в виде принципиальной схемы и/или на языке VHDL (с системой синтаксических подсказок).
• Высокоскоростной VHDL-симулятор.
• Поддержка двух VHDL-стандартов: IEEE 1076–1987 и 1076–1993.
• Поддержка стандарта IEEE 1164.
• Упаковщик по стандарту IEEE 1076.3.
• Поддержка библиотек стандарта IEEE 1076.4.
• Использование библиотек Synopsys.
• Возможность текстового описания параметров ввода/вывода, включая расширенный стандарт Synopsys.

Виртуальные инструменты работы с FPGA

• Генератор частот.
• 50% цикл работы.
• Частота, задаваемая пользователем, – от 1 Гц до 200 МГц.
• Счетчики.
• Счетчики с двойным входом.
• Отображение результата как значения частоты в периодах или переходах (может быть даже во фронтах).
• Цифровой модуль ввода/вывода.
• 8-/16-канальный вход общего назначения.
• 8-/16-канальный выход общего назначения.
• Чтение/определение значения в двоичной или 16-тиричной системе исчисления.
• Модуль с переменным количеством входов/выходов от 1 до 4 банков.
• Логический анализатор.
• Версия 8-/16-канального входа с 1К-, 2К- и 4К-памятью для захвата значений (используя ресурсы памяти ПЛИС).
• 8-/16-канальная версия, поддерживающая внешнюю память с 20-разрядным адресом.
• Внешняя (аппаратная) или внутренняя (программная) фиксация сигнала (или результата).
• Режим постоянного захвата.
• Результаты захвата отображаются как значения или как эпюра напряжений.
• Режим аналогового отображения (масштаб амплитуды задается пользователем).
• Триггер и маска, задаваемые пользователем.
• Возможности фиксации с задержкой.
• Возможность фиксации результата после n совпадений какого-либо события.
• Разделенный 8-канальный режим фиксации (по контексту: результата или входного сигнала) по уровню, задаваемому битами или с масштабированием.

Основные ядра компонентов ПЛИС

• Огромное количество основных компонентов, в том числе сумматоры, буферы, делители, компараторы, счетчики, дешифраторы, шифраторы, триггеры, защелки, логические примитивы, мультиплексоры, умножители, генераторы и счетчики четности, подтягивающие резисторы к питанию и земле, регистры сдвига и вычитатели.
• Полное описание библиотеки компонентов ПЛИС доступно на www.altium.com/learningguides
• Периферийные ядра ПЛИС.
• CAN-контроллер – преобразователь из параллельного в последовательный интерфейс, реализующий версию 2.0В CAN-протокола фирмы BOSCH.
• Определяемая пользователем задержка включения, используемая для реализации сброса по включению питания.
• Преобразователь из параллельного в последовательный интерфейс, реализующий двухпроводной интерфейс I2C (читается как «и квадрат си») со стороны последовательной части.
• Сканер клавиатуры 4x4 с антидребезгом. Может быть использован в системах с опросом состояния или по прерыванию.
• Контроллер ЖКИ 16x2 с шинным интерфейсом.
• Расширитель портов – 8-битные выходы и 1-, 2- и 4-битные входы/выходы.
• Преобразователь из параллельного в последовательный интерфейс, реализующий двунаправленный синхронный последовательный интерфейс между ЦПУ и PS/2-устройством (клавиатурой или мышью).
• Простой преобразователь из параллельного в последовательный интерфейс, реализующий полный дуплекс и однобайтовое буферирование.
• Сдвоенный таймер с режимами 16-, 13- и 8-битного таймера/счетчика.
• VGA-контроллер, который представляет видеопамять как окно в адресном пространстве. Поддерживаются VGA- и SVGA–режимы до 64 цветов.
• Ядра процессоров:
• Microchip 165x-совместимые;
• 8-bit ASM51-совместимые;
• 80С31-совместимые;
• и другие.

Инструментарий для разработки встраиваемого программного обеспечения (программирования процессоров встраиваемых процессорных ядер)

Контекстный редактор, поддерживающий:

• управление проектом;
• расширенные возможности выделения цветом, включая распознавание функций;
• расширенные возможности просмотра кода;
• встроенный форматер исходного текста – переформатирует существующий текст, используя спецификации, задаваемые пользователем;
• интегрированный отладчик, запускаемый прямо из редактора исходного текста;
• навигатор кода с интуитивно понятным интерфейсом;
• отображение установок не в режиме отладки и отображение текущих значений в момент отладки.

Отладка и моделирование:

• точки останова и в режиме отображения исходного текста, и в режиме дизассемблера;
• условия для точек останова;
• точки останова со счетчиком вхождений;
• режим дизассемблера с отображением исходного кода и точек останова в смешанном и раздельно виде;
• панель регистров;
• панель переменных;
• панель локальных переменных;
• панель стека;
• панель памяти;
• консоль отладчика многозадачной ОС реального времени с вытесняющим ядром, совместимой со стандартом OSEK/VDX.

Перечень поддерживаемых устройств FPGA

Altera:

• Cyclone: EP1C12, EP1C20, EP1C3, EP1C4, EP1C6;
• MAX3000A: EPM3032A, EPM3064A, EPM3128A, EPM3256A, EPM3512A;
• MAX7000AE: EPM7032AE, EPM7064AE, EPM7128AE, EPM7256AE, EPM7512AE;
• MAX7000B: EPM7032B, EPM7064B, EPM7128B, EPM7256B, EPM7512B;
• MAX7000S: EPM7032S, EPM7064S, EPM7128S, EPM7160S, EPM7192S, EPM7256S;
• Stratix: EP1S10, EP1S20, EP1S25, EP1S30, EP1S40, EP1S60, EP1S80;
• и другие.

Xilinx:

• CoolRunner2: XC2C128, XC2C256, XC2C32, XC2C384, XC2C512, XC2C64;
• CoolRunnerXPLA3: XCR3032XL, XCR3064XL, XCR3128XL, XCR3256XL, XCR3384XL, XCR3512XL;
• Spartan-II: XC2S100, XC2S15, XC2S150, XC2S200, XC2S30, XC2S50;
• Spartan-IIE: XC2S100E, XC2S150E, XC2S200E, XC2S300E, XC2S400E, XC2S50E, XC2S600E;
• Virtex: XCV100, XCV1000, XCV150, XCV200, XCV300, XCV400, XCV50, XCV600, XCV800;
• Virtex-II: XC2V1000, XC2V1500, XC2V2000, XC2V250, XC2V3000, XC2V40, XC2V4000, XC2V500, XC2V6000, XC2V80, XC2V8000;
• Virtex-II Pro: XC2VP2, XC2VP20, XC2VP30, XC2VP4, XC2VP40, XC2VP50, XC2VP7, XC2VP70;
• Virtex-E: XCV1000E, XCV100E, XCV1600E, XCV2000E, XCV200E, XCV2600E, XCV300E, XCV3200E, XCV400E, XCV405E, XCV50E, XCV600E, XCV812E;
• XC18V00: XC18V01, XC18V02, XC18V04, XC18V512;
• XC9500: XC95108, XC95144, XC95216, XC95288, XC9536, XC9572;
• XC9500XL: XC95144XL, XC95288XL, XC9536XL, XC9572XL;
• XC9500XV: XC95144XV, XC95288XV, XC9536XV, XC9572XV;
• и другие.

Другие производители.

Платы отладки и макетирования NanoBoard

NanoBoard – это составная часть технологии LiveDesign. Технология LiveDesign увязывает воедино программную и аппаратную части проекта, превращая рабочее место проектировщика в программно-аппаратный комплекс. Этот комплекс состоит из собственно системы проектирования Altium Designer и платы отладки NanoBoard. Таким образом, разработчик может постоянно взаимодействовать с реальным проектом, который «крутится» внутри реальной ПЛИС, а не с некой виртуальной моделью. При этом используется следующая концепция ведения проекта: «собираем» схему, загружаем ее в ПЛИС, проверяем работоспособность, отлаживаем. В рамках концепции LiveDesign активно использует виртуальный инструментарий (генераторы частот, счетчики частот, логические анализаторы, периферийное сканирование и т.д.), что позволяет видеть на экране компьютера реальные процессы, протекающие в ПЛИС.

В настоящее время компания Altium Ltd. поставляет на рынок 2 типа плат NanoBoard для отладки и макетирования систем на основе ПЛИС:

1. NanoBoard 3000 – она обеспечивает работу с ПЛИС только одного производителя и бывает 3 видов: NB3000XN-01, NB3000AL-01, NB3000LC-01 с наиболее мощными встроенными ПЛИС: Xilinx Spartan 3AN, Altera Cyclone III, LatticeECP2.

Плата NanoBoard 3000

2. NanoBoard NB2 – универсальная плата, которая поддерживает работу с ПЛИС различных производителей благодаря сменным дочерним платам (Daughter Board). Поставляется на выбор с одной из дочерних плат:
• Xilinx Spartan-3 DB30 Daughter Board;
• Altera Cyclone II DB31 Daughter Board;
• Lattice ECP DB32 Daughter Board.

Плата NanoBoard NB2

Замена дочерней платы, на которой размещен тот или иной кристалл, позволяет разработчику быстро и просто переориентировать проект на другого ПЛИС-производителя с возможностью отладки проекта на реальной ПЛИС.

Многоцелевая периферия:

1. 8-разрядный светодиодный массив.
2. 8-разрядный DIP-переключатель.
3. 16-кнопочная клавиатура.
4. 36-разрядный разъем пользовательских входных/выходных выводов ПЛИС.
5. 2x16 символьный LCD-экран.
6. Зуммер.
7. 8-разрядный аудио-кодек.
8. 8-разрядный АЦП, 4 канала.
9. 10-разрядный ЦАП, 4 канала.
10. 256Кх8 RAM (возможна переконфигурация на 128Кх16).
11. 2 модуля последовательной flesh-памяти по 4Мбит (могут использоваться для конфигурирования ПЛИС).

Входные/выходные интерфейсы:

1. CAN.
2. VGA.
3. RS232.
4. I2C.
5. PS2 (мышь).
6. PS2 (клавиатура).
7. 2 JTAG-разъема для подсоединения пользовательских плат.
8. 2 интерфейса NanoTalk.

NanoBoard содержит программируемый синтезатор частот, работающий в диапазоне от 6 до 200 МГц. Частота синтезатора может устанавливаться из управляющей оболочки DXP или непосредственно из проекта, запускаемого в ПЛИС.

Для большей гибкости отладки проекта несколько NanoBoard могут быть объединены и использоваться совместно. «Совместный» вариант работы будет востребован в том случае, если проект содержит несколько кристаллов, причем от разных производителей, и разработчику необходимо смакетировать его работу. Для этого используется два разъема NanoTalk (Master и Slave). Контроллеры NanoTalk управляют маршрутизацией сигналов и обеспечивают непрерывность JTAG-связи для нескольких плат. При этом для каждого кристалла полностью доступен виртуальный инструментарий периферийного сканирования.

Объединение плат NanoBoard

NanoBoard позволяет использовать для тестирования и отладки пользовательские платы, для чего существует два JNAG-интерфейса. Подключение пользовательского устройства «интегрирует» его с технологией LiveDesign и делает его доступным для периферийного сканирования. Встроенный в ПЛИС виртуальный инструментарий становится доступным через интерфейс Altium Designer. К каждой плате отладки можно одновременно подключать до 2 пользовательских плат, а при параллельном подключении нескольких NanoBoard, каждая из них может иметь 2 таких подключения.

Рекомендуемые системные требования

• Windows 7 (только 64-разрядная версия), Windows 8 (только 64-разрядная версия) или Windows 10 (только 64-разрядная версия)
• Процессор Intel® Core™ i7 или эквивалентный
• 16 ГБ ОЗУ
• 10 ГБ свободного пространства на жестком диске (установка и пользовательские файлы)
• Твердотельный накопитель (SSD)
• Высокопроизводительная графическая карта (с поддержкой DirectX 10 или выше), например GeForce GTX 1060/Radeon RX 470
• Два монитора с разрешением экрана 2560x1440 (или выше)
• 3D-манипулятор для трехмерного проектирования печатных плат
• Adobe® Reader® (версия XI или более новая для просмотра 3D PDF)
• Подключение к Интернет
• Актуальная версия веб-браузера
• Microsoft Office: 32- или 64-разрядная версия (Microsoft Excel необходим для создания BOM, Microsoft Access необходим для библиотек на основе баз данных DbLib). 64-разрядная версия Microsoft Access Database Engine 2010 (необходима для DbLib) включена в 64-разрядный Microsoft Office, но не в 32-разрядный). Если вы используете на одной машине 32- и 64-разрядные версии ПО Altium для проектирования, обратитесь к странице Минимальные системные требования
• Windows 7 (только 64-разрядная версия), Windows 8 (только 64-разрядная версия) или Windows 10 (только 64-разрядная версия)
• Процессор Intel® Core™ i5 или эквивалентный
• 4 ГБ ОЗУ
• 10 ГБ свободного пространства на жестком диске (установка и пользовательские файлы)
• Графическая карта (с поддержкой DirectX 10 или выше), например GeForce 200 series/Radeon HD 5000 series/Intel HD 4600
• Монитор с разрешением экрана минимум 1680x1050 (широкоформатный) или 1600x1200 (4:3)
• Adobe® Reader® (версия XI или более новая для просмотра 3D PDF)
• Актуальная версия веб-браузера
• Microsoft Office: 32- или 64-разрядная версия (Microsoft Excel необходим для создания BOM, Microsoft Access необходим для библиотек на основе баз данных DbLib). 64-разрядная версия Microsoft Access Database Engine 2010 (необходима для DbLib) включена в 64-разрядный Microsoft Office, но не в 32-разрядный).