Дизайн многоплатной системы (Часть 1)

Последнее десятилетие ознаменовалось выдающимися достижениями в проектировании и производстве печатных плат. Был достигнут значительный прогресс в проектировании, от ввода схемы до моделирования, компоновки и маршрутизации, совместной работы в команде и даже определении способа передачи производственных данных изготовителю. Но есть одно место, где прогресс, казалось бы, застопорился: проектирование архитектуры аппаратного обеспечения и возможности интеграции на уровне всей системы.

Несмотря на то, что инструменты проектирования печатных плат эволюционировали, чтобы обеспечить интеграцию между программными модулями, включая общие базы данных по всему проекту, и ввели автоматизацию для исключения ошибок, связанных с человеческим фактором, конструкция аппаратных систем осталась почти такой же, как и десять лет назад.

У Siemens есть решение, которое обеспечивает интеграцию и автоматизацию для проектирования многоплатных систем как неотъемлемую часть процесса проектирования Xpedition®.

Определения

Во-первых, несколько основных определений. Существует ряд терминов, используемых в отношении систем, которые часто могут быть неправильно поняты или истолкованы. Для ясности давайте определим их как:

1. Элемент — отдельный компонент или сборочный узел, который разработан как часть более крупной совместной функции.
2. Подсистема или плата — одна печатная плата (PCB), состоящая из цифровой, аналоговой и/или смешанной сигнальной логики, которая при соединении с другими платами обеспечивает более высокий уровень функциональности и стоимости.
3. Система или многоплатная система — независимая функционирующая электронно-ориентированная система, собранная в виде нескольких печатных плат; Компоненты COTS, такие как исполнительные механизмы, датчики и т.д .; все соединены между собой кабелями и/или разъемами, которые обеспечивают функции, которые могут работать как автономное сложное устройство/продукт.
4. Мульти система — интеграция взаимозависимых систем, которые создают новую, более сложную систему. Эти определения могут применяться ко всем отраслевым сегментам; будет ли это ракета, которая включает двигательные, навигационные, коммуникационные и другие системы; или платформа, такая как самолет или автомобиль, промышленное или медицинское оборудование. Пример на следующем рисунке показывает медицинский сканер изображений, который сам по себе является продуктом и комбинацией нескольких подсистем, некоторые из которых состоят из нескольких плат, которые обмениваются данными для обеспечения всех функций продукта.

Проектирование многоплатных систем сегодня

Системные дизайнеры сегодня по-прежнему в основном используют программы для рисования, редакторы электронных таблиц и редакторы документов. После того, как система будет полностью концептуализирована, разработчик системы может приступить к определению логического представления системных связей. На логическом уровне функции назначаются нескольким печатным платам с учетом аппаратных ограничений, таких как мощность, охлаждение, размер, вес и физическое расположение внутри продукта. Многоплатные системы могут включать две платы или до сотен плат, упаковывая шкаф или стойку, с соединенными между собой соединителями и/или кабелями и жгутом проводов.

Поскольку функциональные возможности оборудования теперь распределены между несколькими платами, системный интегратор должен определить соединения, которые необходимо выполнить между каждой платой и внешними интерфейсами. Таблицы в настоящее время являются наиболее часто используемым инструментом для определения и управления этой связью. По мере роста сложности дизайна эта информация может использоваться для десятков тысяч соединений.

Как только функциональность каждой печатной платы и взаимосвязи между ними определены, проект передается группе проектирования печатных плат. К сожалению, данные о взаимосвязи необходимо повторно вводить вручную, что может привести к ошибке.

Конечно, ни один проект не является статичным до тех пор, пока первая производственная единица не сошла с конвейера (и даже в этом случае он обычно остается статичным до первого приказа о внесении технических изменений (ECO)). Со времени концептуального проектирования оборудования и до того, как это производственное подразделение выйдет из работы, в дизайн почти наверняка будут внесены изменения. Некоторые из этих изменений тривиальны с точки зрения системного уровня; измените размер винта, используйте другого производителя байпасного конденсатора и т. д. Но другие критически влияют на конструкцию системы и, в частности, на соединения и разъемы с большим количеством контактов между платами.

 

Пример системы, содержащей несколько взаимодействующих плат, разъемов и кабелей

Например, на конкретной плате могут быть проблемы с тепловыделением, поэтому несколько больших микросхем BGA распределены между несколькими платами для выравнивания рассеивания тепла. Хотя переместить их для решения проблемы с температурой — довольно простая задача, переопределение разъемов среди затронутых плат — огромная задача и чревата ошибками, поскольку это, по сути, ручная операция с электронной таблицей.

После переопределения разъемов данные должны быть отправлены разработчикам печатных плат для изменения конструкции печатных плат, и, конечно же, данные не интегрируются с электронной таблицей разработчика систем, что означает больше повторного ввода вручную, больше шансов на ошибки и т. д. Риск дальнейших повторных итераций возрастает.

Рис. 1. Разработчики систем обычно используют MS Visio и MS Excel для определения концепции нескольких плат и межплатных соединений.

Нет никакой интеграции с разработчиками оборудования, которые затем обычно проектируют систему как отдельную разрозненную плату, кабели и т. д.

Проблемы методологии

Отсутствие комплексного решения стало «слоном в комнате». Все видят проблему, но никто не сделал с ней ничего значимого. Проектирование систем с использованием инструментов для рисования и электронных таблиц просто не сокращает его с постоянно растущей сложностью и производительностью оборудования, в сочетании с постоянной потребностью в уменьшении габаритных размеров оборудования. Огромное количество часов, необходимых для определения назначения контактов разъема и проверки возможности подключения, ошеломляет, и даже при таком уровне проверки ошибки допускаются, иногда с разрушительными финансовыми последствиями.

Когда происходят неизбежные изменения, каждый из затронутых разъемов необходимо тщательно проверить и перепроверить. Это означает проверку в двух или более местах каждый раз, когда вносятся изменения. Без интегрированной связи между дизайном системы и дизайном печатной платы теряются часы, часто возникают ошибки и, как следствие, время на проектирование возрастает в геометрической прогрессии.

Примеры из реального мира

• Крупный производитель аэрокосмической техники использовал методологию проектирования систем, которую мы только что описали, для очень сложной системы. В системе было более 1000 соединений между несколькими платами ПК. Одна мощная плата предназначена для правой сборки (сторона установки компонентов). При производстве инструкции по сборке были зеркально отражены, чтобы разрешить левостороннюю сборку, но разъем не был правильно переведен. Система вышла из строя при первом включении и в итоге обошлась компании примерно в 7 миллионов долларов.
• Производитель смартфонов обнаружил, что разъем питания и передачи данных слишком часто устанавливался в перевернутом виде. Решение заключалось в том, чтобы сделать разъем «двусторонним», позволяющим вставлять внешний разъем в любой ориентации. Несмотря на то, что это умное решение, полученная в результате схема, обеспечивающая двустороннюю связь, стоит компании на каждом телефоне, который она производит.

Что необходимо, так это инструмент системного проектирования, который позволяет пользователю фиксировать требования к проектированию системы на уровне логической абстракции, но при этом быть интегрированным с процессом проектирования печатной платы. Системы должны быть двунаправленными, позволяя прямую и обратную аннотацию между логическим и физическим представлениями, чтобы гарантировать синхронизацию всей системы проектирования.

Кроме того, он должен учитывать изменения и перераспределение функций между печатными платами на уровне логической абстракции. Все соединения и соединители должны управляться автоматически, что устраняет ошибки ручного ввода данных и трудоемкий повторный ввод данных. Он должен интегрироваться с программным обеспечением для проектирования печатных плат, разделяя содержимое печатной платы, ограничения, повторное использование и варианты в процессе проектирования систем. Наконец, среда должна быть совместной и параллельной, чтобы устранить узкие места.

Рис. 2. Управление коннектором может быть огромной проблемой. Ручные методы приводят к порождению ошибок

Читайте продолжение в статье «Дизайн многоплатной системы (Часть 2)«

Источник: www.siemens.com