Абрамов О.В., Некрас Д.А.

РАСПРЕДЕЛЕННАЯ СИСТЕМА ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СИНТЕЗА РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

Отечественный и зарубежный опыт проектирования, исследования и эксплуатации систем различного

назначения показывает, что значительную часть их отказов составляют постепенные (параметрические)

отказы, а задача учета отклонений реальных значений параметров технических объектов от расчетных и

обеспечение требуемого качества их функционирования при наличии таких отклонений является одной из

наиболее сложных и трудоемких задач проектирования. Причем, по мере усложнения технических объектов,

повышения требования к их надежности и увеличения ответственности выполняемых ими функций необходи-

мость и важность решения этой задачи постоянно возрастают.

В середине 80 годов началась постепенная переориентация систем проектирования с больших и средне-

го класса ЭВМ на класс персональных компьютеров. Этот период времени характеризуется образованием

большого количества фирм разработчиков программных продуктов САПР для персонального класса вычисли-

тельных машин. С тех пор не многое изменилось. Появилось достаточно много пакетов САПР, но идеология

осталась прежней. Системы автоматизированного проектирования радиоэлектронной аппаратуры в основном

базируются на класс персональных профессиональных ЭВМ. В последнее время появились сетевые версии

САПР ориентированные на клиент-серверную архитектуру, однако, проблемы вычислительной трудоемкость

задач моделирования, многовариантного анализа и оптимизации, решение которых составляет основу схе-

мотехнического проектирования, полностью так и не были решены.

В данной статье предлагается один из вариантов сетевой САПР, позволяющей в большинстве случаев

решить данную проблему.

Архитектура подобной системы очень сильно похожа на клиент-серверную, с одним исключением, клиен-

ты выполняют ведущую роль. На таких машинах происходит моделирование, а сам сервер раздает задания и

контролирует процесс моделирования. Общение между машинами, происходит благодаря сервисам локально-

вычислительной сети.

На моделирующих машинах используется ОС Unix, будь то различные версии BSD или Solaris и сама си-

стема моделирования NgSpice, с открытым исходным кодом.

Радиоэлектронную схему для моделирования можно представить в графическом редакторе систем, Micro-

Cap, Dr.Spice, OrCAD, P-CAD, ACCEL EDA, Viewlogic, COMPASS, Design Architect, поскольку у всех по-

добных систем, в основе моделирующей части лежит spice-подобная система моделирования и используются

идентичные макро-модели элементов. Таким образом, из графического представления схемы, получаем еѐ

описание на языке spice. Дальше посредством самой распределенной системы, происходит лексический

разбор файла, определение элемента, строится матрица параметров, для которых и будет происходить мо-

делирование. Создается столько вариантов схем, сколько вариантов параметров определенного элемента

рассматривается в процессе многовариантного анализа.

Как уже отмечалось, в системе присутствует два типа машин: клиент и сервер. Клиент выполняет ко-

манды сервера, осуществляет моделирование схемы и возвращает результат серверу.

Сервер исполняет роль менеджера заданий, контролирует баланс нагрузки на машины, анализирует по-

ступающие результаты и предоставляет результаты в удобном для пользователя виде.

Использование юниксо-подобных операционных систем, обусловлено доступностью, простотой и в своем

большинстве открытым исходным кодом многих сервисов самой ОС. Это позволит оптимизировать ОС для

большей производительности, ориентируясь на выполнение приложений и передачу данных, используя сете-

вые протоколы.

Основу моделирующей части составляет приложение NgSpice. NgSpice - система, предназначенная для

моделирования линейных и нелинейных электрических схем в статическом режиме, временной и частотной

областях, основывающаяся на трех приложениях с открытым исходным кодом: Spice3f5, Cider1b1 и Xspice.

Передача сетевой информации основана на протоколе SSH. Этот протокол обеспечивает возможность

удаленного выполнения команд и копирования файлов с аутентификацией клиента и сервера и шифрованием,

сжатием передаваемых данных (пароли также шифруются). Дополнительно обеспечивается перенаправление

любых TCP-соединений.

Набор средств SSH представляет собой протоколы транспортного уровня, аутентификации и соединения

и программные средства безопасного доступа к компьютерам по небезопасным каналам связи. Клиентская

программа sftp позволяет пересылать файлы в интерактивном режиме подобно FTP однако осуществляет все

операции поверх защищенного транспорта ssh, который, собственно, и вызывается. Пакетный режим позво-

ляет копировать файлы без ручного вмешательства при условии не интерактивной аутентификации. SFTP

имеет интерактивные команды аналогичные обычному FTP. Структурная схема работы системы представлена

на рис.1.

Management(Server)

Unix-Like OSNgSpice(Client)

Unix-Like OSNgSpice(Client)

Unix-Like OSNgSpice(Client)

Umix-Like OSNgSpice(Client)

Unix-Like OSNgSpice(Client)

Unix-Like OSNgSpice(Client)

SFTP

SSH

SSH

SFTP

SSH

SFTP

SSHSFTP

SSH

SFTP

SSH

SFTP

Рис.1 Структурная схема работы системы

Рассмотрим работу системы на достаточно простом примере.

Необходимо рассчитать частотные характеристики транзисторного фильтра (рис. 2) в диапазоне частот

0.1 - 600 Гц, подобрав номинал резистора R3 таким образом, чтобы частотная характеристика фильтра

попадала в диапазон частот 100 -200Гц с амплитудой 600 – 800mV.

Рис.2 Электрическая схема транзисторного фильтра

Многовариантный анализ, на основании которого будет осуществлен выбор номинала (параметрический

синтез), проведем при вариации параметра R3 в диапазоне (170К - 400К) с шагом 10К.

Тестовая сетевая вычислительная система представляет собой 4 клиента Sun Fire v210 под управлени-

ем ОС Solaris и компьютер, исполняющий роль менеджера, с операционной системой MS Windows XP.

После представления схемы в графическом виде, система переведет схему в spice-формат:

SPICE 3 LAB

V0 5 0 DC 12V

Q1 5 4 6 BIPOLAR

.MODEL BIPOLAR NPN(IS=1PA NE=1.2 BF=32 BR=0.01)

VIN 1 0 DC 0 AC 1

C1 1 2 0.5U

R1 2 0 56K

C2 2 3 0.033U

C3 3 4 0.033U

R2 3 6 47K

R3 4 5 170K

R4 4 0 400K

R5 6 0 12K

C4 6 7 0.5U

R6 7 0 12K

.AC LIN 300 1 600

.PLOT AC V(7)

.END

Система создаст варианты схем с номиналами резистора R3 170, 180, 190, 200, 210 ,220,...400K. За-

тем варианты схем будут переданы на моделирующие компьютеры - клиенты. В данном примере, на модели-

рующие компьютеры в один момент времени пересылалось по одной схеме. Когда первые 4 схемы разосланы,

поступает команда на моделирование. По завершению моделирования, клиент возвращает результат компью-

теру-менеджеру и получает следующее задание. Полученные результаты представляют собой наборы коорди-

нат и графиков, в которых отражено изменение частотной характеристики фильтра, соответственно изме-

няемому номиналу резистора. Из всего множества рассчитанных вариантов система выбрала частотные ха-

рактеристики схемы, для 4-х вариантов номиналов сопротивления резистора R3: 170, 250, 300 и 400К

(рис.3).

Анализируя результаты, можно заметить, что частотная характеристика фильтра постепенно «уходит»

из заданной области. Система предложила значения номиналов резистора R3 в интервале сопротивлений от

170K до 400K. Именно эти номиналы резистора R3обеспечивают заданный характер частотной характеристи-

ки фильтра (она попадает в диапазон частот 100 -200Гц с амплитудой 600 – 800mV).

Рис.3 Графики частотной характеристики фильтра, при значении номиналов резистора 170,250, 300,400.

Таким образом, сетевая вычислительная система позволяет за один цикл вычислений провести модели-

рование работы сразу 4х схем.

Представленный вариант электрической схемы достаточно простой, и на построение-анализ модели си-

стеме нужно менее одной секунды. Не учитывая затрат на передачу данных (коммуникационных потерь), мы

получили увеличение скорости в 4 раза, по сравнению с моделированием на одном компьютере в обычном

последовательном режиме.

Для анализа сложных электрических схем при вариациях параметров нескольких схемных элементов по-

требуется больше времени на передачу данных и работу самой системы. Для снижения количества времени,

затраченного на передачу данных, для равных по производительности вычислительных элементов распреде-

ленной системы, количество вариантов схем делится на равные пакеты. Система рассчитывает сразу пакет

схем, и результаты поступают в пакетном режиме.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ 05-08-01398 и грантов ДВО РАН.