În acel subdomeniu CAD particular destinat proiectării de circuite electronice – subdomeniu referit prin acronimele EDA (Electronic Design Automation) sau ECAD (Electronics Computer-Aided Design) – soluțiile software Zuken sunt renumite, și le vom dedica aici o scurtă prezentare.
Preambul cu specializare tehnică
Astăzi ubicuitatea electronicii este evidentă (rare fiind produsele/realizările umane unde electronica să lipsească) iar evoluția acestei ramuri tehnico-științifice (acoperind un secol și ceva) a condus la o cunoaștere avansată, care beneficiază în mod firesc și de asistența informaticii. Dar înainte de a vedea cum ajută aplicațiile software EDA la conceperea și la realizarea de produse electronice vă propun să (re)iterăm un pic conceptele domeniului.
- Produse electronice: muzicale/acustice/video (radio-receptoare; amplificatoare; magnetofoane; player-e de muzică; instrumente muzicale de sinteză electronică; procesatoare de sunet; televizoare; player-e video; camere foto/video); informatice și de telecomunicații (calculatoare, telefoane, imprimante, scannere, router-e, receptoare GPS, etc); medicale (aparate/echipamente/dispozitive pentru imagistică, pentru diagnosticare, pentru monitorizare); industriale (aparate de măsură și control; generatoare de semnal; circuite de automatizare; etc), ș.a.m.d..
- Piese electronice: rezistența/rezistorul (opune o anume rezistență la trecerea curentului, controlând astfel debitul de electroni prin ramura sa de circuit); condensatorul (acumulează sarcină electrică); bobina (creează un câmp magnetic când este parcursă de curent, sau creează curent electric dacă în apropiere se manifestă vreun câmp magnetic); dioda (permite trecerea curentului doar într-un sens al ramurii de circuit); tranzistorul (amplifică un semnal electric sau doar permite la nevoie trecerea unui semnal electric); tiristorul (permite trecerea periodică a unui semnal electric pentru un timp controlat); ș.a.m.d.. Prin anii 1958-1960 s-a definit și ,,circuitul integrat’’, care este un conglomerat dens și încapsulat de piese electronice de soiul celor de mai sus, și având o funcție bine definită. (Apropo, prin anii 1980 apăreau și circuite integrate de tip FPGA și PDA a căror funcție nu era complet prestabilită, ci se putea defini la utilizare, de către cel care realiza circuitul electronic final.)
Asistența cu software-uri EDA
Proiectarea de produse electronice este foarte diferită de proiectarea majorității celorlalte produse tehnice. Conceperea și fabricarea de automobile, de mașini de spălat, de strunguri, de avioane, de vapoare, dar și proiectarea și materializarea de clădiri, drumuri, poduri, rețele edilitare, se bazează esențialmente pe reprezentări grafice foarte detaliate (și conforme unor reguli/standarde tehnice), ceea ce nu este fundamental în electronică. Dintr-o perspectivă mai filosofică, observăm că în cazul produselor tocmai enumerate funcționalitatea înseamnă în primul rând structuralitate materială, pe când schemele electronice exploatează, în diverse agregări și combinări, anumite efecte ale electricității (prin deplasarea/acumularea electronilor, care determină curent electric sau tensiune electrică). Altfel spus, construcția de mașini, arhitectura și ingineriile civile exploatează în principal proprietățile fizico-mecanice ale materiei (formă, rigiditate, ș.a.), pe când funcționalitatea circuitelor electronice – cu foarte diverse obiective – depinde doar de felul în care sunt combinate și planificate orchestral piesele electronice din componență (piese specifice și cu proprietăți/comportamente electrice felurite).
La alegerea destinației produsului electronic proiectat, factorul uman este (deocamdată) cel care stabilește totul, indiferent că schema incipientă este creionată pe hârtie sau folosind vreo aplicație software. Însă apoi aplicația EDA devine esențială: ea are memorate (în biblioteci specifice) modelele pentru mai toate piesele electronice necesare proiectării, iar aceste componente virtuale/digitale sunt modelate atât (1) din perspectivă dimensională (formă, gabarit), cât și (2) din perspectivă comportamentală (a caracteristicii parametrice de funcționare electronică). Primele aplicații EDA (începând de prin anii 1960-1970) nu-și permiteau să acopere simultan ambele aspecte (fiind o complexitate mult prea mare pentru posibilitățile hardware), așa că mult timp au fost create aplicații (sau module) software distincte: unele pentru (1) definirea compoziției grafice a ,,circuitului imprimat’’ (PCB - Printed Circuit Board; designul plăcii pe care urmau să se lipească piesele electronice reale), și altele pentru (2) simularea funcționării circuitului proiectat (și inclusiv pentru proiectarea circuitelor integrate, pentru care apărea conceptul acronimic SPICE - Simulation Program with Integrated-Circuit Emphasis). Observăm că PCB corespunde cumva pregătirii fabricației (~CAM), pe când simularea corespunde fazei de proiectare-concepție (~CAD).
Pentru proiectarea plăcii de circuit (referită uzual ca ,,PCB layout’’) utilizatorul aplicației EDA pornește de la schema electronică a circuitului, pe care o va alcătui folosind simboluri de piese/componente din biblioteca software-ului. (Din perspectiva fluxului normal de creare a unui produs, firesc ar fi ca informatica să asiste mai întâi la conceperea completă a schemei, și doar apoi să urmeze partea de pregătire a fabricației, dar în cazul produselor electronice uneori conceptul schemei vine din afara aplicației.) După ce a desenat schema electronică, utilizatorul demarează procesul de creare a schiței pentru viitorul circuit imprimat, pentru care software-ul propune rapid un ,,PCB layout’’ incipient, asupra căruia utilizatorul poate interveni, ajustându-l după diverse cerințe (dimensionale, de rezistență mecanică, de evitare a interferențelor electrostatice sau electromagnetice, de minimizare a consumului de energie). De altfel, însăși aplicația EDA poate angaja astfel de reguli de particularizare a design-ului, deci supralicitându-și denominarea de ,,sistem expert’’ (înspre ,,inteligență artificială’’). Și, pentru că software-ul conține în bibliotecile sale date despre poziția terminalelor și despre dimensiunile pieselor electronice folosite în schemă (,,footprint’’-ul pieselor), el va ,,popula" desenul plăcii de circuit imprimat cu contururile și cu conectorii exacți ai tuturor pieselor, și o va face asumând implicit folosirea cât mai economică a suprafeței PCB (adică o minimizare a dimensiunilor plăcii), și totul – desigur – fără a afecta conexiunile dintre piese: adică având permanent grijă de toate traseele de cupru care se vor materializa ulterior pe placă.
Am vorbit mai întâi despre procesul de transpunere a schemei electronice în schița circuitului imprimat (1) deoarece este mai ușor de înțeles. Însă există și (2) aplicații/module software care se pot folosi în chiar faza de concepere a schemei electronice, pentru analiză și validare, și la care esențială este biblioteca de simboluri și de comportamente ale pieselor. Desigur, și aici bazală este definirea conexiunilor dintre piesele electronice. Astfel, software-ul EDA îl asistă pe utilizator în desenarea schemei pentru circuitul electronic pe care acesta îl vizează: avem deci un editor grafic unde putem insera simbolurile de piese preluate din bibliotecă și pe care le vom uni conform intenției de proiectare. Apoi, pentru a pregăti faza de simulare și de verificare virtuală a circuitului, utilizatorul va defini atât semnalele de intrare cât și o serie de puncte de control în schemă: puncte în care aplicația va monitoriza (afișând numeric sau grafic) mărimile electrice dorite (tensiuni, curenți, frecvențe, forme de semnal, etc) atunci când se va demara procesul de simulare efectivă. (Este ca și când electronistul-depanator ar folosi aparatul de măsură sau osciloscopul pentru a diagnostica circuitul.) Dacă la simulare anumite mărimi electrice se vor dovedi neconforme intenției, aplicația îl poate ajuta pe utilizator să corecteze proiectul schemei electronice, ceea ce se poate realiza inclusiv prin modificarea parametrică a unor piese din circuit. (Observăm că totuși utilizatorul trebuie să fie destul de competent în electronică pentru a parcurge această etapă.) Dacă mărimile electrice monitorizate în acele puncte cheie ale circuitului conceput evoluează în limitele așteptate, atunci utilizatorul poate valida conceptul (ca fiind conform cu scopul/obiectivul vizat), sau poate începe un proces de optimizare a proiectului după diferite criterii adiționale.
Aceste două procese, descrise aici succint, sunt baza conceptului EDA. Însă în realitatea industriei electronice există și alte genuri de procese, precum și alte tipuri de circuite la care informatica poate ajuta (ASIC, RFIC, MMIC; magneto-electronice; opto-electronice; siguranță auto; etc). (Aici observăm și că n-am spus nimic despre distincția dintre electronica numerică/digitală și cea analogică.)
Soluții EDA de la Zuken
Înființată în anul 1976, compania Zuken a devenit rapid un pionier în domeniul aplicațiilor software de proiectare și de fabricare a circuitelor electronice în Japonia (și, observăm, asta se întâmpla când Japonia devenea jucător prim în producția mondială de electronice).
În 1978 aplicația Zuken pentru proiectarea de circuite imprimate (,,Create 2000’’) se făcea remarcată pentru o serie de inovații, dintre care unele se vădeau cruciale pentru proiectarea circuitelor electronice mici/minuscule (precum ceasurile de mână). În deceniul următor compania Zuken se extinde la nivel mondial, deschizându-și reprezentanțe în SUA și Europa, iar piața îi conferă un loc important în domeniul proiectării PCB. Tot pe atunci se aliază cu companiile Racal-Redac Ltd (1994) și Incases Engineering GmbH (2000). În anii următori își consolidează poziția prin dezvoltarea soluției software ,,CR-8000’’, o aplicație de vârf capabilă de proiectare multi-placă și de simulare/analiză integrată pentru circuite electronice complexe. Ulterior apar și aplicațiile Zuken ,,E3.series’’, capabile să completeze electronica cu facilitățile avansate de cablare electrică, și deci vizând aplicări pretențioase din dimeniul proiectării automobilelor, aeronavelor, telecomunicațiilor și energeticii (domenii unde s-a remarcat și prin aplicări Digital-Twin). Ultimele tendințe în dezvoltarea portofoliului Zuken vizează soluțiile inginerești integrative pentru sisteme complexe, precum DS (Domain-Specific data and process management) sau MBSE (Model-Based Systems Engineering).
Spre final mai spicuim din portofoliul soluțiilor software de la Zuken:
- CADSTAR a fost inițial (1988) software-ul EDA pentru proiectarea de scheme electronice și de plăci de circuit imprimat destinat să lucreze pe calculatoare personale cu sistemul de operare MS-DOS. Versiunea pentru Windows a fost lansată pe piață în 1994 și a cunoscut câte o nouă ediție în fiecare an, iar din anul 2019 seria a fost rebotezată eCADSTAR.
- În subfamilia software ,,E3.series’’ există, pe lângă soluția pentru proiectarea de scheme electrice și pentru cablare (oarecum asemănătoare facilităților amintite la recenziile de software-uri MCAD din revista T&T), și soluții pentru proiectarea panourilor de control/comandă industriale și a tablourilor electrice de distribuție. Tot aici găsim și aplicația ,,E3.fluid’’, pentru proiectarea circuitelor cu fluide (pentru instalații folosind tubulaturi și conducte: hidraulice, pneumatice, încălzire/răcire,lubrifiere).
- Aflăm și despre două platforme software destinate managementului de proiecte (adică gestionării informațiilor de proiectare și a configurațiilor/variantelor de proiecte): ,,DS-E3’’ complementează aplicațiile din subfamilia ,,E3. series’’ (cu ale cărei componente se integrează foarte strâns, având funcționalitățile încapsulate în chiar interfața-utilizator din 'E3.series'); iar ,,DS-CR’’ face cam același lucru pentru aplicațiile PCB destinate mediilor ,,enterprise’’.
