Заменители P-CAD и AutoCAD

Какие из многочисленных функций знаменитых, но дорогих конструкторских пакетов можно получить бесплатно?

Программные комплексы AutoCAD, P-CAD и P-Spice давно стали стандартом для тех, кто занимается черчением, техническим дизайном, разработкой электронных устройств. Но стоят они не просто дорого, а очень дорого, и купить их могут только серьезные фирмы. А как быть всем прочим? В том числе тем, кому эти монстры и не нужны — достаточно  лишь отдельных функций? Что из бесплатного программного обеспечения и насколько успешно можно использовать в этом случае?

Чтобы ответить на этот вопрос, мы рассмотрели несколько бесплатных программ, обратив внимание на следующие характеристики:

• Область применения — подразумевается не только предметная область (техническое черчение, дизайн, построение диаграмм), но также и уровень программы: поддержка стандартов, принятых в данной области, требования к подготовке пользователя (новичок, студент, профессионал);
• Функциональность.
• Удобство интерфейса. Оценивать его приходится субъективно: что одному удобно, для другого — сущее мучение. Но некоторые свойства все же определяют удобство более или менее однозначно. Например, графический интерфейс, как правило, удобнее командной строки, кнопка удобнее команды меню, а доступ к самой такой команде тем удобнее, чем ближе к главному меню она расположена. Примерно на такие соображения мы и будем опираться.
• Поддержка стандартных графических форматов, гибкость настройки. Что касается поддержки стандартных форматов, то здесь, похоже, все понятно: чем больше, тем лучше. Без такой поддержки программа превращается в «вещь в себе», теряя связь с другими программными средствами. Под гибкостью настройки мы будем понимать не только — и не столько — такие вкусовые вещи, как стиль интерфейса, цвет и размер экранных шрифтов. Для программ рассматриваемого типа гораздо важнее возможность добавлять и изменять стандартные элементы чертежей, схем и графиков, а также автоматизация типовых операций путем записи или написания макросов.

Kicad

Kicad (Knowledge Infrastructure for Collaborative Product Development) — это бесплатная программа для разработки электронных схем и печатных плат, распространяемая по лицензии GPL.

По своей структуре Kicad напоминает P-CAD, известную программную систему аналогичного назначения: это набор из четырех автономных программных модулей, каждый из которых решает отдельную задачу проектирования печатной платы:

• Eeschema — для создания электронной схемы;
• Pcbnew — для создания чертежа печатной платы;
• Gerbview — для просмотра документов, выводимых на фотоплоттер;
• Cvpcb — для выбора из библиотеки стандартных компонентов, применяемых при разработке электронных схем.

К модулям можно обращаться как независимо друг от друга, так и из центрального модуля Kicad, играющего роль менеджера проекта.

Kicad — бесплатная модульная программа для разработки печатных плат

Модуль Eeschema создает простые и многоуровневые схемы, проверяет их корректность с помощью функции Electrical Rules Check (ERC) и составляет список соединений (netlist), который можно использовать как в "родном" модуле Kicad Pcbnew, так и в известной программе расчета электронных схем P-Spice.

Eeschema обеспечивает быстрый прямой доступ к документации электронных компонентов, хранящихся в библиотеке. Редактор этих компонентов тоже вызывается из этого модуля. Библиотека, поставляемая в комплекте с Kicad, насчитывает около 30 готовых компонентов с описаниями. Кроме того, к этой программной системе прилагается 7 демонстрационных электронных схем и чертежей печатных плат.

Редактор печатных плат Pcbnew позволяет создавать чертежи многослойных (до 16 проводящих и 12 технических слоев) плат. Под техническими слоями подразумеваются такие, как слой маркировки, слой защиты и др. Затем Pcbnew создает файлы, необходимые для построения печатной платы (GERBER-файлы для фотоплоттера и файлы размещения компонентов). Для вывода слоев печатного монтажа можно использовать лазерные принтеры PostScript.

Модуль Pcbnew позволяет также просматривать объемную модель готовой платы вместе с установленными на нее электронными компонентами. Для создания трехмерной модели используется язык OpenGL.

К модулям Eeschema и Pcbnew прилагается менеджер библиотек, редакторы компонентов и проекций. Элементы библиотеки снабжаются сопроводительной документацией (поставляемые в комплекте с Kicad — в формате PDF), а также ключевыми словами для облегчения их поиска в базе данных.

EAGLE Layout Editor

Удобный и довольно мощный инструмент для разработки печатных плат. Эмблемой программы является, конечно же, распростерший крылья орел (именно так переводится с английского слово eagle). Однако в действительности EAGLE — это удачно подобранная аббревиатура: Easily Applicable Graphical Layout Editor, что переводится приблизительно так: "легко управляемый графический редактор электронных схем".

Как и Kicad, EAGLE имеет модульную структуру и состоит из трех модулей: Layout Editor, Schematic Editor и Autorouter. Все они открываются из общего интерфейса. Программа поставляется в нескольких редакциях — Professional, Standard и Light, из которых бесплатной является только Light. Свойства этих редакций представлены в таблице ниже.

Рассмотрим свойства EAGLE подробней.

Schematic Module — это интегрированный модуль для разработки чертежей электронных схем. Autorouter выполняет автоматическую разводку всей печатной платы или ее фрагментов. Правила и стратегия разводки определяет пользователь. Layout Editor представляет собой редактор для создания чертежа платы вручную. В комплекте с этим редактором поставляется обширная библиотека компонентов и CAM-процессор для моделирования функций проектируемого устройства, а также драйверы, необходимые для вывода чертежа на большинство стандартных принтеров и фотоплоттеров. Для пополнения библиотеки используется режим Device Editing. В этом режиме можно описать свойства нового электронного компонента.

Для пополнения библиотек EAGLE используется режим Device Editing

При запуске EAGLE открывается центральный модуль — панель управления (Control Panel). Здесь создаются, загружаются и сохраняются проекты, настраиваются параметры программы, запускаются пользовательские сценарии и выполняются программы моделирования электронных схем (CAM). На правой панели окна представлена иерархическая структура библиотек EAGLE, на правой — содержание текущей библиотеки.

Все модули EAGLE запускаются с единой панели управления. Отсюда же открывается доступ к обширным библиотекам электронных компонентов

Электронная схема проектируемого устройства чертится в Schematic Module с использованием стандартных компонентов. При этом широко применяются функции отмены (Undo) и повтора (Redo) предыдущих операций, глубина вложенности которых не ограничена. После того как схема готова, она передается в Layout Editor (одним щелчком на кнопке Switch to Board), где вначале изображаются компоненты, соединенные согласно схеме пунктирными "проводниками", и пустая плата, на которой эти компоненты планируется разместить. Размещение компонентов на плате выполняется вручную, разводка проводников может выполняться как вручную, так и автоматически, с помощью модуля Autorouter. Программа постоянно следит за соответствием платы электронной схеме и за тем, чтобы проводники, расположенные на одном печатном слое, не пересекались.

 

Электронная схема в EAGLE создается с помощью модуля Schematic Module из электронных компонентов, модели которых хранятся в библиотеке

EAGLE Autorouter относится к "100-процентным" функциям разводки печатных плат. Это значит, что теоретически вся плата может быть разведена только при помощи Autorouter, без участия конструктора. Однако "теоретически" — значит "за неограниченное время". Поэтому на практике, разумеется, приходится вмешиваться и ускорять процесс.

В основе EAGLE Autorouter лежит алгоритм трассировки Ripup/Retry (откат/повтор): если программе не удается провести проводник, она удаляет предыдущие проводники (откат) и повторяет попытку. Количество удаляемых проводников, удаляемых при каждой попытке, задает пользователь. Помимо этого параметра, необходимо также задать минимальную толщину проводника, диаметр отверстия для печатных проводников и другие параметры. Таким образом, для эффективной работы автотрассировщика необходима хорошая настройка.

Готовая электронная схема передается в EAGLE Layout Editor, где в полуавтоматическом режиме создается чертеж печатной платы

Чертежи для фотовывода и другая документация в EAGLE создается в формате PCB. Для автоматизации часто выполняемых операций используется C-подобный макроязык.

КОМПАС-3D LT

Бесплатная система трехмерного твердотельного моделирования. Другими словами, это система для создания чертежей, подобная AutoCAD. В число ее компонентов входит мощный чертежно-графический редактор. КОМПАС-3D предназначена для создания трехмерных ассоциативных моделей деталей и сборочных единиц, содержащих как оригинальные, так и стандартизованные конструктивные элементы. Параметрическая технология позволяет быстро получать модели типовых изделий на основе однажды спроектированного прототипа. Многочисленные сервисные функции облегчают решение вспомогательных задач проектирования и обслуживания производства.

В КОМПАС-3D можно создавать конструкторскую и технологическую документацию — сборочные чертежи, спецификации, деталировки и т.д., а также дополнительные изображения изделий (для каталогов, иллюстраций к технической документации и т.д.). Модели КОМПАС-3D экспортируются в различные программы расчета и моделирования.

В самой КОМПАС-3D предусмотрено несколько способов моделирования изделия: "снизу вверх" (из готовых компонентов), "сверху вниз" (компоненты проектируются в контексте конструкции), по компоновочному эскизу (например, кинематические схемы) или комбинированным способом. Такая идеология обеспечивает получение легко модифицируемых ассоциативных моделей.

Система все стандартные функции трехмерного твердотельного моделирования для САПР среднего уровня, в том числе:

• булевы операции над типовыми формообразующими элементами;
• создание поверхностей;
• ассоциативное задание параметров элементов;
• построение вспомогательных прямых и плоскостей, эскизов, пространственных кривых (ломаных, сплайнов, различных спиралей);
• создание конструктивных элементов — фасок, скруглений, отверстий, ребер жесткости, тонкостенных оболочек;
• специальные возможности, облегчающие построение литейных форм — литейные уклоны, линии разъема, полости по форме детали (в том числе с заданием усадки);
• создание массивов формообразующих элементов и компонентов сборок;
• вставка в модель стандартных изделий из библиотеки, формирование пользовательских библиотек моделей;
• моделирование компонентов в контексте сборки, взаимное определение деталей в составе сборки;
• наложение сопряжений на компоненты сборки, в том числе автоматически;
• обнаружение взаимопроникновения деталей;
• переопределение параметров любого элемента на любом этапе проектирования, вызывающее перестроение всей модели.

Основное отличие КОМПАС-3D LT от коммерческой профессиональной версии КОМПАС-3D заключается в невозможности моделирования сборок — допускается создание только отдельных деталей. Это делает систему пригодной для учебных проектно-конструкторских работ.

КОМПАС-3D формирует всевозможную конструкторскую документацию и исходные данные для моделирования

Заключение

В этом обзоре мы рассмотрели только бесплатные программы, которые могут быть полезны инженерам-электронщикам и конструкторам. Мы не затронули такой мощный пласт, как инструменты 3D-моделирования для дизайнеров, художников и специалистов по компьютерной анимации. Однако, как видим, студенту технического вуза есть на чем практиковаться, прежде чем в его руки попадет дорогая лицензионная система проектирования.