Всем привет! Сегодня мы поговорим о схемотехнике. А чтобы было интереснее, приплетем сюда Node.js. Внимательный читатель тут же спросит, какая же между ними связь? А такая, что мы попытаемся, используя современные технологии, немного облегчить жизнь тем, кто дружит с паяльником, любит программировать всякие там Arduino/BeagleBoard ну и вообще увлекается электроникой чуть больше, чем на потребительском уровне. Если кратко, то мы попытаемся немного автоматизировать процесс создания библиотеки электронных элементов.

Если стало интересно, то добро пожаловать под кат.

Предисловие

У многих из нас иногда возникает непреодолимое желание разработать какое-нибудь электронное устройство. Будь то робот, гаджет или хотя бы шилд для Arduino, который выполняет специфичные, близкие нашему сердцу функции. И приходит время разрабатывать печатную плату. Как обычно происходит этот процесс? Мы продумываем необходимый функционал, подбираем элементную базу, примерно прикидываем структурную и функциональную схему. Затем скачиваем и устанавливаем какую-нибудь EDA-программу (EDA — Electronic Design Automation). Ваяем принципиальную схему, потом разводим печатную плату (некоторые предпочитают автотрассировщики, но настоящие хардкорщики признают только handmade). Заказываем изготовление платы (ну или утюжим сами), покупаем элементы, паяем, запускаем и наслаждаемся нашим новым творением. Ну или мучаемся с ним, тут уж как получится.

Те, для кого этот процесс знаком, думаю, согласятся, что одна из муторных, рутинных и затратных по времени операций, это создание библиотеки необходимых элементов в формате той EDA, в которой вы обычно работаете. Собственно об автоматизации этого процесса далее и пойдет речь.

И в чем же соль?

Тот же внимательный читатель снова спросит, но ведь во всех современных EDA уже есть встроенные библиотеки элементов, ну а на случай, если нужного элемента не нашлось, есть соответствующий редактор в составе того же пакета программ. Трудно спорить, но все-таки встроенные библиотеки не охватывают всего многообразия этого мира, а удобство редакторов зачастую оставляет желать лучшего. А если вам нужно оформлять схемы по ГОСТ, то тут библиотеки вам редко помогут (почему-то большинство западных производителей софта нагло игнорируют наши стандарты или банально не знают о них). Зачастую сформированная с любовью за долгие годы библиотека мешает перейти вам на более современный пакет EDA только из-за того, что вам придется проходить весь этот тернистый путь заново.

Больше конкретики, Карл

И тогда у меня возникла мысль. Почему бы нам каким-то простым образом не описать электронные компоненты, а генерацию библиотеки доверить машине? Притом предусмотреть какие-нибудь простые, но гибкие средства настройки этого процесса, чтобы конечная библиотека выглядела именно так, как мы этого хотим. В идеале, чтобы мы могли контролировать каждый шаг процесса генерации с возможностью подкручивания того или иного параметра. Проделав настройку один раз, получить результат на всю жизнь. Генерировать библиотеку в формате именно той программы EDA, в которой нам захотелось поработать сегодня.

Так и родился проект под названием QEDA.js. Но перед тем, как начать подробное повествование о нем, пробежимся по терминологии.

С точки зрения разработчика электронный радио элемент (ЭРЭ) в общем случае состоит из условного графического обозначения (УГО) и посадочного места на плате.

УГО (иностранцы называют его schematic symbol) это изображение элемента, которое используется на принципиальной схеме, и которое позволяет нам отличать резистор от конденсатора, микросхему от разъема ну и так далее.

Посадочное место (land pattern, footprint, иногда pad layout в англоязычной терминологии) — это изображение того места на плате, куда элемент будет установлен физически. Есть замечательный стандарт IPC-7351, который регламентирует расчет посадочного места в зависимости от корпуса микросхемы. Собственно он и используется в QEDA.js.

Позиционное обозначение (reference designator) — идентификатор каждого элемента на схеме/плате, состоящий как правило из букв (характеризуют класс элементов) и цифр (порядковый номер элемента на конкретной схеме). Например C4 это 4-й по счету конденсатор, а VT21 — 21й транзистор.

Цоколёвка, или жаргонное распиновка (pinout) — описание расположения и назначения выводов элемента.

Встречайте: QEDA.js

Итак, хватит воды, переходим к сути. Перед тем, как заглянуть под капот, проделаем ряд нехитрых операций.

1. Установим Node.js (если он у вас еще не установлен). Подробности на сайте производителя: nodejs.org
2. Установим CoffeeScript (конечно же можно пропустить этот шаг и использовать ванильный JavaScript, но приведенные далее примеры будут написаны именно на CoffeeScript):
   
   

   npm install -g coffee-script

   
   
3. Установим QEDA.js:
   
   

   npm install -g qeda

   
   
4. Создадим файл script.coffee и наполним его следующими строками:
   
   

   Qeda = require 'qeda'
   
   lib = new Qeda.Library
   lib.add 'Altera/5M1270ZT144' # Add Altera MAX V CPLD
   lib.add 'Analog/AD9393' # Add Analog Devices HDMI interface
   lib.add 'ST/L3GD20H' # Add STMicroelectronics gyroscope
   lib.add 'TI/ISO721' # Add Texas Instruments digital isolator
   lib.add 'TI/ISO722' # Add Texas Instruments digital isolator
   lib.generate 'mylib'

   
   
5. Выполним скрипт:
   
   

   coffee script.coffee

   
   

В директории, где был размещен скрипт, появится субдиректория kicad, которая собственно и содержит свежеиспечённую библиотеку в формате бесплатной, свободной и открытой EDA-программы под названием KiCad. Вы можете скачать дистрибутив этой программы с официального сайта: kicad-pcb.org

Теперь немного вернемся и попытаемся разобраться, что же происходит при выполнении этого скрипта? После подключения модуля QEDA.js и создания объекта — контейнера для наших ЭРЭ, мы добавляем в этот контейнер пару элементов из списка готовых (откроем завесу тайны, фактически это просто YAML-файлы, которые хранятся в специальном репозитории). При первом запуске скрипт подкачивает описания этих элементов в поддиректорию library. Последняя строка отвечает за генерирование библиотечных файлов в формате KiCad. Это и суть наши целевые файлы, ради которых все затевалось.

Однако с вероятностью 99,(9)% вы не найдёте нужный вам компонент в репозитории готовых элементов (дело в том, что в настоящее время он находится в стадии заполнения). Значит нам нужно научиться добавлять свои элементы.

Что ж, сделаем это! Создадим поддиректорию library, если её ещё нет, а в ней создадим файл dummy.yaml со следующим содержимым:

name: Dummy
pinout:
  DIN: 1
  ~DOUT: 2
  Vcc: 3
  GND: 4, 5
  NC: 6-8

properties:
  power: Vcc
  ground: GND
  in: DIN
  out: ~DOUT
  nc: NC
  inverted: ~DOUT

schematic:
  symbol: IC
  left: DIN, NC
  right: ~DOUT, NC
  top: Vcc
  bottom: GND

housing:
  pattern: SOIC
  outline: JEDEC MS-012 AA

Создадим файл custom.coffee (он должен находиться на одном уровне с директорией library) и напишем в нем:

Qeda = require 'qeda'
lib = new Qeda.Library
lib.add 'Dummy' # Adding custom element
lib.generate 'dummy'

Запускаем:

coffee custom.coffee

Получаем:





Ну что ж, надеюсь, мне удалось вас немного заинтересовать. Теперь погрузимся немного глубже в происходящие процессы.

Как я уже упоминал выше, вся необходимая и достаточная информация об ЭРЭ содержится в его YAML-описании. В нем отражаются такие параметры, как:

• Распиновка (pinout) — названия выводов и соответствующие им номера. Номера могут быть перечислены через запятую или заданы диапазоном, причем эти два варианта можно комбинировать. Пример:
  
  

  pinout:
    DATA: 1, 3-6, 10

  
  Номера могут содержать и буквы (например, для BGA):
  
  

  pinout:
    GND: B1, C10-C13, AA1-AC3

  
  Так же можно объединять несколько выводов в группу:
  
  

  pinout:
    SPI:
      CS: 1
      CLK: 2
      MOSI: 3
      MISO: 4

  
  Группировать можно и названия выводов, они автоматически преобразуются в список (при этом их количество должно совпадать с количеством номеров справа):
  
  

  pinout:
    D16-0, CLK: 1-18

  
  
• Свойства выводов (properties) — строго говоря, это тоже часть распиновки, но только не обязательная. Позволяет пролить немного света на тип выводов. Эта информация используется многими EDA-программами как для отображения символа, так и для проведения некоторых проверок (например, чтобы вы не пустили питание на ножку земли).
  
  

  properties:
    power: Vcc # Питание
    ground: GND # Земля
    in: DIN # Вход
    out: ~DOUT # Выход
    nc: NC # Не подсоединенный вывод
    inverted: ~DOUT # Инвертированный сигнал

  
  
• Описание УГО (schematic) — указываем скрипт, ответственный за отрисовку элемента плюс некоторые настройки того, как символ должен выглядеть.
  
  

  schematic:
    symbol: IC # Отрисовывать будет скрипт 'ic.coffee'
    left: DIN, NC # Выводы с левой стороны
    right: ~DOUT, NC # Выводы с правой стороны ('NC' будут сбалансированно распределены на обе стороны)
    top: Vcc # Выводы сверху
    bottom: GND # Выводы снизу

  
  
• Описание корпуса (housing) — приводим размеры корпуса или ссылку на файл со стандартными размерами, а также указываем скрипт, который будет отрисовывать посадочное место.
  
  

  housing:
    pattern: SOIC # Отрисовывать будет 'soic.coffee'
    outline: JEDEC MS-012 AA # Размеры брать из файла 'jedec/ms-012.yaml', группа 'AA'

  
  Но можно задать размеры прямо из datasheet:
  
  

  housing:
    pattern: SOIC # Отрисовывать будет 'soic.coffee'
    pitch: 1.27 # Шаг вывода
    bodyWidth: 3.80-4.00 # Ширина корпуса
    bodyLength: 4.80-5.00 # Длина корпуса
    height: 1.75 # Габаритная высота
    leadSpan: 5.80-6.20 # Габаритная ширина (от края до края вывода)
    leadLength: 0.40-1.27 # Длина вывода
    leadWidth: 0.31-0.51 # Ширина вывода
    leadCount: 8 # Количество выводов

Ну а что же с ГОСТ? Все просто, немного дополняем код script.coffee:

Qeda = require 'qeda'

lib = new Qeda.Library
  symbol:
    style: 'GOST'

lib.add 'Altera/5M1270ZT144' # Add Altera MAX V CPLD
lib.add 'Analog/AD9393' # Add Analog Devices HDMI interface
lib.add 'ST/L3GD20H' # Add STMicroelectronics gyroscope
lib.add 'TI/ISO721' # Add Texas Instruments digital isolator
lib.add 'TI/ISO722' # Add Texas Instruments digital isolator
lib.generate 'mylib'

Запускаем. Для сравнения приведем результат «до и после» для части Altera 5M1270ZT144 (заметьте, что позиционное обозначение так же изменилось в соответствии с ГОСТ):

До:


После:


Ну и на десерт пара реальных, а не гипотетических примеров результата работы:

Заключение

Я коснулся лишь малой части API, чтобы статья не получилась чересчур длинной, и не отразил всего многообразия настроек и параметров, которыми можно варьировать.

Что еще предстоит сделать? По сути проект находится сейчас на стадии proof of concept. Сделать надо ещё вагон и маленькую тележку. Что планируется:

• Расширить количество поддерживаемых типов элементов
• Углубить диагностику ошибочных ситуаций
• Пройти весь путь до изготовления платы
• Генерировать 3D-модели
• Поддержать форматы и других EDA-программ
• Наконец-таки все это хорошенько задокументировать

Исходный код

Github: https://github.com/qeda