Просмотр исходного текста страницы Обзор свободного ПО для моделирования радиоэлектронных устройств и новых возможностей симулятора электронных схем Qucs (Вадим Кузнецов)

== Аннотация ==
;Докладчик: {{Speaker|Вадим Кузнецов}}
<blockquote>
Приведён обзор программных средств с открытым исходным кодом, предназначенных для моделирования различных радиоэлектронных устройств. Кратко рассмотрены основные возможности следующего ПО: <tt>Ngspice</tt>, <tt>Qucs</tt>, <tt>XYCE</tt>, <tt>TkGate</tt>, <tt>Gnucap</tt> и <tt>openEMS</tt>.

Все данные проекты активны в настоящее время.

Приведён обзор новых возможностей САПР для моделирования электроники Qucs, добавленных в версиях 0.0.19 и 0.0.19S.
Рассмотрены перспективы развития САПР Qucs и вопросы интеграции проектов Qucs, Ngspice и XYCE.

Автор статьи входит в команду разработчиков проекта Qucs.

Данная информация будет интересна инженерам-разработчикам электроники, планирующим переход на open-source ПО и ОС Linux.
</blockquote>

== Видео ==

{{vimeoembed|134705164|800|450}}
<!-- {{youtubelink|}}{{letscomment}} -->

== Слайды ==
[[File:Обзор свободного ПО для моделирования радиоэлектронных устройств и новых возможностей симулятора электронных схем Qucs.pdf|left|page=-|256px]]

{{----}}

== Расширенные тезисы ==

Существует не так уж и много open-source САПР.
САПР электроники (Electronic Design Automation --- EDA) являются исключением.
Важной разновидностью данных САПР являются симуляторы электронных схем и электромагнитные симуляторы.  
За последнее время было сообществом было создано достаточно большое количество весьма достойных проектов. 
На сегодняшний день наиболее значимыми из них являются: Ngspice, Qucs, XYCE, TkGate и openEMS. Ниже приведён их краткий обзор.

Сначала рассмотрим симуляторы цифровых и аналоговых схем. На сегодняшний день индустриальным стандартом описания моделей и списков цепей для аналоговых схем является SPICE, разработанный в университете Беркли в 80-е годы прошлого века.
Исходный код многих симуляторов основан на оригинальном коде Berkeley spice3f5.
Для цифровых схем стандартом является поддержка языков описания аппаратуры VHDL и Verilog.

=== SPICE-совместимые симуляторы аналоговых схем ===

На сегодняшний день полную совместимость со SPICE имеют следующие open-source симуляторы:

==== [http://ngspice.org/ Ngspice] ====
Консольный симулятор аналоговых и цифроаналоговых схем. Позволяет производить моделирование на постоянном и переменном токе, анализ переходных процессов, шумовой анализ, анализ нелинейных искажений, Фурье-анализ. Имеет полную совместимость со SPICE-моделями и существующим библиотеками электронных компонентов. Разработка проекта начата более 10 лет назад. Совместим по видам моделирования с популярным коммерческим пакетом PSpice. Существует версия с поддержкой расчётов на GPU --- CUDAspice.

Движок моделирования Ngspice написан на С и использует исходный код spice3f5, написанный университетом Беркли. Ngspice имеет постпроцессор Ngnutmeg со
встроенным скриптовым языком, позволяющим выполнять сложный анализ электронных схем.
Лидерами проекта являются Francesco Lanutti и Paolo Nenzi.

==== [https://xyce.sandia.gov/ xyce] ====
Консольный кроссплатформенный SPICE-совместимый симулятор электронных схем.
Xyce разрабатывается Сандийскими национальными лабораториями (США).  Существуют для версии симулятора: с поддержкой параллельных вычислений через OpenMPI (XyceParallel) и без неё (XyceSerial).

Версия XyceParallel доступна только для Linux. Отличается от Ngspice тем, что не имеет постпроцессора и не содержит некоторых видов моделирования (шумовой
анализ, анализ нелинейных искажений), но зато содержит дополнительный вид моделирования --- гармонический баланс.  Симулятор написан на С++, с
использованием набора библиотек функций линейной алгебры Trilinos, разработанного в Сандийских лабораториях.


==== Gnucap ====
Данный симулятор основан на движке моделирования, написанном с нуля.
Пока не реализованы все виды моделирования и постпроцессор. Симулятор написан на C++.
Сейчас проект разрабатывает Felix Salfelder.

=== Симуляторы цифровых схем ===

Среди симуляторов цифровых схем следует отметить [http://tkgate.org/ TKGate].
Это симулятор только цифровых схем на базе Verilog.
Он работает только в ОС Linux.
Симулятор написан на связке C и Tk/Tcl.
Автором проекта является Jeffery P. Hansen (неактивен).
Сейчас разработкой занимается наш соотечественник Андрей Скворцов.
После шестилетнего перерыва в разработке в этом году вышел релиз TKGate-2.0.

Ключевые возможности симулятора следующие:
* Интерактивное моделирование цифровых схем
* Доступные типы компонентов: логические элементы, триггеры, регистры, счётчики, дешифраторы, мультиплексоры, ОЗУ, ПЗУ, АЛУ, ключи на МОП-транзисторе, имитаторы входных сигналов, светодиоды, семисегментыне индикаторы, шкалы, генераторы синхросигналов.
* Использование пользовательских скриптов Verilog.

Код Verilog можно потом передавать из TkGate в САПР для синтеза ПЛИС.

=== Qucs --- post-SPICE симулятор аналоговых и цифровых схем ===

Теперь рассмотрим симуляторы несовместимые со SPICE. К этому классу относится
популярный симулятор [http://qucs.sf.net/ Qucs].

[http://qucs.sf.net/ Qucs]<ref>Brinson M. E., Jahn S. Qucs: A GPL software package for circuit simulation, compact device modelling and circuit macromodelling from DC to RF and beyond // International Journal of Numerical Modelling (IJNM): Electronic Networks, Devices and Fields. 2008. — September. Vol. 22, no. 4. Pp. 297 – 319.</ref> является симулятором аналоговых и цифровых схем, основанном на вновь разработанном движке моделирования Qucsator. Qucs написан
на C++, имеет свой GUI, основанный на Qt4. Лидером проекта является
Guilherme Brondani Torri. Qucs поддерживает все базовые виды моделирования:
анализ на постоянном и переменном токе, моделирование переходного процесса
\cite{qucs_Kit3}. Отличительной особенность данного симулятора является
расширенные функции для моделирования схем СВЧ-устройств: моделирование
S-параметров, специальные модели СВЧ-компонентов и постпроцессор с расширенными
функциями анализа комплексных сопротивлений в частотной области
\cite{qucs_Kit8}. По возможностям анализа СВЧ-устройств Qucs приближается к
таким проеприетарным аналогам как AWR MicrowaveOffice. Но симулятор Qucsator
несовместим со SPICE и поддерживает SPICE только через слой совместимости, что
значительно осложняет использование существующих библиотек моделей электронных
компонентов. Несмотря на отличные характеристики движка Qucsator для
моделирования СВЧ-схем в частотной, во временной области имеются многочисленные
баги.


Возможно моделирование цифровых схем с применением языков описания
аппаратуры Verilog и VHDL.

\section{Электромагнитные симуляторы}

Единственным представителем класса open-source электромагнитных симуляторов
является openEMS [http://openems.de/ openEMS].

Он не имеет своего графического интерфейса, а встраивается в Octave или Matlab.
Задание на моделирование является скриптом Octave или Matlab, а для просмотра результатов служит программа Paraview.

Электромагнитный симулятор предназначен для расчёта распределения
электромагнитного поля в различных системах и имеет следующие возможности.

* Расчёт электромагнитного поля (электродинамика) методом FDTD (метод конечных разностей во временной области)
* Расчёт S-параметров электромагнитных систем
* Расчёт электромагнитного поля в ближней и дальней зоне
* Расчёт диаграмм направленности антенн
* Визуализация результатов

Преимуществом openEMS является то, что он встраивается в Matlab/Octave, и следовательно мы имеем неограниченные возможности по параметризации моделей.
Недостатком openEMS является повышенный порог вхождения. Требуется обязательное знание Matlab/Octave.

=== Qucs-0.0.19S --- новая версия Qucs с полной поддержкой SPICE ===

Qucs имеет интуитивно понятный интерфейс и развитую подсистему визуализации результатов.
Но Qucs использует свой собственный формат списка цепей и моделей, несовместимый со SPICE.
Это сильно осложняет использование существующих библиотек моделей полупроводниковых компонентов, распространяемых производителями.
Слой совместимости со SPICE имеет многочисленные ограничения.
Также ядро моделирования Qucs имеет многочисленные баги (зависание и крах симулятора) при моделировании во временной области, не
позволяющие моделировать ключевые схемы и силовую электронику.

Ngspice, напротив, полностью совместим со стандартом SPICE и не имеет проблем при моделировании во временной области.
Но Ngspice не имеет GUI и собственной системы визуализации.
Поэтому возникает задача объединить Qucs и Ngspice так, чтобы можно было схему Qucs моделировать в Ngspice и использовать Qucs для визуализации результатов.

Данную задачу решает набор патчей spice4qucs<ref>
* Brinson  M.,  Kuznetsov  V.  Qucs  equation-deﬁned  and  Verilog-A  RF device  models  for  harmonic  balance  circuit  simulation,  in  Mixed  Design
of  Integrated  Circuits  &  Systems  (MIXDES),  2015  22nd  International Conference, vol., no., pp.192-197, 25-27 June 2015
* M.  Brinson,  R.  Crozier,  V.  Kuznetsov,  C.  Novak,  B.  Roucaries,  F.Schreuder,  G.  B.  Torri.  Qucs:  improvements  and  new  directions  in  the GPL  compact  device  modelling  and  circuit  simulation  tool.,  MOS-AK Workshop,  Grenoble,  March,  2015  http://www.mos-ak.org/grenoble_2015/presentations/T4_Brinson_MOS-AK_Grenoble_2015.pdf
* M.  Brinson,  R.  Crozier,  V.  Kuznetsov,  C.  Novak,  B.  Roucaries,  F. Schreuder, G. B. Torri. Qucs: An introduction to the new simulation and compact device modelling features implemented in release 0.0.19/0.0.19Src2 of   the   popular   GPL   circuit   simulator.,   MOS-AK   Workshop,   Graz,
September,  2015  http://www.mos-ak.org/graz_2015/presentations/T_5_Brinson_MOS-AK_Graz_2015.pdf
</ref>

который в 2014-2015 году разработали я и Mike Brinson (London Metropolitan University). Spice4qucs позволяет моделировать схемы Qucs с использованием
внешних консольных симуляторов Ngspice и XYCE. С нашим набором патчей Qucs может служить интерфейсом для Ngspice.
 
Исходный код находится в главном репозитории Qucs в ветке
;rebase_spice4qucs: http://github.com/Qucs/qucs/tree/rebase_spice4qucs

Итак, spice4qucs выполняет следующие функции:
* Преобразует схему Qucs в SPICE-netlist
* Запускает сторонний симулятор
* Преобразует вывод от симулятора в XML-формат данных Qucs

Spice4qucs не принят в upstream проекта Qucs. Поэтому было принято решение
выпустить параллельно два релиза Qucs:
;Qucs-0.0.19: Без spice4qucs. Используется только ядро моделирования Qucsator.
;Qucs-0.0.19S: С интегрированной функцией моделирования схем при помощи Ngspice и XYCE

Версия Qucs-0.0.19S позволяет решать следующие задачи, недоступные базовой версии Qucs-0.0.19:
* Spice4qucs позволяет моделировать схемы, недоступные дефолтному симулятору Qucsator. Прежде всего это силовая электроника, ключевые схемы, схемы на полупроводниковых приборах, работающих с заходом в режим отсечки, и схемы с большим количеством компонентов.
* Добавлено множество SPICE-совместимых компонентов и видов моделирования. Они расположены в группах: Spice components, Spice sections, и Spice
simulations. Подробнее о них написано в документации. Все эти компоненты не будут работать с дефолтным симулятором Qucsator. Они реализуют задание
параметров, начальных условий и команды построцессора в стиле Ngspice. Также добавлены модели полупроводниковых компонентов с полным описанием модели в
формате SPICE. Это позволяет просто копировать модель из существующих библиотек, минуя конвертеры.
* В библиотеках теперь разрешено включение SPICE-нетлиста. Он напрямую передаётся SPICE-совместимому симулятору, минуя конвертации.

Таким образом Qucs-0.0.19S может быть использован в промышленности инженерами-разработчиками электронной техники не только для моделирование
СВЧ-устройств, но и любой другой электроники и составить конкуренцию симуляторам MicroCAP и Multisim.

=== Заключение ===

В данном обзоре были рассмотрены наиболее популярные активные opens-source
проекты в области моделирования электронных схем. Можно сделать вывод, что СПО
реализует все базовые виды моделирования, применяющиеся при разработке
электроники: схемотехническое моделирование цифровых и аналоговых схем, синтез
схем электронных устройств, электромагнитное моделирование. Но по возможностям
СПО существенно отстаёт от проприетарных аналогов. Недостатками являются:
консольный интерфейс, бедные библиотеки компонентов, недостаточный уровень
поддержки промышленных стандартов. Все данные недостатки преодолимы при условии
привлечения к данным проектам дополнительных разработчиков. Преимуществом
является нетребовательность к ресурсам ПК и лучшая производительность, чем у
коммерческого ПО. Таким образом можно рекомендовать применение рассмотренного
СПО в учебном процессе на приборостроительных специальностях,
разработчикам-фрилансерам и на небольших предприятиях.

== Примечания и отзывы ==
<!-- <blockquote>[©]</blockquote> -->

{{fblink|1662784263974588}}                                          
{{vklink|85}}                                          
<references/>

[[Category:OSSDEVCONF-2015]]
[[Category:Open-source projects]]

<!-- topub -->
{{stats|disqus_comments=0|refresh_time=2021-08-31T17:38:03.723886|vimeo_comments=0|vimeo_plays=437|youtube_plays=0}}