Descrizione software grafici per Circuiti

2.1 – Software Eagle

Il programma EAGLE è un potente editor grafico per la progettazione di schemi e

circuiti stampati. Comprende tre moduli: Schematic Editor, Layout Editor,

Autorouter. Può essere usato sia in Windows 95/98/ME, Windows NT4/2000/XP

sia in Linux basato sul kernel 2.x.  Occorre però una risoluzione video grafica

minima di 1024 x 768 pixels. Eagle esiste in più versioni. Si riportano alcuni dati

essenziali delle versioni.

Versione Professional :

massima area di lavoro (layout area) del circuito stampato 64 x 64 pollici

(circa 1600 x 1600 mm)

circuiti stampati fino a 255 strati (layers)

pieno supporto ai componenti SMD

rotazione secondo qualsiasi angolo

fino a 99 fogli (sheets) per ogni schema elettrico

autorouter integrato, senza alcuna restrizione di posizionamento

autorouting fino a 16 signal layers (con direzione personalizzabile)

Versione Standard :

massima area di lavoro 160 x 100 mm (circa 6.3 x 3.9 pollici).

massimo quattro strati : superiore (top) inferiore (bottom) 2 interni (inner

layers).

Versione Light Edition (Freeware):

Disponibile come Freeware (per testing e valutazione):

massima area di lavoro 100 x 80 mm (circa 3.9 x 3.2 pollici).

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solo due strati, top e bottom

lo schema elettrico è composto da un solo foglio

Sono comunque disponibili i file per la produzione (gerber e forature), possono

essere inoltre visti e stampati progetti più grandi. Quando si installa la versione

Freeware non serve un User License Certificate.   Si sceglie l’opzione: Run as

freeware. Dopo l’installazione standard, EAGLE permette di personalizzare delle

impostazioni, come la configurazione dei menù, i tasti funzione o i colori sullo

schermo. Si usa il menù ‘Options’ o le varie finestre dell’editor.

2.2 – Interfaccia utente di EAGLE

Internamente EAGLE è predisposto per eseguire dei comandi sotto forma di

stringa digitata. L’utente normalmente usa il mouse su menù e barre strumenti

(toolbar). Non è necessario conoscere il linguaggio di comando interno, perché

questo modo permette di digitare un comando in modo testo o di far leggere dei

comandi contenuti in un file. Si possono assegnare delle stringhe di comando ai

tasti funzione (comando ASSIGN ) ed eseguire degli script (comando SCRIPT).

Alcuni comandi sono assegnati in combinazione con i tasti Shift, Ctrl, Alt.

‘Alt+F2’ significa che il tasto Alt key viene tenuto premuto mentre si preme F2,

poi si rilasciano entrambi i tasti. Naturalmente lo stesso comando in EAGLE può

essere dato con la tastiera , cliccando sulle icone dei comandi, cliccando sulle voci

dei menù. Ad esempio per eseguire il comando MOVE si può:

cliccare sull’icona

digitare MOVE sulla linea di comando seguito da Invio

premere il tasto funzione F1 assegnato al comando MOVE

selezionare la voce di menù Edit/Move.

Normalmente EAGLE non fa distinzione tra caratteri minuscoli e maiuscoli.

Quando il cursore del mouse si posiziona per un certo tempo su una icona, appare

un testo descrittivo di aiuto (Bubble Help text ). La finestra di lavoro è

rappresentata nella figura 2.1.

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Figura 2.1: Progettazione del PCB

Dall’alto verso il basso :

Titolo con informazioni sulla versione di EAGLE

Barra dei menù (menu bar)

Barra delle azioni (action toolbar)

Barra dinamica (parametri e coordinate) + linea di comando (command line)

A sinistra barra dei comandi (command toolbar)

(si vede il Bubble Help text relativo al comando WIRE)

barra di stato (status bar) : indica il comando corrente

Le barre possono essere mostrate/nascoste usando il menu Options/User interface.

Le barre comandi dello Schematic Editor (sinistra) e del Layout Editor (destra)

sono mostrati in figura 2.2.

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Figura 2.2: Barre dei comandi dello schematic editor di Eagle

2.3 - Control panel

All’apertura di EAGLE, appare il Control Panel. Consente di caricare e salvare i

progetti.   Con Clic destro su Projects appare un menu che consente di creare un

nuovo progetto (figura 2.3).

Figura 2.3: Creazione progetto con Software Eagle

Ogni voce si apre con doppio click. Ad esempio cliccando su ‘Libraries’ appare il

suo contenuto; scegliendo un oggetto ne appare la descrizione (figura 2.4).

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Figura 2.4: Contenuti delle librerie del software Eagle

Il Control Panel permette il normale Drag&Drop: se si fa clic destro su una voce,

appare il menù contestuale con le normali operazioni di print, open, copy, ecc.

2.4 - EAGLE files

I tipi di files che appaiono in EAGLE sono (figura 2.5):

Figura 2.5: Tipi di file in Eagle

2.5 - Backup files

EAGLE crea dei files di backup, fino ad un massimo di 9, dei files schematic,

board, library files. Essi sono salvati con estensioni cambiate :

.brd diventa .b#1, .sch diventa .s#1, .lbr diventa .l#1.

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Tutti i settaggi relativi al backup stanno nel menu Options/Backup.

2.6 - Creazione di un progetto EAGLE

File - New Projects

Appare una nuova cartella sotto la voce ‘Projects’ , che conterrà tutti i file del

progetto; si può cancellare e rinominare usando il menu contestuale. Con clic

destro sulla cartella si apre il menu contestuale, col quale si creano nuovi schemi

di tutti i tipi (sch , brd ecc.). Nella cartella ‘Examples – Tutorial’ vi sono alcuni

file demo . sch e .brd. che possono essere usati per esercitarsi. Per non alterare gli

originali, copiarli nella cartella del nuovo progetto. Ogni file può essere aperto

con doppio clic.

2.7 - Disegno di uno schema elettrico

Selezionare la cartella del progetto. Aprire il progetto (menu File o menu

contestuale). Creare nuovo file schematic.   Appare un foglio vuoto (figura 2.6).

Figura 2.6: Creazione file Schematic con software Eagle

La griglia standard è 0,1 pollici (100 mils, 2,54 mm.) e non va modificata.

Simboli e collegamenti devono essere posti su questa griglia. Si dovrà dunque:

Aggiungere un frame al foglio

Il foglio vuoto deve avere un bordo (frame).

Nella linea di comando si scriverà ‘add’.

Nella lista che appare scegliere la voce frames; selezionare uno tra i formati

predefiniti.6

(per un foglio A4 orizzontale si possono usare : A4L_LOC , DINA4_l ,

LETTER_L ).

Dando OK, il frame appare "attaccato" al cursore che si posizionerà nello

spazio disponibile, con l’angolo in basso a sinistra nel punto più basso del

foglio. Cliccare sull’icona Stop per uscire dal modo add; digitare ALT+F2

(oppure Fit tra i comandi Zoom) per vedere tutto il frame. Salvare lo

schema vuoto. Il frame così conterrà dei campi vuoti (titolo, revisione,

document number) di cui soli alcuni andranno compilati. I due campi

‘TITLE’ e ‘DATE’ sono riempiti automaticamente dal programma quando si

salva il file.

Per immettere altro testo, nella barra comandi a sinistra scegliere l’icona

‘TEXT’ , digitare il testo e posizionarlo.

Per cambiarne la dimensione selezionare l’icona ‘CHANGE’, poi

‘SIZE’ (uscire dal modo testo scegliendo ‘STOP’).Dato che EAGLE

funziona a linea di comando, si può anche digitare CHANGE SIZE

0.17, dare invio e cliccare sul’angolo inferiore sinistro del testo.

Attenzione: usare il punto per i decimali.

2.8 - Disegnare ed editare il circuito

I comandi che si possono utilizzare per disegnare ed editare il circuito risultano

essere:

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Tabella 4 : Comandi di Editing del circuito per software Eagle

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Tabella 4 : Comandi di Editing del circuito per software Eagle

2.9 - Automatic Forward&Back Annotation

Questo procedimento assicura che lo schema e il circuito stampato siano tra loro

compatibili (consistent) cioè la lista dei collegamenti, i componenti e i valori

siano identici. Il procedimento è attivato automaticamente da EAGLE quando si

carica uno schema e un circuito stampato che hanno lo stesso nome e si trovano

nella stessa directory. Il risultato è mostrato in una finestra di testo, in modo da

correggere manualmente le differenze. Per assicurare la perfetta concordanza tra

schema e circuito stampato, tenere sempre aperti ambedue i file .sch e .brd.  In

questo modo ogni variazione nello schema si traduce in una immediata variazione

nel circuito stampato. Alcune variazioni possono essere fatte sia nello schema che

nel circuito stampato (nome dei componenti ad es), altre, come l’aggiunta di

componenti, solo nello schema.

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2.10 - Generazione di un circuito stampato (board) da uno

schema (schematic)

Caricare lo schema da trasformare in board.  Cliccare sulla icona del comando

‘BOARD’ nella the action toolbar : viene generato un file che ha lo stesso nome

dello schema ed estensione .brd .  Appare la finestra del Layout Editor con una

board vuota delimitata da un profilo costituito da wires. Fuori della board a

sinistra vi sono tutti i componenti collegati tra loro con fili volanti "elastici"

(airwires) da posizionare dentro l’area vuota.  Le dimensioni sono 3,90 x 3,20

pollici circa , il massimo consentito dalla versione free.  Col comando MOVE

comunque si può ridurre la dimensione del circuito stampato.

2.11 - Posizionamento dei componenti

Con ‘MOVE’ si spostano i componenti con i relativi collegamenti volanti

(airwires).   Ultimato il posizionamento, col comando ‘RATNEST’ si può

visualizzare il percorso minimo dei collegamenti volanti per ottimizzarlo. Si

utilizza l’ autorouter per il tracciamento automatico delle piste. Si può far partire

l’autorouter in qualsiasi istante. Tuttavia non è bene affidare al routing automatico

la soluzione di tutti i problemi : tipicamente sono tracciate a mano le piste per le

alimentazioni ( considerando il maggior spessore necessario per la massa) e i

collegamenti ritenuti critici. Se si vuole vedere come l’autorouter risolve il

circuito, cliccare sull’icona AUTO.  Appare il setup dell’autorouter: per default la

griglia è fissata a 50 mils (ma può essere cambiata), la direzione preferenziale

delle piste rosse (layer top lato componenti ) è verticale, quella per le piste blu

(layer bottom lato saldature) è orizzontale. L’autorouting è praticamente

immediato per piccoli schemi. Se il risultato non soddisfa, si possono cancellare le

piste col comando ‘RIPUP’; inoltre vi è la possibilità di cancellarne alcune o

tutte. Poi occorre cliccare su ‘GO’ (il piccolo semafo sulla action toolbar accanto

all’icona STOP). Per assicurarsi di aver ben cancellato le piste volute, dare il

comando ‘RATNEST’ per visualizzare gli airwires. Dopo la cancellazione si

rilancia l’autorouter. Le tracce fatte manualmente non sono spostate

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dall’autorouter. Al termine dell’autorouting, appare un messaggio con la

percentuale di piste realizzate. Col comando ‘RATNEST’ si visualizzano le piste

non tracciate.

2.12 - Routing manuale

Nessun autorouter piazzerà mai le piste proprio come si desidera, perciò occorre

ricorrere al routing manuale. Dare il comando ‘ROUTE’ per trasformare un

airwire in una pista e fare clic sull’inizio dell’airwire (clic sinistro al termine di

ogni segmento, doppio clic sinistro per terminare la pista) . Al termine di una pista

il comando ‘ROUTE’ è ancora attivo, perciò si può tracciare da capo un’altra

pista. Durante il tracciamento è attiva la barra dei parametri (parameter toolbar)

dove appare il layer   (in figura 2.7 Top pista rossa), gli angoli possibili per le

piste, il raggio di curvatura, lo spessore (in figura 2.7 Width : 0.066 pollici) ed il

tipo di foro passante (in figura 2.7 di forma quadrata). Durante il tracciamento si

possono variare tutti i parametri; se si decide di cambiare layer, EAGLE inserisce

automaticamente un foro passante.

Figura 2.7: Pannello dei comandi per la creazione di circuiti stampati in Eagle

Il comando ‘MITER’ si usa per raccordare tratti curvi e dritti di piste. Il

procedimento che porta alla completa definizione del circuito stampato

comprende varie fasi:

spostare segmenti di pista e componenti con ‘MOVE’ e ‘SPLIT’.

usare il comando ‘RIPUP’ per cambiare il percorso delle piste .

usare ‘DELETE’ per cancellare segnali (solo senza il Forward&Back

annotation),

modificare il package dei componenti con ‘CHANGE PACKAGE’ or

‘REPLACE’ .

usare ‘SMASH’ per posizionare i testi dei componenti che hanno subito un

‘MOVE’ .

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raccordare piste curvilinee.

Alcuni particolari dei vari comandi sono mostrati nella successiva Tabella:

Tabella 5 : Comandi per la creazione di circuiti stampati con il software Eagle

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Tabella 5 : Comandi per la creazione di circuiti stampati con il software Eagle

2.13 - Eagle 3D

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Lo script Eagle 3D permette di creare partendo da un file EAGLE in un file Pov-

Ray un circuito in 3D. Adesso risulta disponibile la versione 1.05.

Figura 2.8: Script Eagle 3D per software Eagle

Un esempio della potenza di tale Script risultano essere le immagini di seguito:

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Figura 2.9: Esempio di circuito realizzato attraverso il software Eagle e PovRay

2.14 - Istallazione Eagle 3D

Installare POV-Ray scaricare e decomprimere il file ZIP .

Il Contenuto del file ZIP risulta essere :

\doc\: Documentazione in Inglese e Tedesco

\examples\: Esempi...

\povray\: files da copiare nella directory include di PovRay

\ulp\: files da copiare nella directory ulp di EAGLE

Copiare il contenuto della directory POV-Ray nella directory C:\Programmi\

POVRay for Windows v3.6\include\ copiare il contenuto della directory ulp

nella directory C:\Programmi\EAGLE-4.11\ulp\

2.15 - Conversione EAGLE / POV-Ray

Cliccare sull'icona ‘ulp’ come mostrato nella figura seguente:

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Figura 2.10: Conversione Eagle/Pov-Ray partendo dal circuito stampato realizzato con Eagle

Scegliere il file 3d41.ulp nella directory Eagle 3D e cliccare su ‘Apri’:

Figura 2.11: File per accedere allo Script Eagle 3D

Si aprirà una finestra dove andrà specificato in quale cartella dovrà essere salvato

il file con estensione .pov. Le cartelle Scheda, Camera, Luci, ecc permetteranno

di personalizzare l'immagine 3D (figura 2.13). Cliccare su crea POV-file e poi

uscire dallo script.

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Figura 2.12: Schermata di Eagle 3D per personalizzare l’immagine del circuito

Figura 2.13: Settaggi e posizionamento del circuito virtuale con Eagle 3D

Sarà possibile selezionare i componenti manualmente presenti nell’apposita

libreria qualora il programma non ne riesca a determinare l’immagine

automaticamente. Inoltre si potrà scegliere la casa costruttrice dei

microcontrollori, la loro realizzazione con o senza zoccolo e settare il colore dei

led e la loro dimensione (figura 2.14).

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Figura 2.14: Scelta e settaggi dei componenti con Eagle 3D

Selezionare il file .pov che si è creato. Il programma POV-Ray si aprirà con una

cartella con il nome del file. Premere poi su ‘RUN’ come in figura 2.15:

Figura 2.15: Rendering del Circuito con software POV-Ray

Una finestra si aprirà con la vostra scheda in 3D come in figura 2.16:

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Figura 2.16: Esempio circuito 3D realizzato

Verrà inoltre creato un file in formato .bmp che verrà salvato nella directory

corrente del file .pov. Nel caso in cui non tutti i componenti vengono

rappresentati in 3D, vuol dire che per loro non esiste un modello. Quindi si andrà

a vedere sul sito la lista dei componenti 3D già presenti nello script. Questo

permetterà di avere una visione dei componenti 3D esistenti e di facilitare la

ricerca per confronto tra i nomi delle immagini ed i nomi dei componenti di

EAGLE.

2.16 - Descrizione del software POV-Ray

POV-Ray sta per Persistence of Vision Ray-Tracer ed è un programma freeware

di grafica 3D basato sulla tecnica di rendering chiamata ray-tracing. Essa

consente di creare scene ed oggetti simulando il percorso dei raggi di luce del

mondo reale, permettendo così di ottenere una qualità di resa

fotorealistica. La definizione con la quale vengono realizzate le superfici degli

oggetti risulta così ottimale. Per contro, l’algoritmo richiede tempi di calcolo

mediamente piuttosto lunghi, anche se la crescente potenza di elaborazione dei PC

consente di ottenere, a parità di tempo, modelli sempre più complessi.

L’interfaccia utente si presenta semplice, ma al tempo stesso potente facilitando le 19

esigenze di coloro che si avvicinano per la prima volta a software di questo

genere.

L’ interfaccia POV-Ray si presenterà in questo modo (figura 2.17):

Figura 2.17: Interfaccia POV-Ray

POV-Ray descrive una scena mediante un linguaggio dedicato, che pur potendo

apparire inizialmente complicato, permette di raggiungere in poco tempo una

buona padronanza dei comandi di base, aiutandosi anche con i numerosi esempi

disponibili. Vediamo alcuni dei punti di forza del programma:

Ampia libreria di scene;

Elevata qualità d’immagine (anche con profondità di colore a 48 bit);

Numerose forme predefinite, tra primitive ed avanzate;

Vari tipi di telecamera per le riprese;

Gestione sofisticata di sorgenti d’illuminazione di diverse forme;

Effetti atmosferici avanzati;

Supporto di phong e riflessione speculare per superfici dall’aspetto più

realistico;

Riflessione interdiffusa (radiosity) per un’illuminazione ottimale;

Effetti particellari per simulare nuvole, polvere, vapore e fuoco;

Anteprima di visualizzazione durante il rendering di una scena;

Supporto di diversi formati d’uscita, inclusi Targa, BMP, PNG e PPM;

La fase di rendering può essere interrotta, per essere successivamente ripresa.

L’utente può combinare diverse forme primitive per ottenerne di più complesse,

secondo la logica CSG (Constructive Solid Geometry), cioè mediante unioni,

fusioni, intersezioni e sottrazioni di superfici. A ciascun oggetto si assegna una

texture per descriverne le proprietà relative a colori e superfici, scegliendola tra

quelle disponibili o creandone una nuova. E’ inoltre possibile combinare tra loro

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più texture con dei livelli semi-trasparenti per creare superfici di particolare

effetto. L’installazione del programma è semplice: prima di procedere è possibile

visualizzare l’accordo relativo alla licenza d’uso, che va comunque accettato. E’

quindi necessario scegliere la cartella di destinazione nella quale installare

l’applicazione. Nel caso sia presente nel sistema una precedente versione, viene

proposto il salvataggio di tutti i file che verranno sostituiti. Infine viene aperta una

finestra che consente di attivare la ricerca automatica degli aggiornamenti. Al

termine verrà creata una struttura ordinata di cartelle contenente i file binari, di

configurazione e di aiuto, gli “include” necessari alla creazione dei modelli e le

scene di base. Prima di interagire con POV-Ray è consigliabile prendere

confidenza con il sistema di coordinate di riferimento. Inizialmente occorre

indicare dove si trovi la telecamera e quale area si desideri inquadrare, proprio

come se stessimo facendo una ripresa filmata. Per fare ciò si tenga presente che si

è immersi in un mondo virtuale tridimensionale, con l’asse ‘Y’ positiva rivolta

verso l’alto, l’asse ‘X’ positiva rivolta verso destra e l’asse ‘Z’ positiva che punta

nello schermo, secondo la terna sinistrorsa. La finestra messaggi che si presenterà

è mostrata in figura 2.18:

Figura 2.18: Finestra messaggi del software POV-Ray

La creazione della telecamera, a partire dall’editor integrato, avviene con una

dichiarazione del tipo:camera {

location <0, 3, -4>

look_at <0, 2, 3>

}

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Dove “location” indica la sua posizione nel sistema di coordinate in cui la terna

<0, 0, 0> ne individua l’origine e “look_at” indica il punto di inquadratura. Un

oggetto di base, come una sfera, può semplicemente essere descritto come:sphere {<0, 1, 2>, 2

texture {

pigment { color Red }

}

}

Un esempio di Rendering con tale software nella figura seguente :

Figura 2.19: Esempio di rendering con il software POV-Ray

Per capire la filosofia d’uso dell’applicativo, è consigliabile partire da una delle

numerose scene d’esempio disponibili, che possono essere create selezionando il

comando “Run” per avviare il processo di rendering. Tale software consente di

ottenere immagini di straordinaria qualità, paragonabili a quelle che si ottengono

con software commerciali di livello professionale, anche se dotati di strumenti di

modellazione più amichevoli.

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