“畫完PCB，打板之前，你是不是也心里打鼓：
“這根差分線到底90 Ω還是88 Ω？Stub 會(huì)不會(huì)把 5 GHz 信號打回原形？”
跑去借 50 GHz 網(wǎng)絡(luò)分析儀？貴到哭。
用商業(yè) SI 軟件？授權(quán)費(fèi)能再買一輛車。
別急，今天給你安利一個(gè)寶藏項(xiàng)目：gerber2ems，結(jié)合開源的 openEMS solver, 讓你用家里電腦能跑 3D 全波 FDTD，直接看 S 參數(shù)、阻抗曲線，還帶動(dòng)畫的那種！”

項(xiàng)目背景Antmicro 這幫老哥日常給 FPGA、RISC-V 板子做高速接口，信號完整性必須過關(guān)?？伤麄兤姁坶_源：KiCad 畫板、openEMS solver。于是干脆寫了 gerber2ems：把“Gerber + 鉆孔+ 疊層”一鍵翻譯成 openEMS 能吃的 3D 模型，跑完還能跟 VNA 實(shí)測對波。項(xiàng)目指路
GitHub地址：https://github.com/antmicro/gerber2emsLicense：Apache 2.0

關(guān)于 openEMS 的使用，可以參考：

OpenEMS：免費(fèi)開源的電磁場求解器

gerber2ems 是一個(gè) Python 腳本，旨在使用開源工具簡化信號完整性(SI) 仿真流程。它接收 PCB 生產(chǎn)文件（Gerber、鉆孔文件、疊層信息）作為輸入，并使用openEMS來仿真走線的信號完整性性能。openEMS 是一款免費(fèi)開源的電磁場求解器，采用FDTD(時(shí)域有限差分) 方法：

https://github.com/thliebig/openEMS-Project/

安裝

安裝 OpenEMS

安裝以下軟件包 (在 Debian/Ubuntu 上):

sudo aptupdatesudo apt install build-essential cmake git libhdf5-dev libvtk9-dev libboost-all-dev libcgal-dev libtinyxml-dev qtbase5-dev libvtk9-qt-dev cython3 pippip install--break-system-packages numpy scipy matplotlib h5py setuptools# 推薦使用此命令，因?yàn)?Debian 安裝的 numpy 版本較舊，常導(dǎo)致版本沖突

克隆倉庫、編譯并安裝openEMS。

建議使用bb991bb3這次提交 (commit)，這是與 gerber2ems 一同測試過的最新版本。

gitclonehttps://github.com/thliebig/openEMS-Project.gitpushd./openEMS-Projectgit checkout bb991bb3git submodule update --init --recursive./update_openEMS.sh ~/opt/openEMS --pythonpopd

安裝 gerber2ems 腳本

1. 安裝依賴:

sudoapt install gerbv python3.11pipxpipxensurepath

2. 克隆并安裝gerber2ems:

gitclonehttps://github.com/antmicro/gerber2ems.gitpushd./gerber2emspipx install --system-site-packages .popd

注意：如果你想使用ems2paraview命令，還需運(yùn)行sudo apt install paraview python3-paraview。

你可以使用內(nèi)置的示例來測試gerber2ems。這些示例是我們的開源硬件信號完整性測試板(https://openhardware.antmicro.com/boards/si-simulation-test-board/)的切片，使用KiCad SI wrapper生成。部分選定的示例在專用的vna.csv文件中包含了VNA(矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀) 的測量數(shù)據(jù)，這使我們能夠?qū)?openEMS 的仿真結(jié)果與真實(shí)世界的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

cd./gerber2ems/examples/stub_shortgerber2ems -a

使用方法

如需快速查閱，請使用gerber2ems --help。

要仿真一條走線，請遵循以下步驟：

1. 準(zhǔn)備輸入文件并將它們放入fab/文件夾 (詳見PCB 輸入文件準(zhǔn)備部分)。

2. 準(zhǔn)備配置文件simulation.json(詳見配置準(zhǔn)備部分)。

3. 運(yùn)行gerber2ems -a(過程詳見幾何結(jié)構(gòu)創(chuàng)建部分)。

4. 在ems/results目錄中查看結(jié)果 (詳見結(jié)果部分)。

5. 運(yùn)行gerber2ems -a --export-field并使用Paraview查看電場動(dòng)畫 (詳見Paraview部分)。

結(jié)果

下面展示了stub_short示例的仿真輸出。該軟件返回以下幾類輸出：

S 參數(shù)和阻抗數(shù)據(jù)

仿真過程中收集的阻抗和 S 參數(shù)數(shù)據(jù)，以帶表頭的 CSV 格式存儲(chǔ)。

S 參數(shù)圖表

每次激勵(lì)期間測量的各 S 參數(shù)的圖表。

史密斯圓圖

每次激勵(lì)的 S-11 參數(shù)圖。

阻抗圖表

每個(gè)激勵(lì)端口的阻抗隨頻率變化的圖表。

stub_short示例包含一個(gè)vna.csv文件，可用于驗(yàn)證仿真結(jié)果。

工作原理

項(xiàng)目準(zhǔn)備

仿真整個(gè) PCB 對資源消耗極大，因此，盡可能分離出一個(gè)小尺寸的感興趣區(qū)域：不需要的走線、鋪銅等都應(yīng)移除。如果整個(gè)層都是多余的，你可以在后續(xù)步驟中移除它們。

應(yīng)在坐標(biāo)文件中使用虛擬元器件標(biāo)記感興趣的端口。其標(biāo)號應(yīng)以 "SP" 開頭，后跟端口號。

鉆孔文件的原點(diǎn)應(yīng)置于左下角。

在現(xiàn)實(shí)中被端接且會(huì)存在于仿真中的每條走線或鋪銅，都應(yīng)使用仿真端口進(jìn)行端接或連接到地。

目前，電容不參與仿真。對于高頻仿真，可以用一條走線將其短路來近似處理。

PCB 輸入文件準(zhǔn)備

腳本需要多個(gè)輸入文件來創(chuàng)建幾何結(jié)構(gòu)。這些文件都應(yīng)位于 "fab" 文件夾中，具體如下：

• Gerber 文件- 每個(gè)需要仿真的銅層都應(yīng)有一個(gè)對應(yīng)的 Gerber 文件，命名格式如下："<可選文本>-<來自疊層文件的名稱>.gbr"

• 疊層文件- 一個(gè)描述 PCB 疊層的文件，名為stackup.json。格式示例：

{ "layers":[   {     "name":"F.Cu",     "type":"copper",     "color":null,     "thickness":0.035,     "material":null,     "epsilon":null,     "lossTangent":null   },   {     "name":"dielectric 1",     "type":"core",     "color":null,     "thickness":0.2,     "material":"FR4",     "epsilon":4.5,     "lossTangent":0.02   } ], "format_version":"1.0"}

• 鉆孔文件- Excellon 格式的帶電鍍通孔的鉆孔文件。文件名應(yīng)以"-PTH.drl"結(jié)尾。

• 坐標(biāo)文件- 描述端口位置的文件。文件名應(yīng)以"-pos.csv"結(jié)尾。

  • 坐標(biāo)應(yīng)相對于左下角給出。

  • 端口的區(qū)域根據(jù)simulation.json文件中的Width(寬度) 和Length(長度) 值，使用下表中的公式計(jì)算：

旋轉(zhuǎn) [°]	X 范圍	Y 范圍	波傳播方向
0	(PosX?Width/2,PosX+Width/2)	(PosY,PosY+Length)	沿 Y 軸
90	(PosX?Length,PosX)	(PosY?Width/2,PosY+Width/2)	與 X 軸相反
180	(PosX?Width/2,PosX+Width/2)	(PosY?Length,PosY)	與 Y 軸相反
270	(PosX,PosX+Length)	(PosY?Width/2,PosY+Width/2)	沿 X 軸

• 文件示例：

# Ref   Val       Package        PosX    PosY    Rot SideSP1   Simulation_Port Simulation_Port   3.0000 11.7500180.0000 top

配置準(zhǔn)備

simulation.json文件用于配置整個(gè)仿真過程。你可以在example_gerbers文件夾中找到示例文件。此文件中的所有尺寸單位均為微米 (micrometers)。該配置文件包含三個(gè)部分：

雜項(xiàng)

• format_version- 指定配置文件的格式。編寫新配置時(shí)，應(yīng)使用最新的支持版本 (可在constants.py文件中查看)。

• frequency-start指定了感興趣的最低頻率，stop指定了最高頻率 (單位：Hz)。

• max_steps- 仿真的最大步數(shù)，達(dá)到此步數(shù)后仿真將無條件停止。

• pixel_size- 像素大小，單位為微米。用于 Gerber 轉(zhuǎn)換 (默認(rèn)值：5) (由于 libcairo 的限制，對于較大的板子需要增加此值，但應(yīng)盡量保持其盡可能小)。

• via/plating_thickness- 過孔電鍍層厚度 (單位：微米)。

• via/filling_epsilon- 過孔填充材料的介電常數(shù)。如果未填充，則應(yīng)為 1。

網(wǎng)格

• inter_layers- 相鄰 PCB 層之間 Z 軸上的網(wǎng)格線數(shù)量 (默認(rèn)值：4)。

• optimal- 基本網(wǎng)格間距 (單位：微米) (用于金屬邊緣的單元) (默認(rèn)值：50)。

• diagonal- 網(wǎng)格間距 (單位：微米) (用于有對角線路徑的區(qū)域) (默認(rèn)值：50)。

• perpendicular- 網(wǎng)格間距 (單位：微米) (用于路徑與網(wǎng)格垂直的區(qū)域) (默認(rèn)值：200)。

• max- 最大網(wǎng)格間距 (單位：微米) (用于板區(qū)之外) (默認(rèn)值：500)。

• cell_ratio/xy- 最佳相鄰單元尺寸比 (X/Y 軸) (默認(rèn)值：1.2)。

• cell_ratio/z- 最佳相鄰單元尺寸比 (Z 軸) (默認(rèn)值：1.5)。

• margin/xy- X/Y 軸的邊距大小 (單位：微米) (網(wǎng)格超出 PCB 的距離) (默認(rèn)值：1000)。

• margin/z- Z 軸的邊距大小 (單位：微米) (默認(rèn)值：1000)。

• margin/from_trace- 根據(jù)感興趣網(wǎng)絡(luò)的邊界框限制仿真空間 (默認(rèn)值：True) (如果為 False，則使用板的邊界框)。

網(wǎng)格間距選項(xiàng)應(yīng)遵循：

optimal<=diagonal<=perpendicular<=max<=λmin/10

端口

ports是一個(gè)端口列表。每個(gè)端口都有以下參數(shù)：

• width- 端口寬度 (單位：微米)。

• length- 端口長度 (端口目前由微帶線片段組成，其長度應(yīng)至少為網(wǎng)格單元尺寸的 8 倍) (單位：微米)。

• impedance- 端口的端接阻抗 (驅(qū)動(dòng)器或接收器的阻抗) (單位：歐姆)。

• layer- 端口所在的銅層編號 (從頂部開始計(jì)數(shù))。

• plane- 微帶線參考平面所在的銅層編號 (從頂部開始計(jì)數(shù))。

• excite- 仿真器是否應(yīng)將此端口用作輸入端口 (對于多個(gè)激勵(lì)端口，它們將在單獨(dú)的仿真中被激勵(lì))。

差分對/走線

differential_pairs/traces是被仿真信號的列表。每個(gè)信號可以有以下字段：

• start_p,stop_p,start_n,stop_n- 用于信號的端口號 (差分對)。

• start,stop- 用于信號的端口號 (單端走線)。

• name- 可選名稱，用于識別信號。

• nets- 在生成網(wǎng)格時(shí)要包含的網(wǎng)絡(luò)列表 (例如["/CSI_A_CLK_N","/CSI_A_CLK_P"])。如果未指定，將使用netinfo.json文件中的數(shù)據(jù)。如果該文件也不存在，則在生成網(wǎng)格時(shí)會(huì)考慮所有網(wǎng)絡(luò) (GND除外)。

幾何結(jié)構(gòu)創(chuàng)建

這是一個(gè)通過-g標(biāo)志啟動(dòng)的自動(dòng)步驟。該腳本會(huì)定位創(chuàng)建幾何結(jié)構(gòu)所需的所有文件 (Gerber、鉆孔文件、pnp 文件、疊層文件、仿真配置文件)。然后，它使用gerbv將 Gerber 文件轉(zhuǎn)換為 PNG。接著，這些 PNG 被處理成三角形并輸入到幾何結(jié)構(gòu)中。此過程還會(huì)添加過孔和端口的幾何形狀。所有物體都根據(jù)疊層文件放置在正確的 Z 軸高度上。

你可以使用AppCSXCAD(在安裝 openEMS 時(shí)已安裝) 查看生成的幾何結(jié)構(gòu)，它被保存在ems/geometry/geometry.xml文件中。

仿真

這是一個(gè)通過-s標(biāo)志啟動(dòng)的自動(dòng)步驟。該腳本會(huì)加載幾何結(jié)構(gòu)和配置文件。它將所有信息輸入引擎并開始仿真，對每個(gè)激勵(lì)端口進(jìn)行迭代。

在這一步，用戶應(yīng)驗(yàn)證指定的時(shí)間步數(shù)是否足夠。引擎建議它至少是脈沖長度的 3 倍：

```激勵(lì)信號長度為： 3211 時(shí)間步 (3.18343e-10s)最大時(shí)間步數(shù)： 10000 ( --> 3.11429 * 激勵(lì)信號長度)```

仿真器將幾何結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為 voxels，并開始為網(wǎng)格中的每個(gè)邊求解麥克斯韋方程組。它會(huì)執(zhí)行一定數(shù)量的時(shí)間步 (在配置中指定的最大數(shù)量)，然后退出。對于每個(gè)時(shí)間步，來自銅層之間平面的電場數(shù)據(jù)被保存到ems/simulation文件夾的文件中。端口電壓和電流數(shù)據(jù)也會(huì)被保存。

在仿真過程中，其中一個(gè)端口使用高斯脈沖(具有寬帶頻率內(nèi)容) 進(jìn)行激勵(lì)。這個(gè)脈沖穿過網(wǎng)絡(luò)并從其他端口輸出 (也可能輻射到板外)。

你可以通過查看引擎輸出來監(jiān)控仿真過程：

[@ 20s] 時(shí)間步: 4620 || 速度: 294.4 MC/s (3.372e-03 s/TS) || 能量: ~4.16e-16 (- 7.15dB)

通過這種方式，你可以看到：

• 當(dāng)前處于哪個(gè)時(shí)間步

• 仿真器每秒處理多少網(wǎng)格體素

• 系統(tǒng)中剩余多少能量

在仿真過程中，能量應(yīng)隨著其通過端口離開而下降 (激勵(lì)脈沖結(jié)束后)，但由于不精確性和輻射能量，它不會(huì)降到 0。

仿真結(jié)束后，用戶可以使用Paraview驗(yàn)證數(shù)據(jù) (在下文的一個(gè)章節(jié)中描述)。

后處理

這是一個(gè)通過-p標(biāo)志啟動(dòng)的自動(dòng)步驟。該腳本會(huì)加載每個(gè)激勵(lì)端口的仿真數(shù)據(jù)。然后，它進(jìn)行FFT(快速傅里葉變換) 以獲取頻域數(shù)據(jù)。接著，它將入射波和反射波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為阻抗和 S 參數(shù)。這些數(shù)據(jù)以 CSV 格式保存在ems/results/S-parameters文件夾中。這些數(shù)據(jù)也會(huì)被自動(dòng)繪制成圖表，圖表保存在ems/results中。

Paraview

要在 Paraview 中查看仿真數(shù)據(jù)，請遵循以下步驟：

1. 運(yùn)行gerber2ems -a --export-field

2. 運(yùn)行ems2paraview

是一個(gè)仿真的端口號，在simulation.json中定義，要列出所有可用端口，請使用：ems2paraview -l。

dump locations可以省略 ，或者你可以從以下列表中選擇一個(gè)或多個(gè)關(guān)鍵字：

• outer- 在板表面上方 100 微米處轉(zhuǎn)儲(chǔ)場

• cu-outer- 在外部銅層的 Z 坐標(biāo)位置轉(zhuǎn)儲(chǔ)場

• cu-inner- 在內(nèi)部銅層的 Z 坐標(biāo)位置轉(zhuǎn)儲(chǔ)場

• substrate- 在每個(gè)介電層的中間轉(zhuǎn)儲(chǔ)場

--oversampling - 可以添加此項(xiàng)以增加導(dǎo)出場的頻率 (通常 OpenEMS 每幾百個(gè)時(shí)間步轉(zhuǎn)儲(chǔ)一次 Field) (默認(rèn)值為 4)。

警告

Field 導(dǎo)出文件可能輕易占用數(shù)百 GB 的存儲(chǔ)空間。

動(dòng)畫

要生成動(dòng)畫，按以下步驟操作：

1. 生成一個(gè) PCB 的 blend 模型 (參見picknblend：https://antmicro.github.io/picknblend/quickstart.html)

2. 使用--export-field標(biāo)志并增加過采樣率 (--oversampling 16) 運(yùn)行gerber2ems

3. 將生成的*.vtr文件轉(zhuǎn)換為灰度 png 圖片 (運(yùn)行ems2png)

4. 在blender中打開 PCB 的 blend 文件，并附加EMS_Plane(File>>Append..>>EMS_Plane.blend/Object/EMS_Plane)

5. 設(shè)置平面尺寸 (它應(yīng)與切片大小大致相同)

6. 進(jìn)入Shading(著色) 工作區(qū)

7. 在左側(cè)的每個(gè)紋理節(jié)點(diǎn)中，點(diǎn)擊文件夾圖標(biāo)并選擇第三步生成的編號最小的 png (例如，第一條走線使用simulation_images/e_field_0_0000，第二條使用simulation_images/e_field_1_0000)。

8. 如果動(dòng)畫只需要顯示一條走線，用一個(gè)設(shè)置為黑色的 RGB 節(jié)點(diǎn)替換掉另一個(gè)紋理節(jié)點(diǎn)。

9. 在紋理節(jié)點(diǎn)上，將源類型從Single Image(單個(gè)圖像) 更改為Image Sequence(圖像序列)，并用相應(yīng)走線生成的圖像數(shù)量更新Frames(幀數(shù)) 字段。

10. 將視圖模式設(shè)置為rendered(渲染)，并將EMS_Plane定位在 PCB 紋理上相應(yīng)走線的正上方 (你可能需要切換到一個(gè)場較強(qiáng)且覆蓋大部分走線的幀)。

11. 選擇EMS_Plane并在圖像序列的第一幀和最后一幀應(yīng)用任意類型的關(guān)鍵幀。

12. 在blendcfg.yaml中添加一個(gè)新的預(yù)設(shè)：

ems_animation:CAMERAS:  PHOTO1: truePOSITIONS:  TOP: trueRENDERER:  FPS: 25SCENE:  RENDERED_OBJECT: Object/EMS_PlaneOUTPUTS:  - ANIMATION:

13. 運(yùn)行pcbooth -b .blend -c ems_animation

提示

可以考慮創(chuàng)建一個(gè)新的 blend 文件，而不是直接使用picknblend的輸出。在這個(gè)新文件中，將picknblend的輸出作為鏈接的 blender 模型添加進(jìn)來。這將允許你重復(fù)使用基礎(chǔ)的 blender 模型來展示不同的走線仿真，并能防止gerber2blend/picknblend意外刷新模型。

結(jié)束語

雖然gerber2ems目前對復(fù)雜電源網(wǎng)絡(luò)仿真支持有限，且大板子仍需高性能硬件支持，但它無疑為硬件開發(fā)者打開了信號仿真民主化的大門。下次做SI驗(yàn)證時(shí)，不妨讓它幫你省下幾千刀軟件費(fèi)！