CAD软件设计

出处：按学科分类—工业技术 北京理工大学出版社《新编液压工程手册上册》第184页（4103字）

计算机辅助设计系统包括硬件和软件系统，开发一个CAD系统涉及到这两方面的设计问题。对于硬件部分，通常不是直接设计硬件设备，而是根据设计任务的要求确定所需硬件的功能，并提出配置什么样的硬件和如何使用硬件设备。软件设计是提出设计系统应包括的软件内容，主要是应用程序的设计和调试工作。研制CAD系统的软件设计工作过程，包括下面几个阶段：

·程序系统分析

·程序系统总体设计

·程序系统的详细设计

·编写程序

·程序调试

·程序的运算和维护

(1)程序系统分析

这个阶段主要完成下面几方面的工作：

·充分分析与明确设计任务与要求，了解该任务手工设计的内容、方法与步骤，明确设计的初始条件、技术要求、性能指标；

·分析计算机上实现设计的可能性，选用现代设计方法，如引入优化设计方法；

·确定设计的系统采用哪种类型的CAD系统(如采用人—机交互式或非人—机交互式)，系统具有哪些功能(如有没有工程数据库，图形输出方式选择)，确定系统的输入、输出参数；

·进行可行性分析。从现有的计算机设备、资金、人员技术水平及组成等，分析完成研制的条件，需要解决的技术关键，以及解决的途径，作出可行性分析报告；

·论证可行性报告后，填写研制任务书。其内容包括研制任务与要求；程序系统的总功能及其组成；研制计划和进度；解决技术关键的途径；经费预算；研制人员组成等。

(2)程序系统的总体设计

在这个阶段，将确定程序的总体结构设计，总体结构的设计方法，模块的功能，模块间参数传递的方式以及采用哪一种语言进行设计等内容。

A．程序系统的结构设计

在进行总体设计时，首先考虑的是程序结构。为了使程序结构合理、清晰、容易阅读、不易出错、便于调试和维护，结构设计通常可采用自顶向下和模块化的设计方法。具体讲，就是将程序系统作为一个总功能模块，随后将该功能模块划分成多个层次，由若干个独立的小功能模块组成。对于最下层的功能模块，只完成单一的、定义明确的功能，称为单功能模块。为了表明组成程序系统的结构，可以画出功能模块结构图。结构图通常采用树结构，即一个模块只被一个高于它的模块调用，形成层次结构；也可采用网状结构，即一个模块由多于一个层次的模块调用，如图6．1－2所示的一个功能模块结构图。其中设计计算模块，对其上、下系统的模块均属于树状结构，而对于绘图模块，既受制于管理模块，同时也受设计模块输出数据的影响，当有新的设计数据输入，会改变绘图模块输出的图形，也就是属于网状结构形式。任一个程序系统结构的功能模块图可能会包括上述两种结构。

图6．1－2 功能模块结构图

B．确定数据的流通途径

设计系统的结构时，还要分析系统运行时数据的流通、设计系统外部数据输入与数据输出的次序和途径，数据流通较复杂时，最好用箭头标出数据的流向；

C．确定编程的设计语言

CAD的设计与绘图两大部分，对支撑软件的功能要求很不相同，通常设计部分要求支撑软件的数值计算功能很强，而绘图部分则对支撑软件的绘图功能要求高些。所以对于CAD开发人员在确定编程语言时，常选择有较强数值计算功能的BASIC，C及FORTRAN等语言作为设计的支撑软件，而在绘图部分则选用有优秀屏幕操作功能、图形编辑、修改功能及众多硬件支持的绘图软件，如AutoCAD绘图软件及大恒机械CAD软件或MegaCAD软件。

(3)程序系统详细设计

详细设计的目的是将总体设计中描述的每一模块的功能具体化，设计出每一模块的内部细节，包括程序模块过程、算法描述和数据结构，以及各程序模块间接口信息的描述，为编写源程序作好必要的准备。

A．建立数学模型

计算机通过数值运算和逻辑判断解决问题，需要把设计的问题归纳为明确的数学问题，用数学计算式表示设计问题，即通常的数学模型。

一般的工程设计中的某些设计问题已经有现成的、公认的计算公式(包括理论公式、经验公式)，可以直接引用来建立数学模型。但在实际的工程设计中，往往一些设计问题没有现成的计算公式，这时设计者可以通过理论研究，推导或由实验数据通过辩识拟合方法，求出符合实际的数学模型。建立数学模型时可根据CAD现代设计方法，引入优化设计方法。即确定合适的设计变量，给出约束条件的表达式，确定达到设计预期目标要求的目标函数。

B．确定算法，画程序框图(流程图)

数学模型确定之后，便要制定问题求解的一个算法，并按算法步骤画出流程图。

结构化程序设计方法要求人们按照一定的规则编写程序，一个结构化程序由若干个基本结构顺序构成。写程序时，一个结构、一个结构顺序地写，看程序时也是从上而下，一个结构、一个结构地读，每一个基本结构可以包含一个或若干个语句。每种基本结构只有一个入口，一个出口，它从顶上进入，底部出去，有三种基本结构：顺序结构，选择结构，循环结构。顺序结构是最简单的一种结构，如图6．1－3(a)所示。先执行A操作，再执行B操作，两者是顺序执行的关系；选择的结构是单分支结构，如图6．1－3(b)所示，图中P代表一个条件，当P条件成立(或称为“真”)时执行A，否则执行B。注意，只能执行A或B之一，两条路径汇合在一起后，然后出口。此外，还有一个多分支选择结构，如图6．1－3(c)所示，根据数据K值(K₁，K₂，…)决定执行A₁，A₂，…；循环结构中又有“当型循环结构”及“直到型循环结构”两种结构形式。当型循环结构，如图6．1－4(a)所示。先执行A操作，再判断P是否为“假”，若P为“假”，再执行A操作，直到P为“真”时为止；直到型循环结构，如图6．1－4(b)所示。当P条件成立(“真”)时，反复执行A操作，直到P为“假”时才停止循环。

图6．1－3 顺序结构、选择结构和多分支选择结构

图6．1－4 循环结构

由以上基本结构组成的程序可以处理任何复杂的问题，如把上述的基本结构连续组合起来构成的程序，使一个结构的出口联接下一个结构的入口点，也可以采用嵌套方式组成程序，如图6．1－5所示，这是一个顺序结构，由两个基本结构顺序组成，虚线框内是一个当型循环结构，可以用一个“B”表示，流程图画得越详细，下面的工作就越好做。

图6．1－5 嵌套式结构

一般是先画程序系统的总流程图，再画各功能模块的流程图。然后根据流程图中的各功能模块划分成若干个程序模块，对每一个程序模块进行描述，描述程序模块的输入、输出和处理功能；给出功能模块和程序模块数据出入和控制的方向，说明该功能的实现过程；确定模块内的数据结构，描述各程序模块接口信息，各程序模块间的接口包括参数的形式和传送方式，各层调用关系；组织数据信息的输入和输出，要确定输入哪些数据和输入的顺序，同时要根据计算机的设备情况和计算过程的需要，确定数据输入的方法，如键盘输入、文件输入等。根据使用要求及设备情况确定输出的数据方式及形式。

(4)编写程序

编写程序是将上述的要求转化为设计语言，在编写程序时，要求结构清晰，可读性好，可维护性强，易于修改，语句简明、直接了当。尽量利用现成的函数或子函数，输入、输出格式尽可能简洁统一。具体编写程序时，因使用设计语言的不同，要求也将会有所不同，此处不再多述。

(5)程序调试

一般来说，源程序的编辑只是研制工作的第一步，大量的研制工作将是进行程序的调试，通过不断的修改、完善，以达到正常工作，达到预定的功能要求。工作的次序是先对模块进行调试，然后再将各部分组装，以至整个程序的编译。

(6)程序系统的运行和维护

运行程序只是系统设计工作初步完成的标志，对调试的系统程序有正确的维护，保证在出现不正常情况后，能及时改正，迅速恢复正常。