梁仕章 任艷 于迪 吳偉豪

【摘 要】印制電路板協(xié)同設(shè)計各工作項目需具備相應(yīng)數(shù)據(jù)資源的輸入，但并非僅僅是元器件固有屬性數(shù)據(jù)，協(xié)同設(shè)計過程中某一項工作的數(shù)據(jù)輸出同時也可能是其他工作項目的輸入，目前這部分?jǐn)?shù)據(jù)普遍存在管理分散、復(fù)用率低的問題。通過對印制電路板協(xié)同設(shè)計各工作項目的輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理，分析出各工作項目間的數(shù)據(jù)融合關(guān)系，形成協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)管理思路。研究結(jié)果將有助于簡化協(xié)同設(shè)計流程，規(guī)范數(shù)據(jù)管理，提高工作效率，為協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)資源平臺提供了建設(shè)思路參考。

【關(guān)鍵詞】印制電路板；協(xié)同設(shè)計；數(shù)據(jù)融合

中圖分類號： TN41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）27-0007-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.27.003

【Abstract】Printed circuit board collaborative design Each work item needs to have the input of corresponding data resources， but it is not just the inherent attribute data of the component. The data output of a certain work in the collaborative design process may also be the input of other work items. Some data generally have problems of decentralized management and low reuse rate. Through combing the input and output data of the printed circuit board collaborative design work items， the data fusion relationship between each work item is analyzed， and the collaborative design data fusion management and application plan is formed. The research results will help simplify the collaborative design process， Standardizing data management， improve work efficiency， and provide a solution for the collaborative design of data resource platform.

【Key words】Printed circuit board； Collaborative design； Data fusion

0 引言

隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，CAD、CAE等數(shù)字化設(shè)計工具的日益成熟，設(shè)計協(xié)同已經(jīng)成為企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計的重要發(fā)展方向，尤其是跨部門、多學(xué)科場景下，協(xié)同設(shè)計相較傳統(tǒng)設(shè)計具備更強大的資源整合能力，更為準(zhǔn)確的信息輸入以及更為高效的設(shè)計效率。企業(yè)電子產(chǎn)品設(shè)計具有協(xié)同環(huán)節(jié)多、交互數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性強、變更頻繁等特點，存在協(xié)同難、交互難、管理難、歸檔難等系列問題[1]，板級設(shè)計是電子產(chǎn)品設(shè)計制造中的重要部分，涉及原理圖設(shè)計、PCB設(shè)計、信號完整性設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱分析、等多個環(huán)節(jié)以及力、電、熱等多個學(xué)科，因此實施協(xié)同設(shè)計意義顯著。協(xié)同設(shè)計需要依托工具集成，但本質(zhì)上是不同設(shè)計工具間數(shù)據(jù)的融合，目前多數(shù)企業(yè)在開展協(xié)同設(shè)計時都面臨數(shù)據(jù)流融合的問題，針對此，本文將選取電子設(shè)備板級設(shè)計的典型工作項目，開展協(xié)同設(shè)計下的數(shù)據(jù)融合研究，建立協(xié)同設(shè)計工作場景。

1 各工作項目的輸入輸出數(shù)據(jù)分析

板級協(xié)同設(shè)計主要包括前置原理、布局、結(jié)構(gòu)外形設(shè)計，同時加以電氣性能、信號、熱、振動、工藝可制造性分析等工作。本文將針對常見的工作項目包括原理圖設(shè)計、PCB設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、信號完整性分析、熱分析等進(jìn)行數(shù)據(jù)融合分析，在數(shù)據(jù)融合分析前，必須梳理清楚各項目的工作流程、輸入輸出數(shù)據(jù)。

1.1 原理圖設(shè)計

原理圖設(shè)計是印制板設(shè)計在電氣原理方面的重要階段，主要定義各器件間管腳連線關(guān)系，屬于邏輯設(shè)計與實現(xiàn)[2]，主要工作流程如下：

圖1 原理圖設(shè)計流程

從原理圖設(shè)計流程可梳理出該工作項目的數(shù)據(jù)輸入輸出關(guān)系：

1.2 PCB設(shè)計

PCB設(shè)計主要定義印制板各器件的布局設(shè)計、布線設(shè)計、焊盤設(shè)計等[3]，作為印制板制造、裝配安裝的主要依據(jù)，主要工作流程如上：

從PCB設(shè)計流程可梳理出該工作項目的數(shù)據(jù)輸入輸出關(guān)系：

1.3 信號完整性分析

信號完整性分析主要針對印制板高速線路進(jìn)行信號模擬分析，根據(jù)分析結(jié)果，通過調(diào)整器件、線路布局等，實現(xiàn)在電路設(shè)計中消除或減少信號完整性問題[4]，主要工作流程如下：

從PCB設(shè)計流程可梳理出該工作項目的數(shù)據(jù)輸入輸出關(guān)系：

1.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)構(gòu)設(shè)計主要根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)要求，對印制板外形、高度、打孔、布局等要素進(jìn)行設(shè)計，構(gòu)建印制板三維模型[5]，主要工作流程如下：

從PCB設(shè)計流程可梳理出該工作項目的數(shù)據(jù)輸入輸出關(guān)系：

1.5 熱分析

熱分析主要根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計成果文件，針對印制板布局進(jìn)行熱模擬分析，結(jié)合分析結(jié)構(gòu)優(yōu)化器件布局，主要工作流程如下：

從熱分析流程可梳理出該工作項目的數(shù)據(jù)輸入輸出關(guān)系：

2 工作項目間的數(shù)據(jù)融合關(guān)系分析

針對章節(jié)1中各工作項目的輸入輸出數(shù)據(jù)，并根據(jù)印制電路板協(xié)同設(shè)計流程，可開展各工作項目間的數(shù)據(jù)融合關(guān)系分析，包括交互數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)流向關(guān)系。

印制電路板協(xié)同設(shè)計流程見下圖，設(shè)計第一階段為原理設(shè)計，設(shè)計完成后將開展PCB設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中PCB設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計是并行過程，PCB設(shè)計過程、需要考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計因素（如印制板外形、安裝孔位置、禁布區(qū)域等），結(jié)構(gòu)設(shè)計過程需要考慮PCB設(shè)計因素（如元器件布局、器件高度等）。另外，信號完整性則屬于PCB設(shè)計的優(yōu)化分析工作，設(shè)計過程為先后關(guān)系，但信號完整性的分析結(jié)果將反饋至PCB設(shè)計中。同理，熱分析也屬于結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化分析工作，分析結(jié)構(gòu)將反饋至結(jié)構(gòu)設(shè)計中，通過分析協(xié)同設(shè)計流程，得出各工作項目的工作關(guān)系。

印制電路板協(xié)同設(shè)計工作項目間不僅僅是工作先后的協(xié)同關(guān)系，還存在相關(guān)設(shè)計數(shù)據(jù)的交互融合，通過在章節(jié)1對各工作項目的輸入輸出數(shù)據(jù)，結(jié)合協(xié)同設(shè)計工作流程，梳理出各工作項目間數(shù)據(jù)交互關(guān)系如下圖。

主要融合關(guān)系如下：

（1）原理圖設(shè)計與PCB設(shè)計融合關(guān)系：原理圖設(shè)計輸出的網(wǎng)表文件將作為PCB設(shè)計的輸入，實現(xiàn)PCB設(shè)計軟件獲取印制板中各器件的電氣連接關(guān)系，得以開展下一步的布局布線；

（2）原理圖設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計融合關(guān)系：原理圖設(shè)計輸出的BOM將作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的輸入，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計中獲取印制板各元件的屬性信息，得以開展下一步的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作；

（3）PCB設(shè)計與信號完整性分析融合關(guān)系：PCB設(shè)計輸出的圖紙設(shè)計文件，將作為信號完整性的輸入，實現(xiàn)信號完整性軟件以該印制板模型進(jìn)行分析；同時信號完整性分析輸出的信號結(jié)果，將作為PCB設(shè)計的輸入，實現(xiàn)PCB設(shè)計軟件根據(jù)信號仿真結(jié)果，優(yōu)化印制板的布局布線；

（4）PCB設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計融合關(guān)系：PCB設(shè)計輸出的電氣布局文件（IDF）或step模型[7]，將作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的輸入，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件獲取印制板的外形尺寸、各器件的位置信息等；同時結(jié)構(gòu)設(shè)計輸出的結(jié)構(gòu)布局文件（IDF），將作為PCB設(shè)計的輸入，實現(xiàn)PCB設(shè)計軟件獲取印制板的外形尺寸、通孔位置、禁布區(qū)域等[8]；

（5）結(jié)構(gòu)設(shè)計與熱分析融合關(guān)系：結(jié)構(gòu)設(shè)計輸出的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖，將作為熱分析的輸入，實現(xiàn)熱分析軟件以該印制板模型進(jìn)行分析；熱分析輸出的溫度結(jié)果，將作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的輸入，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件根據(jù)熱仿真結(jié)果，優(yōu)化印制板的結(jié)構(gòu)外形、器件布局等；

（6）通用資源庫融合關(guān)系：結(jié)合上圖，各工作項目需輸入必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型，原理圖設(shè)計需要輸入原理圖模型、物資屬性，PCB設(shè)計需要輸入封裝模型、信號完整性分析需要輸入IBIS仿真模型，結(jié)構(gòu)設(shè)計需要輸入三維模型，熱分析需要輸入熱參數(shù)模型，上述輸入數(shù)據(jù)皆屬于元器件對應(yīng)的數(shù)據(jù)資源，因此歸納為通用資源庫。

3 協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)管理思路

根據(jù)前序章節(jié)分析印制電路板協(xié)同設(shè)計工作項目間的數(shù)據(jù)融合關(guān)系，梳理各數(shù)據(jù)的組織形式、內(nèi)容特點、應(yīng)用模式，形成基于平臺的協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)管理思路，實現(xiàn)資源數(shù)據(jù)在協(xié)同設(shè)計平臺下數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)抽取、數(shù)據(jù)推送、數(shù)據(jù)提交工作模式。協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)管理思路詳見下圖。

3.1 協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)存儲

協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)庫主要包含元器件基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和設(shè)計過程數(shù)據(jù)庫，其中元器件基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫主要包含元器件對應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)項，設(shè)計過程數(shù)據(jù)庫主要包含在印制電路板協(xié)同設(shè)計工作過程中，各工作項目間融合的設(shè)計數(shù)據(jù)。

考慮元器件基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)通用性以及復(fù)用性，對該類數(shù)據(jù)資源進(jìn)行集中唯一管理。且各數(shù)據(jù)項與元器件唯一對應(yīng)，詳細(xì)內(nèi)容見下表：

考慮設(shè)計過程數(shù)據(jù)庫從屬項目而非元器件，且不同項目數(shù)據(jù)內(nèi)容不一致，因此對于設(shè)計過程數(shù)據(jù)庫管理思路為以指定項目為對象進(jìn)行集中分類管理，且不同項目分別進(jìn)行權(quán)限管控，具備權(quán)限的人才能操作自己負(fù)責(zé)項目的數(shù)據(jù)。經(jīng)過梳理，設(shè)計過程數(shù)據(jù)庫主要包括以下內(nèi)容：

3.2 協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)抽取

根據(jù)印制電路板協(xié)同設(shè)計包括原理圖設(shè)計、PCB設(shè)計、信號完整性分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱分析等工作項目的數(shù)據(jù)輸入需求，制定各工作項目對應(yīng)的數(shù)據(jù)抽取模板，當(dāng)用戶開展某項工作項目時，平臺將根據(jù)模板從資源管理層抽取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，包括從元器件基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫抽取元器件對應(yīng)的基礎(chǔ)模型，同時從設(shè)計過程數(shù)據(jù)庫抽取項目下對應(yīng)的設(shè)計數(shù)據(jù)。

3.3 協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)推送

根據(jù)印制電路板協(xié)同設(shè)計包括原理圖設(shè)計、PCB設(shè)計、信號完整性分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱分析等工作項目的數(shù)據(jù)輸入格式、接口方式等要求，制定各工作項目對應(yīng)的數(shù)據(jù)推送模板，當(dāng)用戶開展某項工作項目時，平臺將對抽取的相關(guān)數(shù)據(jù)內(nèi)容后根據(jù)數(shù)據(jù)推送模板進(jìn)行加工、轉(zhuǎn)換，形成可直接輸入到對應(yīng)工作項目的數(shù)據(jù)資源。

3.4 協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)提交

當(dāng)完成某項工作項目時，將按照平臺給出的輸入模板，把設(shè)計數(shù)據(jù)向平臺指定項目提交，平臺將根據(jù)設(shè)計提交數(shù)據(jù)存儲到對應(yīng)項目數(shù)據(jù)庫下，與對應(yīng)項目進(jìn)行關(guān)聯(lián)，當(dāng)該項目下，其他工作項目有該項設(shè)計數(shù)據(jù)需求時，將可根據(jù)模板抽取并推送，最終實現(xiàn)協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)的交互融合。

4 結(jié)束語

本文針對印制電路板協(xié)同設(shè)計包括原理圖設(shè)計、PCB設(shè)計、信號完整性分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱分析等主要工作項目，梳理了各工作項目的輸入和輸出數(shù)據(jù)要求，并以此為基礎(chǔ)，結(jié)合協(xié)同設(shè)計工作流程，分析了各工作項目間的數(shù)據(jù)流向、數(shù)據(jù)融合關(guān)系，最后根據(jù)前序的研究成果，形成了基于平臺的協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)管理思路，實現(xiàn)協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)的存儲、抽取、推送、提交等管理與交互。本文的結(jié)果將有效解決協(xié)同設(shè)計過程數(shù)據(jù)的管理分散、復(fù)用率低問題，為建設(shè)協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)資源平臺奠定了基礎(chǔ)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]周勇志.基于企業(yè)信息化管理的電氣設(shè)計協(xié)同平臺構(gòu)建[J].城市軌道交通研究，2017，20（02）：111-116.

[2]胡宗海，趙彥，王立平，曹立勇，姚程寬.PCB設(shè)計流程的改進(jìn)研究[J].成都工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2017，20（01）：16-19.

[3]王志兵，魏海紅，李杏清.電子產(chǎn)品PCB設(shè)計及其可制造性分析[J].電子世界，2016（11）：142.

[4]喬洪.高速PCB信號完整性分析及應(yīng)用[D].西南交通大學(xué)，2006.

[5]徐江華，喻欣，陳裕林.三維CAD技術(shù)在機械設(shè)計中的應(yīng)用[J].南方農(nóng)機，2018，49（16）：53.

[6]張鵬南，任艷，于迪，余昭杰，戴澤林.基于仿真技術(shù)的集成電路國產(chǎn)化替代驗證[J].國外電子測量技術(shù)，2018，37（06）：140-145.

[7]王靜，劉亭亭.一種基于MCAD的產(chǎn)品三維設(shè)計方法[J].微電子學(xué)，2017，47（01）：96-99.

[8]Rob Evans.ECAD-MCAD協(xié)同設(shè)計——面向變革的機制[J].電子設(shè)計應(yīng)用，2009，7（07）：49-52+10.