梁仕章 任艷 于迪 吳偉豪

【摘 要】印制電路板協(xié)同設(shè)計(jì)各工作項(xiàng)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(jì)過(guò)程中某一項(xiàng)工作的數(shù)據(jù)輸出同時(shí)也可能是其他工作項(xiàng)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(wèn)題。通過(guò)對(duì)印制電路板協(xié)同設(shè)計(jì)各工作項(xiàng)目的輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理，分析出各工作項(xiàng)目間的數(shù)據(jù)融合關(guān)系，形成協(xié)同設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理思路。研究結(jié)果將有助于簡(jiǎn)化協(xié)同設(shè)計(jì)流程，規(guī)范數(shù)據(jù)管理，提高工作效率，為協(xié)同設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)資源平臺(tái)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(jì)；數(shù)據(jù)融合

中圖分類號(hào)： TN41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(jì)工具的日益成熟，設(shè)計(jì)協(xié)同已經(jīng)成為企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要發(fā)展方向，尤其是跨部門、多學(xué)科場(chǎng)景下，協(xié)同設(shè)計(jì)相較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)具備更強(qiáng)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(jì)效率。企業(yè)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(qiáng)、變更頻繁等特點(diǎn)，存在協(xié)同難、交互難、管理難、歸檔難等系列問(wèn)題[1]，板級(jí)設(shè)計(jì)是電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造中的重要部分，涉及原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、信號(hào)完整性設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱分析、等多個(gè)環(huán)節(jié)以及力、電、熱等多個(gè)學(xué)科，因此實(shí)施協(xié)同設(shè)計(jì)意義顯著。協(xié)同設(shè)計(jì)需要依托工具集成，但本質(zhì)上是不同設(shè)計(jì)工具間數(shù)據(jù)的融合，目前多數(shù)企業(yè)在開(kāi)展協(xié)同設(shè)計(jì)時(shí)都面臨數(shù)據(jù)流融合的問(wèn)題，針對(duì)此，本文將選取電子設(shè)備板級(jí)設(shè)計(jì)的典型工作項(xiàng)目，開(kāi)展協(xié)同設(shè)計(jì)下的數(shù)據(jù)融合研究，建立協(xié)同設(shè)計(jì)工作場(chǎng)景。

1 各工作項(xiàng)目的輸入輸出數(shù)據(jù)分析

板級(jí)協(xié)同設(shè)計(jì)主要包括前置原理、布局、結(jié)構(gòu)外形設(shè)計(jì)，同時(shí)加以電氣性能、信號(hào)、熱、振動(dòng)、工藝可制造性分析等工作。本文將針對(duì)常見(jiàn)的工作項(xiàng)目包括原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、信號(hào)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(xiàng)目的工作流程、輸入輸出數(shù)據(jù)。

1.1 原理圖設(shè)計(jì)

原理圖設(shè)計(jì)是印制板設(shè)計(jì)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(jì)與實(shí)現(xiàn)[2]，主要工作流程如下：

圖1 原理圖設(shè)計(jì)流程

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

1.2 PCB設(shè)計(jì)

PCB設(shè)計(jì)主要定義印制板各器件的布局設(shè)計(jì)、布線設(shè)計(jì)、焊盤設(shè)計(jì)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(jì)流程可梳理出該工作項(xiàng)目的數(shù)據(jù)輸入輸出關(guān)系：

1.3 信號(hào)完整性分析

信號(hào)完整性分析主要針對(duì)印制板高速線路進(jìn)行信號(hào)模擬分析，根據(jù)分析結(jié)果，通過(guò)調(diào)整器件、線路布局等，實(shí)現(xiàn)在電路設(shè)計(jì)中消除或減少信號(hào)完整性問(wèn)題[4]，主要工作流程如下：

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

1.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

從PCB設(shè)計(jì)流程可梳理出該工作項(xiàng)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(jì)成果文件，針對(duì)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(xiàng)目的數(shù)據(jù)輸入輸出關(guān)系：

2 工作項(xiàng)目間的數(shù)據(jù)融合關(guān)系分析

針對(duì)章節(jié)1中各工作項(xiàng)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(jì)流程，可開(kāi)展各工作項(xiàng)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(jì)流程見(jiàn)下圖，設(shè)計(jì)第一階段為原理設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成后將開(kāi)展PCB設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中PCB設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是并行過(guò)程，PCB設(shè)計(jì)過(guò)程、需要考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)過(guò)程需要考慮PCB設(shè)計(jì)因素（如元器件布局、器件高度等）。另外，信號(hào)完整性則屬于PCB設(shè)計(jì)的優(yōu)化分析工作，設(shè)計(jì)過(guò)程為先后關(guān)系，但信號(hào)完整性的分析結(jié)果將反饋至PCB設(shè)計(jì)中。同理，熱分析也屬于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)中，通過(guò)分析協(xié)同設(shè)計(jì)流程，得出各工作項(xiàng)目的工作關(guān)系。

印制電路板協(xié)同設(shè)計(jì)工作項(xiàng)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(jì)數(shù)據(jù)的交互融合，通過(guò)在章節(jié)1對(duì)各工作項(xiàng)目的輸入輸出數(shù)據(jù)，結(jié)合協(xié)同設(shè)計(jì)工作流程，梳理出各工作項(xiàng)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(jì)與PCB設(shè)計(jì)融合關(guān)系：原理圖設(shè)計(jì)輸出的網(wǎng)表文件將作為PCB設(shè)計(jì)的輸入，實(shí)現(xiàn)PCB設(shè)計(jì)軟件獲取印制板中各器件的電氣連接關(guān)系，得以開(kāi)展下一步的布局布線；

（2）原理圖設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)融合關(guān)系：原理圖設(shè)計(jì)輸出的BOM將作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的輸入，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中獲取印制板各元件的屬性信息，得以開(kāi)展下一步的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作；

（3）PCB設(shè)計(jì)與信號(hào)完整性分析融合關(guān)系：PCB設(shè)計(jì)輸出的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)文件，將作為信號(hào)完整性的輸入，實(shí)現(xiàn)信號(hào)完整性軟件以該印制板模型進(jìn)行分析；同時(shí)信號(hào)完整性分析輸出的信號(hào)結(jié)果，將作為PCB設(shè)計(jì)的輸入，實(shí)現(xiàn)PCB設(shè)計(jì)軟件根據(jù)信號(hào)仿真結(jié)果，優(yōu)化印制板的布局布線；

（4）PCB設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)融合關(guān)系：PCB設(shè)計(jì)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(jì)的輸入，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件獲取印制板的外形尺寸、各器件的位置信息等；同時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輸出的結(jié)構(gòu)布局文件（IDF），將作為PCB設(shè)計(jì)的輸入，實(shí)現(xiàn)PCB設(shè)計(jì)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(jì)與熱分析融合關(guān)系：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輸出的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，將作為熱分析的輸入，實(shí)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(jì)的輸入，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(kù)融合關(guān)系：結(jié)合上圖，各工作項(xiàng)目需輸入必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型，原理圖設(shè)計(jì)需要輸入原理圖模型、物資屬性，PCB設(shè)計(jì)需要輸入封裝模型、信號(hào)完整性分析需要輸入IBIS仿真模型，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)資源，因此歸納為通用資源庫(kù)。

3 協(xié)同設(shè)計(jì)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(jì)工作項(xiàng)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(diǎn)、應(yīng)用模式，形成基于平臺(tái)的協(xié)同設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理思路，實(shí)現(xiàn)資源數(shù)據(jù)在協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)下數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、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(jì)數(shù)據(jù)管理思路詳見(jiàn)下圖。

3.1 協(xié)同設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

協(xié)同設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)主要包含元器件基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)和設(shè)計(jì)過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)，其中元器件基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)主要包含元器件對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)項(xiàng)，設(shè)計(jì)過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)主要包含在印制電路板協(xié)同設(shè)計(jì)工作過(guò)程中，各工作項(xiàng)目間融合的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

考慮元器件基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)通用性以及復(fù)用性，對(duì)該類數(shù)據(jù)資源進(jìn)行集中唯一管理。且各數(shù)據(jù)項(xiàng)與元器件唯一對(duì)應(yīng)，詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)下表：

考慮設(shè)計(jì)過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)從屬項(xiàng)目而非元器件，且不同項(xiàng)目數(shù)據(jù)內(nèi)容不一致，因此對(duì)于設(shè)計(jì)過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)管理思路為以指定項(xiàng)目為對(duì)象進(jìn)行集中分類管理，且不同項(xiàng)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(xiàng)目的數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)梳理，設(shè)計(jì)過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括以下內(nèi)容：

3.2 協(xié)同設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)抽取

根據(jù)印制電路板協(xié)同設(shè)計(jì)包括原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、信號(hào)完整性分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱分析等工作項(xiàng)目的數(shù)據(jù)輸入需求，制定各工作項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)抽取模板，當(dāng)用戶開(kāi)展某項(xiàng)工作項(xiàng)目時(shí)，平臺(tái)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(kù)抽取元器件對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)模型，同時(shí)從設(shè)計(jì)過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)抽取項(xiàng)目下對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

3.3 協(xié)同設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)推送

根據(jù)印制電路板協(xié)同設(shè)計(jì)包括原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、信號(hào)完整性分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱分析等工作項(xiàng)目的數(shù)據(jù)輸入格式、接口方式等要求，制定各工作項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)推送模板，當(dāng)用戶開(kāi)展某項(xiàng)工作項(xiàng)目時(shí)，平臺(tái)將對(duì)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(duì)應(yīng)工作項(xiàng)目的數(shù)據(jù)資源。

3.4 協(xié)同設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)提交

當(dāng)完成某項(xiàng)工作項(xiàng)目時(shí)，將按照平臺(tái)給出的輸入模板，把設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)向平臺(tái)指定項(xiàng)目提交，平臺(tái)將根據(jù)設(shè)計(jì)提交數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)下，與對(duì)應(yīng)項(xiàng)目進(jìn)行關(guān)聯(lián)，當(dāng)該項(xiàng)目下，其他工作項(xiàng)目有該項(xiàng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)需求時(shí)，將可根據(jù)模板抽取并推送，最終實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的交互融合。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)印制電路板協(xié)同設(shè)計(jì)包括原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、信號(hào)完整性分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱分析等主要工作項(xiàng)目，梳理了各工作項(xiàng)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(jì)工作流程，分析了各工作項(xiàng)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(tái)的協(xié)同設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理思路，實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、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(jì)過(guò)程數(shù)據(jù)的管理分散、復(fù)用率低問(wèn)題，為建設(shè)協(xié)同設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)資源平臺(tái)奠定了基礎(chǔ)。

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