梁仕章 任艷 于迪 吳偉豪

【摘 要】印制電路板協(xié)同設計各工作項目需具備相應數(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，目前這部分數(shù)據(jù)普遍存在管理分散、復用率低的問題。通過對印制電路板協(xié)同設計各工作項目的輸入輸出數(shù)據(jù)進行梳理，分析出各工作項目間的數(shù)據(jù)融合關系，形成協(xié)同設計數(shù)據(jù)管理思路。研究結果將有助于簡化協(xié)同設計流程，規(guī)范數(shù)據(jù)管理，提高工作效率，為協(xié)同設計數(shù)據(jù)資源平臺提供了建設思路參考。

【關鍵詞】印制電路板；協(xié)同設計；數(shù)據(jù)融合

中圖分類號： TN41 文獻標識碼： 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

隨著信息化技術的不斷發(fā)展，CAD、CAE等數(shù)字化設計工具的日益成熟，設計協(xié)同已經成為企業(yè)產品設計的重要發(fā)展方向，尤其是跨部門、多學科場景下，協(xié)同設計相較傳統(tǒng)設計具備更強大的資源整合能力，更為準確的信息輸入以及更為高效的設計效率。企業(yè)電子產品設計具有協(xié)同環(huán)節(jié)多、交互數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)關聯(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]，板級設計是電子產品設計制造中的重要部分，涉及原理圖設計、PCB設計、信號完整性設計、結構設計、熱分析、等多個環(huán)節(jié)以及力、電、熱等多個學科，因此實施協(xié)同設計意義顯著。協(xié)同設計需要依托工具集成，但本質上是不同設計工具間數(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，本文將選取電子設備板級設計的典型工作項目，開展協(xié)同設計下的數(shù)據(jù)融合研究，建立協(xié)同設計工作場景。

1 各工作項目的輸入輸出數(shù)據(jù)分析

板級協(xié)同設計主要包括前置原理、布局、結構外形設計，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計、PCB設計、結構設計、信號完整性分析、熱分析等進行數(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 原理圖設計

原理圖設計是印制板設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系，屬于邏輯設計與實現(xiàn)[2]，主要工作流程如下：

圖1 原理圖設計流程

從原理圖設計流程可梳理出該工作項目的數(shù)據(jù)輸入輸出關系：

1.2 PCB設計

PCB設計主要定義印制板各器件的布局設計、布線設計、焊盤設計等[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設計流程可梳理出該工作項目的數(shù)據(jù)輸入輸出關系：

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行信號模擬分析，根據(jù)分析結果，通過調整器件、線路布局等，實現(xiàn)在電路設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設計流程可梳理出該工作項目的數(shù)據(jù)輸入輸出關系：

1.4 結構設計

結構設計主要根據(jù)設備結構要求，對印制板外形、高度、打孔、布局等要素進行設計，構建印制板三維模型[5]，主要工作流程如下：

從PCB設計流程可梳理出該工作項目的數(shù)據(jù)輸入輸出關系：

1.5 熱分析

熱分析主要根據(jù)結構設計成果文件，針對印制板布局進行熱模擬分析，結合分析結構優(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)輸入輸出關系：

2 工作項目間的數(shù)據(jù)融合關系分析

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)同設計流程，可開展各工作項目間的數(shù)據(jù)融合關系分析，包括交互數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)流向關系。

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

印制電路板協(xié)同設計工作項目間不僅僅是工作先后的協(xié)同關系，還存在相關設計數(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)，結合協(xié)同設計工作流程，梳理出各工作項目間數(shù)據(jù)交互關系如下圖。

主要融合關系如下：

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

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

（3）PCB設計與信號完整性分析融合關系：PCB設計輸出的圖紙設計文件，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行分析；同時信號完整性分析輸出的信號結果，將作為PCB設計的輸入，實現(xiàn)PCB設計軟件根據(jù)信號仿真結果，優(yōu)化印制板的布局布線；

（4）PCB設計與結構設計融合關系：PCB設計輸出的電氣布局文件（IDF）或step模型[7]，將作為結構設計的輸入，實現(xiàn)結構設計軟件獲取印制板的外形尺寸、各器件的位置信息等；同時結構設計輸出的結構布局文件（IDF），將作為PCB設計的輸入，實現(xiàn)PCB設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）結構設計與熱分析融合關系：結構設計輸出的結構設計圖，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行分析；熱分析輸出的溫度結果，將作為結構設計的輸入，實現(xiàn)結構設計軟件根據(jù)熱仿真結果，優(yōu)化印制板的結構外形、器件布局等；

（6）通用資源庫融合關系：結合上圖，各工作項目需輸入必要的基礎數(shù)據(jù)模型，原理圖設計需要輸入原理圖模型、物資屬性，PCB設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，結構設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)皆屬于元器件對應的數(shù)據(jù)資源，因此歸納為通用資源庫。

3 協(xié)同設計數(shù)據(jù)管理思路

根據(jù)前序章節(jié)分析印制電路板協(xié)同設計工作項目間的數(shù)據(jù)融合關系，梳理各數(shù)據(jù)的組織形式、內容特點、應用模式，形成基于平臺的協(xié)同設計數(shù)據(jù)管理思路，實現(xiàn)資源數(shù)據(jù)在協(xié)同設計平臺下數(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)同設計數(shù)據(jù)管理思路詳見下圖。

3.1 協(xié)同設計數(shù)據(jù)存儲

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

考慮元器件基礎數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)通用性以及復用性，對該類數(shù)據(jù)資源進行集中唯一管理。且各數(shù)據(jù)項與元器件唯一對應，詳細內容見下表：

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

3.2 協(xié)同設計數(shù)據(jù)抽取

根據(jù)印制電路板協(xié)同設計包括原理圖設計、PCB設計、信號完整性分析、結構設計、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的數(shù)據(jù)抽取模板，當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的數(shù)據(jù)，包括從元器件基礎數(shù)據(jù)庫抽取元器件對應的基礎模型，同時從設計過程數(shù)據(jù)庫抽取項目下對應的設計數(shù)據(jù)。

3.3 協(xié)同設計數(shù)據(jù)推送

根據(jù)印制電路板協(xié)同設計包括原理圖設計、PCB設計、信號完整性分析、結構設計、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的數(shù)據(jù)推送模板，當用戶開展某項工作項目時，平臺將對抽取的相關數(shù)據(jù)內容后根據(jù)數(shù)據(jù)推送模板進行加工、轉換，形成可直接輸入到對應工作項目的數(shù)據(jù)資源。

3.4 協(xié)同設計數(shù)據(jù)提交

當完成某項工作項目時，將按照平臺給出的輸入模板，把設計數(shù)據(jù)向平臺指定項目提交，平臺將根據(jù)設計提交數(shù)據(jù)存儲到對應項目數(shù)據(jù)庫下，與對應項目進行關聯(lián)，當該項目下，其他工作項目有該項設計數(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)同設計數(shù)據(jù)的交互融合。

4 結束語

本文針對印制電路板協(xié)同設計包括原理圖設計、PCB設計、信號完整性分析、結構設計、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，結合協(xié)同設計工作流程，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)同設計數(shù)據(jù)管理思路，實現(xiàn)協(xié)同設計數(shù)據(jù)的存儲、抽取、推送、提交等管理與交互。本文的結果將有效解決協(xié)同設計過程數(shù)據(jù)的管理分散、復用率低問題，為建設協(xié)同設計數(shù)據(jù)資源平臺奠定了基礎。

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