建立基于EDA知識庫的航天電子學設計管理系統

◎北京空間機電研究所 忻剛等

隨著航天產品需求的不斷加大，航天型號任務急劇增加，產品的研制周期越來越短，性能要求越來越高，規模及復雜度不斷增加，可靠性和質量要求也越來越嚴格，這些都對航天電子學產品的研制提出了更高的要求。

為適應當前航天電子學產品研制的新形勢，全面提升電子產品的設計能力和競爭力，亟需建立一套科學的航天電子學設計管理系統，通過采用更為先進的管理和設計方法改進現有工作模式，提高電子學產品的性能和設計質量，從而保證科研型號任務的按時保質完成。

針對目前航天電子學產品研制的新形勢，北京空間機電研究所參考國內外的相關標準制定了元器件原理圖及封裝模型的命名與制作規范，并在此基礎上建設了電子設計自動化（EDA）知識庫，進而建立了基于EDA知識庫的航天電子學設計管理系統。該管理系統采用院所分級管理和院所主服務器定時定期同步的管理模式，主要用于解決EDA設計工具多樣化，缺少統一、標準的基礎數據庫，各廠所、研究室及設計人員制作元件庫造成重復勞動，成熟可靠的電路得不到廣泛應用等問題，有助于提高電子學產品的性能和質量，縮短電子學產品的研制周期。

一、系統的特點

EDA知識庫是為電子設計提供相應的電子元器件零件原理圖模型和封裝模型的數據庫平臺。基于EDA知識庫的航天電子學設計管理系統從航天電子學產品的實際研制需求出發，以EDA知識庫作為基礎模型數據，建立了一個面向航天電子學產品研制過程的綜合設計管理體系，其特點主要有以下幾個方面：

1.創建了綜合管理平臺

航天電子學設計管理系統建立了統一的EDA知識庫應用環境，加強了對基礎數據庫及設計規范、流程的管理，使航天電子學產品的設計流程更加合理優化，促進了協同設計和設計標準化，便于設計人員間的交流和溝通。同時結合航天電子學產品的特點制定了一套與其研制需求相適應的綜合管理平臺，由專業的管理人員和技術小組進行管理，確保EDA知識庫的唯一性、標準化和通用性，保證設計流程的規范化。

2.制定了企業內部標準和規范

制定了與該系統配套的企業內部標準和規范，包括基于EDA知識庫的航天電子學產品設計流程規范以及EDA知識庫的制作、管理及應用規范等。這些標準和規范的制定與不斷完善推動了航天電子學產品科研生產管理體系的建立，促進了航天電子學產品的設計標準化和管理規范化。

3.建立了基礎數據庫

通過制作合格的元器件原理圖模型、印刷電路板（PCB）封裝模型、元器件IBIS模型和PSpice模型，為航天電子學設計管理系統建立了統一的基礎數據庫。

該系統采用了統一、標準的元器件零件模型，可提高產品的標準化水平。同時，采用基于仿真模型庫的原理圖仿真和PCB仿真可將設計錯誤控制在源頭，進而提高工作效率和電路的性能指標。

4.建立了可復用電路模型庫

將經過反復討論并實際測試成功的常用電路模塊制作成合格的可復用電路模塊，并將其作為EDA知識庫中的可復用知識。在此基礎上，設計人員在系統中可直接使用驗證過的可復用電路進行電子學產品設計，在縮短設計時間的同時也提高了效率，增強了電路設計的可靠性、可繼承性和可移植性，促進了產品的層次化、模塊化設計。

5.實現了研制生產一體化管理

通過將統一的航天電子學產品設計平臺與企業內部的物資系統和生產管理系統集成，實現了統一的元器件基礎信息管理，進而形成了基于EDA知識庫的研制生產一體化管理的航天電子學產品設計模式。該模式中的設計平臺可自動生成物資部門和生產部門需要的報表，不僅提高了設計人員的工作效率，也有助于提高航天電子學產品整個研制流程的效率。

二、實施方法

1.確立航天電子學產品研制體系

通過廣泛的調研，筆者發現當前航天電子學產品研制過程中仍存在諸多問題，如設計工具多樣化，元器件模型不統一、不標準，技術積累沒有得到充分利用以及研制流程不適應新形勢等問題，北京空間機電研究所在查閱國內外相關資料和調研相關專業公司的基礎上，確定了建立航天電子學產品研制體系的總體思想。

航天電子學產品研制體系將依托信息化技術，采用統一的設計平臺，以統一的EDA知識庫為基礎，加強對基礎數據庫及設計規范、流程的管理，促進協同設計和設計標準化，同時對配套的科研生產管理規章制度進行修訂和完善，建立適應航天電子學產品研制的科研生產管理體系，提升科研生產能力。

2.建立綜合設計管理體系

在航天電子學產品研制體系總體思想的指導下，確定了基于EDA知識庫的航天電子學設計管理系統的總體體系框架，如圖1所示。

作為一個面向航天電子學產品研制過程的綜合設計管理體系，其包括數據庫層、設計應用層和集成層3個層次的建設內容。其中，數據庫層以EDA知識庫為核心，包含國產/進口元器件模型庫、仿真模型庫和可復用電路模型庫；設計應用層是基于統一的航天電子學產品設計平臺和數據庫實現電子學產品設計的整個流程；集成層為設計應用層與物資、生產管理系統提供一個集成接口平臺，使航天電子學設計管理系統在航天電子學產品的整個研制流程中發揮作用。

建立綜合設計管理體系的具體做法：

一是由專家組對航天電子學產品現有的設計流程進行梳理優化。規范的電路板設計工作流程如圖2所示，電子工程師根據設計輸入進行元器件原理圖設計和系統仿真，并根據仿真結果進行PCB板的自動布局布線。在制作PCB板之前還要進行PCB后分析，并將后分析的結果反饋回電路圖再次進行系統仿真。根據仿真的結果調整和優化PCB板的布局布線，并完成設計。在整個電路板設計流程中，EDA知識庫的支撐作用貫穿始終。

圖1 系統總體體系框架

圖2 規范的電路板設計流程

二是成立專門的管理組織。為了更好地適應航天產品研制的需要及專業能力的提升，研究所對航天電子學專業進行了劃分，成立了專門的EDA技術小組及各研究室專業設計小組，由研究所信息中心主管，并配備了物資部門及質量技術部門作為協管部門，其管理組織結構如圖3所示。

圖3 管理組織結構圖

三是建立配套的標準規范及管理制度。為保證航天電子學產品的可生產性、可測試性和可維護性，以及適應產品標準化要求、實行規范化管理，需建立航天電子學設計管理系統配套的標準規范及管理制度。

四是研制設計管理系統。在完成上述一系列的前期準備工作后，進入航天電子學設計管理系統的研制階段，其中的核心內容是EDA知識庫的構建。

3.構建EDA知識庫

一是根據國內外相關標準制定EDA知識庫的制作規范和管理辦法，形成以管理和技術為主線的綜合設計管理體系，見表1。

表1 EDA知識庫建設與應用規范列表

二是選擇設計平臺。Cadence設計軟件是一種集設計和管理于一體且具有強大功能的EDA設計工具，也是在EDA領域廣泛使用的設計工具之一。Cadence平臺雖已作為電子學產品設計、仿真和分析的主流設計平臺，但目前大多只使用了基本的設計功能，其強大的設計流程管理和網絡化協同設計功能幾乎沒有得到應用，在造成資源浪費的同時還降低了設計人員的工作效率。所以，要以統一、標準的EDA基礎數據平臺作為支持，充分發揮已有Cadence設計軟件在數據管理、設計流程管理及協同設計等方面的優勢，從而更高效地圍繞Cadence平臺建立航天電子學設計管理系統的統一設計平臺。

三是建立基礎數據庫。EDA知識庫包含元器件模型數據庫、可復用電路模型數據庫和電子元器件仿真模型數據庫3個基礎數據庫。其具體建立步驟為：首先根據中國空間技術研究院國產元器件清單及部分手冊篩選元器件，以確定制作清單；其次收集元器件數據手冊，整理元器件數據信息，編寫元器件命名及制作規范，提交相關廠所審閱；第三制作元器件零件模型，并按照相關規范檢驗元器件模型；第四在完成元器件模型數據庫的制作后，對型號研制過程中產生和設計工作中運用到的可復用電路模型進行整理和統計，在確保可復用電路模型的正確性和完整性的基礎上，按照規范進行封裝，建立可復用電路模型數據庫，再根據相關規范制作可復用電路模塊的電路原理圖符號等，并進行可靠性驗證。最后，建立電子元器件仿真模型數據庫。

4.集成物資、生產管理系統

通過基于EDA知識庫的航天電子學設計管理系統設計平臺與物資系統的數據集成接口，當物資系統中的數據發生變更時，知識庫系統能夠及時地自動更新模型的技術數據，確保設計用模型對應元器件數據的準確性，提高了設計效率和產品的可靠性。另外，生產管理系統根據系統設計平臺的物料清單生成領料單，物資系統則根據該物料清單運行配料流程，最后根據領料單完成領料過程。可見，航天電子學設計管理系統與物資、生產管理系統的數據集成，有助于提高航天電子學產品整個研制流程的效率。

5.培訓與推廣應用

為了使管理人員、設計人員能更深入地認識基于EDA知識庫的航天電子學設計管理系統的管理及應用思想，熟練掌握其中的技術環節，研究所進行了統一設計平臺、設計模式應用和標準規范3個階段的培訓。在此基礎上也對視頻電子學室進行了EDA知識庫的試點建設與應用，取得了良好的效果，進而開始在研究所總體室、管理電路電子學室和視頻電路電子學室等多個部門進行應用，充分發揮了該系統在集成設計、協同設計方面的優勢。

基于EDA知識庫的航天電子學設計管理系統在研究所成功使用后，在空間技術研究院進行了推廣運用。以研究所制作的基礎數據庫作為基礎，采用院所分級管理和院所主服務器定時定期同步的管理模式，既保證了研究院知識庫的統一性和標準性，又保留了各廠所的專業性，保護了各廠所的知識產權。

三、實施效果

基于EDA知識庫的航天電子學設計管理系統在中國空間技術研究院的正式上線應用，實現了全院航天電子學產品的設計標準化，提高了全院的設計效率和設計能力。院屬各廠所也積極成立了項目小組，大力推進EDA知識庫的建設與應用，在所選型號的設計中都成功應用本系統，取得了積極的成效。對比使用前后，取得的實施效果主要有以下幾個方面：

◆建立了統一的EDA知識庫應用環境，加強了對基礎數據庫及設計規范、流程的管理，促進了協同設計和設計標準化，集成了物資、生產管理系統，提升了綜合管理水平。

◆使用統一的元器件零件模型和可復用電路模型庫，從根本上杜絕了數據制作調用錯誤，縮短了設計時間，提高了電路設計的可靠性、可繼承性和可移植性，促進了產品化。

◆自動生成物資部門和生產部門需要的報表，避免出現報表填寫錯誤、遺漏等問題，節省了設計人員的填寫時間，提高了工作效率。

◆設計流程優化，設計人員直接調用仿真模型庫進行原理圖和PCB仿真，通過原理圖仿真驗證功能正確性，將設計錯誤控制在設計源頭，降低了成本，提高了電路的性能指標及產品質量。

基于EDA知識庫的航天電子學設計管理系統完全將設計人員從低層次的元器件模型設計中解放出來，使設計人員在設計電路時能站在更高的高度進行層次化和模塊化設計，快速提升了航天電子學產品的研制能力。