印制電路板協同設計數據融合分析

梁仕章 任艷 于迪 吳偉豪

【摘 要】印制電路板協同設計各工作項目需具備相應數據資源的輸入，但并非僅僅是元器件固有屬性數據，協同設計過程中某一項工作的數據輸出同時也可能是其他工作項目的輸入，目前這部分數據普遍存在管理分散、復用率低的問題。通過對印制電路板協同設計各工作項目的輸入輸出數據進行梳理，分析出各工作項目間的數據融合關系，形成協同設計數據管理思路。研究結果將有助于簡化協同設計流程，規范數據管理，提高工作效率，為協同設計數據資源平臺提供了建設思路參考。

【關鍵詞】印制電路板；協同設計；數據融合

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展，CAD、CAE等數字化設計工具的日益成熟，設計協同已經成為企業產品設計的重要發展方向，尤其是跨部門、多學科場景下，協同設計相較傳統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。企業電子產品設計具有協同環節多、交互數據量大、數據關聯性強、變更頻繁等特點，存在協同難、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、等多個環節以及力、電、熱等多個學科，因此實施協同設計意義顯著。協同設計需要依托工具集成，但本質上是不同設計工具間數據的融合，目前多數企業在開展協同設計時都面臨數據流融合的問題，針對此，本文將選取電子設備板級設計的典型工作項目，開展協同設計下的數據融合研究，建立協同設計工作場景。

1 各工作項目的輸入輸出數據分析

板級協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、熱分析等進行數據融合分析，在數據融合分析前，必須梳理清楚各項目的工作流程、輸入輸出數據。

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[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據輸入輸出關系：

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，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據輸入輸出關系：

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，根據分析結果，通過調整器件、線路布局等，實現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據輸入輸出關系：

1.4 結構設計

結構設計主要根據設備結構要求，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據輸入輸出關系：

1.5 熱分析

熱分析主要根據結構設計成果文件，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據輸入輸出關系：

2 工作項目間的數據融合關系分析

針對章節1中各工作項目的輸入輸出數據，并根據印制電路板協同設計流程，可開展各工作項目間的數據融合關系分析，包括交互數據類型和數據流向關系。

印制電路板協同設計流程見下圖，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化分析工作，分析結構將反饋至結構設計中，通過分析協同設計流程，得出各工作項目的工作關系。

印制電路板協同設計工作項目間不僅僅是工作先后的協同關系，還存在相關設計數據的交互融合，通過在章節1對各工作項目的輸入輸出數據，結合協同設計工作流程，梳理出各工作項目間數據交互關系如下圖。

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PCB設計軟件根據信號仿真結果，優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PCB設計軟件獲取印制板的外形尺寸、通孔位置、禁布區域等[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，實現結構設計軟件根據熱仿真結果，優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據模型，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模型，上述輸入數據皆屬于元器件對應的數據資源，因此歸納為通用資源庫。

3 協同設計數據管理思路

根據前序章節分析印制電路板協同設計工作項目間的數據融合關系，梳理各數據的組織形式、內容特點、應用模式，形成基于平臺的協同設計數據管理思路，實現資源數據在協同設計平臺下數據存儲、數據抽取、數據推送、數據提交工作模式。協同設計數據管理思路詳見下圖。

3.1 協同設計數據存儲

協同設計數據庫主要包含元器件基礎數據庫和設計過程數據庫，其中元器件基礎數據庫主要包含元器件對應的基礎數據項，設計過程數據庫主要包含在印制電路板協同設計工作過程中，各工作項目間融合的設計數據。

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

考慮設計過程數據庫從屬項目而非元器件，且不同項目數據內容不一致，因此對于設計過程數據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據。經過梳理，設計過程數據庫主要包括以下內容：

3.2 協同設計數據抽取

根據印制電路板協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據輸入需求，制定各工作項目對應的數據抽取模板，當用戶開展某項工作項目時，平臺將根據模板從資源管理層抽取相應的數據，包括從元器件基礎數據庫抽取元器件對應的基礎模型，同時從設計過程數據庫抽取項目下對應的設計數據。

3.3 協同設計數據推送

根據印制電路板協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據輸入格式、接口方式等要求，制定各工作項目對應的數據推送模板，當用戶開展某項工作項目時，平臺將對抽取的相關數據內容后根據數據推送模板進行加工、轉換，形成可直接輸入到對應工作項目的數據資源。

3.4 協同設計數據提交

當完成某項工作項目時，將按照平臺給出的輸入模板，把設計數據向平臺指定項目提交，平臺將根據設計提交數據存儲到對應項目數據庫下，與對應項目進行關聯，當該項目下，其他工作項目有該項設計數據需求時，將可根據模板抽取并推送，最終實現協同設計數據的交互融合。

4 結束語

本文針對印制電路板協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據要求，并以此為基礎，結合協同設計工作流程，分析了各工作項目間的數據流向、數據融合關系，最后根據前序的研究成果，形成了基于平臺的協同設計數據管理思路，實現協同設計數據的存儲、抽取、推送、提交等管理與交互。本文的結果將有效解決協同設計過程數據的管理分散、復用率低問題，為建設協同設計數據資源平臺奠定了基礎。

【參考文獻】

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

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