新時(shí)期電子線路板設(shè)計(jì)方法與發(fā)展趨勢研究

廣東文理職業(yè)學(xué)院 陳彥霖

1.引言

電子線路板又被稱為印制電路板（Printed Circuit Board,PCB），能夠選擇部署導(dǎo)電圖形和連通孔，利用印刷法形成一個(gè)元器件連接導(dǎo)電圖，可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)信號(hào)在板層之間進(jìn)行有效的傳輸。目前，經(jīng)過多年的發(fā)展和改進(jìn)，電子線路板已經(jīng)成為電子設(shè)備、電子儀器、電子計(jì)算機(jī)中不可缺少重要組件。電子技術(shù)的迅速發(fā)展導(dǎo)致電子產(chǎn)品的集成度越來越高，承載的功能也越來越復(fù)雜，電子線路板的制造質(zhì)量直接影響電子儀器設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性。目前，電子線路板制造技術(shù)也從原來的單面板發(fā)展到了雙面板、多層板、高密度互連板等，在促進(jìn)電子產(chǎn)品想著微型化、輕量化、高可靠的趨勢發(fā)展的同時(shí)，電子線路板設(shè)計(jì)越來越困難。

因此，電子線路板設(shè)計(jì)成為眾多硬件公司的研發(fā)熱點(diǎn)，經(jīng)過多年的研究，電子線路板從傳統(tǒng)的人工設(shè)計(jì)模式已經(jīng)發(fā)展到了自動(dòng)化設(shè)計(jì)，誕生了許多的設(shè)計(jì)工具，比如Mentor、Zuken、Allegro、Protel等。Zuken屬于高端的電子線路板設(shè)計(jì)工具，用戶較少，市場普及的也少；Allegro是一種高端工具，在許多專業(yè)的公司中得到了廣泛應(yīng)用，適用于多媒體等芯片產(chǎn)品的研發(fā)，Protel是一個(gè)大眾化的設(shè)計(jì)工具，能夠設(shè)計(jì)簡單的多層板，運(yùn)行速度非常慢。因此，電子線路板設(shè)計(jì)時(shí)，不僅需要掌握以上設(shè)計(jì)工具，同時(shí)還要結(jié)合當(dāng)前電子芯片的發(fā)展方向，引入機(jī)器學(xué)習(xí)、分布計(jì)算等技術(shù)，提高電子線路板的設(shè)計(jì)效率、準(zhǔn)確度和可靠性。

2.新時(shí)期電子線路板設(shè)計(jì)方法

目前，電子線路板經(jīng)過多年普及，已經(jīng)具有高密度化、高可靠性、可設(shè)計(jì)性、可生產(chǎn)性、可維護(hù)性等特點(diǎn)，以便滿足電子產(chǎn)品對(duì)PCB的各種要求，通過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、自動(dòng)化可以高效率的設(shè)計(jì)PCB。目前，電子線路板（PCB）設(shè)計(jì)已經(jīng)進(jìn)入到了自動(dòng)化、集成化、工具化時(shí)代，為了提高電子線路板的設(shè)計(jì)效率、準(zhǔn)確度，許多公司研制了先進(jìn)的設(shè)計(jì)工具，常見的工具包括Altium Designer、PROTEL和Allegro等[1]。

PROTEL是Altium公司研發(fā)的一個(gè)電子線路板設(shè)計(jì)軟件，也是應(yīng)用最為廣泛的工具之一，在許多的電子芯片設(shè)計(jì)公司應(yīng)用。PROTEL運(yùn)行于DOS系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)線路板自動(dòng)布線，對(duì)運(yùn)行環(huán)境的硬件要求很低，目前最為先進(jìn)的PROTEL軟件為DSP2004，能夠運(yùn)行于Windows95環(huán)境下，包含了電路原理圖繪制、模數(shù)電路混合信仿真、多次印制電路板設(shè)計(jì)，能夠生成電子表格，支持宏操作，具有客戶機(jī)/服務(wù)器架構(gòu)，同時(shí)還可以兼容Excel、OrCAD、PSPIC等軟件，主要適用于單層板、多層板，但是運(yùn)行速度也非常慢。PROTEL99SE是新一代的PCB設(shè)計(jì)工具，其擁有強(qiáng)大的、智能化的自動(dòng)布線能力，大大提高了電路板印制效率，降低了設(shè)計(jì)人員的工作強(qiáng)度，操作簡單方便，容易學(xué)習(xí)和掌握，普及程度也非常廣泛[2]。

Altium Designer是Altium公司推出的一體化電子產(chǎn)品開工工具，該工具主要部署于Windows操作系統(tǒng)，能夠?qū)⒃韴D設(shè)計(jì)、電路仿真、拓?fù)溥壿嬜詣?dòng)布線、PCB繪制編輯、信號(hào)完整性分析、設(shè)計(jì)輸出等技術(shù)完美的結(jié)合在一起，為設(shè)計(jì)者提供全新的設(shè)計(jì)解決方案，同時(shí)更加輕松的設(shè)計(jì)一個(gè)電子線路板。目前，Altium Designer已經(jīng)成為電子行業(yè)知名度最高的工具之一，也是電子線路板設(shè)計(jì)師的得力工具，是電子芯片產(chǎn)品設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、測試、定型過程中不可缺少的設(shè)計(jì)工具[3]。

Allegro是Cadence公司研發(fā)的一個(gè)電子線路板設(shè)計(jì)布線工具，能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)師提供良好的交互接口，具有一個(gè)強(qiáng)大的、完善的功能，可以與前端產(chǎn)品Capture等結(jié)合在一起，為高速、高密度、多層次的PCB設(shè)計(jì)提供完美的布線方案。Allegro為用戶提供了簡潔明了的接口，能夠設(shè)計(jì)電子線路板的規(guī)則數(shù)據(jù)，自動(dòng)的擺放零部件，按照布線規(guī)則處理、檢查數(shù)據(jù)，重復(fù)使用相同性質(zhì)的電子線路板。

PADS是一款由MentorGraphics公司研發(fā)的、設(shè)計(jì)PCB板的軟件工具，其主要包括四個(gè)關(guān)鍵組成部分，分別是PADS Logic、PADS Layout和PADS Router，能夠?qū)崿F(xiàn)CAM加工軟件、機(jī)械設(shè)計(jì)軟件和PCB設(shè)計(jì)之間的接口，為不同的PCB板設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸通道。目前，PADS經(jīng)過多年的普及和使用，已經(jīng)誕生了很多的版本，這些版本包括定義設(shè)計(jì)、版本配置、電路設(shè)計(jì)等功能，同時(shí)增加了類比模擬、信號(hào)整合功能，PADS還可以為PCB設(shè)計(jì)提供一個(gè)可以參考的數(shù)據(jù)資料庫，能夠讓使用者安裝產(chǎn)品，開始快速的設(shè)計(jì)和開發(fā)，不需要花費(fèi)更多的時(shí)間浪費(fèi)在資料查找上，提高了PCB設(shè)計(jì)的成效[4]。

3.未來電子線路板設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢

隨著電子線路板的發(fā)展，其承載的功能越來越多，同時(shí)也會(huì)誕生很多的新型需求，呈現(xiàn)出新型特點(diǎn)，為了提高電子線路板設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度，提高電子線路板設(shè)計(jì)師的工作效率，本文基于筆者的多年實(shí)踐，針對(duì)電子線路板未來設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了展望，比如可以引入機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，提高設(shè)計(jì)工具的智能化程度。

（1）引入互補(bǔ)對(duì)稱設(shè)計(jì)理念

由于電子線路板執(zhí)行的操作多屬于底層功能，因此很多的功能均相同，在設(shè)計(jì)電子線路板的時(shí)候僅僅位置不同，因此可以引入互補(bǔ)對(duì)稱設(shè)計(jì)理念。傳統(tǒng)電子線路板設(shè)計(jì)時(shí)，具有互不對(duì)稱功能的電路元件都采用逐一繪制模式，繪制的時(shí)間非常長，元件需要按照順序進(jìn)行編號(hào)，不能夠從元件上判斷與誰互補(bǔ)。為了提高印制時(shí)間，引入互不對(duì)稱理念，從功能層判斷對(duì)稱位置，實(shí)現(xiàn)信息加工和處理。

（2）引入機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)改進(jìn)設(shè)計(jì)工具智能性

目前，機(jī)器學(xué)習(xí)作為人工智能的一個(gè)重要技術(shù)，已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛普及和使用，取得了顯著的應(yīng)用成效。電子線路板設(shè)計(jì)工具經(jīng)過多年的運(yùn)行積累了海量數(shù)據(jù)，為了提高設(shè)計(jì)效率、準(zhǔn)確度，可以采用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)挖掘已有的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，從這些數(shù)據(jù)中發(fā)掘潛在的有價(jià)值信息，進(jìn)一步提高電子線路板設(shè)計(jì)效率。目前，常用的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)很多，比如BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、支持向量機(jī)算法、K均值算法等。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以模仿人的大腦神經(jīng)系統(tǒng)，建立一個(gè)有規(guī)律的信息計(jì)算處理模式，引入深度學(xué)習(xí)規(guī)則，深度學(xué)習(xí)規(guī)則作為一個(gè)多層次的感知神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用強(qiáng)度值向量、矩陣向量等特征的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，能夠更加有效的實(shí)現(xiàn)特征識(shí)別和提取。支持向量機(jī)可以實(shí)現(xiàn)分類和回歸分析，給定一組數(shù)據(jù)樣本，建立訓(xùn)練學(xué)習(xí)模型，分配新的實(shí)例，將其劃分為非概率的二元線性分類，支持向量機(jī)引入了自適應(yīng)共振理論，進(jìn)一步利用數(shù)據(jù)中隱含的有價(jià)值信息，根據(jù)這些信息進(jìn)行挖掘和分類操作，從不同的角度進(jìn)行分類，提高數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確度。

4.結(jié)束語

電子線路板作為電子產(chǎn)品元器件的重要支撐件，可以為電路元件、器件之間提供信號(hào)連接通道和載體，保證電子產(chǎn)品的準(zhǔn)確、可靠運(yùn)行。因此，利用Altium Designer、PROTEL和Allegro等工具可以快速、準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)電子線路板，能夠保證電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)更加合理緊湊，提高電子產(chǎn)品的整機(jī)性能指標(biāo)，降低設(shè)計(jì)師的勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)，未來隨著電子設(shè)計(jì)技術(shù)的改進(jìn)和提升，電子線路板設(shè)計(jì)方法將會(huì)引入更加先進(jìn)的理念和技術(shù)，比如機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘等，提高電子線路板設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度。

[1]劉光濤.Altium Designer在《電子線路CAD》課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].湖北成人教育學(xué)院學(xué)報(bào),2017,23(1)：75-77.

[2]熊麗萍,朱彩蓮,楊潤豐.基于《電子線路板設(shè)計(jì)與制作》教學(xué)的“數(shù)字鐘”單面板設(shè)計(jì)--以Protel DXP 2004SP2為設(shè)計(jì)軟件[J].電子世界,2014(21)：199-200.

[3]朱鄭喆,吳明贊,江蒙南,等.基于Allegro PCB SI的DSP最小系統(tǒng)板信號(hào)完整性仿真分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2015(24)：70-71.

[4]唐贛.MentorGraphiCS宣布PADS創(chuàng)新平臺(tái)又添壓降分析和電子散熱等新功能[J].中國集成電路,2016(6)：6-7.