基于模型的PCB 板圖自動生成技術＊

中國電子科技集團公司第二十九研究所 孫榕 溫凱 李紫鵬

傳統工業制造中，復雜PCB 板圖電氣設計文件的標準化低，每個設計圖紙難以直接開展工藝制造，需要人工查錯、糾正和轉圖，導致設計效率低、出錯率高，因此本文研究了一種基于模型的PCB 板圖自動生成技術。該技術分析了PCB 板圖的關鍵設計要素，定義了海量電氣互聯設計出圖的生成檢驗規則，構建了原理圖、裝配圖、機加工圖等設計文件的標準化自動生成與轉圖工具，將以往人工校驗出圖的部分轉化為自動化的過程，實現了基于模型的PCB 板圖自動產出與歸檔，減少了人為設計錯誤率，提高了設計效率。

隨著工業制造產品的小型化發展，電氣制造的集成度越來越高，電氣連接數量已達到十萬量級，手動繪圖式的PCB 板圖電氣設計已經難以滿足海量電氣互聯出圖的查錯和糾正，需要逐漸轉變為基于模型的電氣設計方式[1]，利用數字化手段表征裝備產品的板圖設計，梳理形成數字化的PCB 板圖設計生成規則，開展針對設計結果的檢查與標準化，實現快速出圖。

目前在基于模型的PCB 板圖電氣設計過程中，主要是依靠Cadence 軟件開展PCB 板圖設計，而利用Cadence進行板級原理圖、裝配圖、機加工圖、貼片數據、EDA設計出圖的自動化程度低，人工文字操作工作量大，差錯率高。因此，需要圍繞設計中所需的各要素，定義設計圖紙生成與檢查規則，并運用模板，實現電氣設計過程中的自動生成，提供標準化、自動化的檢驗規則[2]，構建源數據與目的數據之間的關聯，提高設計準確率和設計效率。

因此，本文基于以上情況，提出并構建了一種基于模型的PCB 板圖自動生成技術，通過對原理圖、裝配圖、機加工圖等的設計信息進行研究，提取歸納PCB 板圖的設計要素，定義海量電氣互聯設計PCB 出圖的生成規則，利用數字化手段搭建數據模型，并構建設計文件的標準化自動生成與轉圖工具，有效減少了人工出圖的錯誤率，提高了生產效率。

1 基于模型的PCB 板圖自動生成的工作原理

PCB 板圖電氣設計過程主要涵蓋原理圖、裝配圖、機加工圖的設計，并最終繪制形成光繪文件、坐標文件和歸檔文件，進而進行PCB 板的生產制造。目前，原理圖、裝配圖、機加工圖等各設計歸檔文件標準化低，每個設計圖紙難以直接開展數字制造，需要人工查錯、糾正和轉圖，從而進行標準化工作。因此，利用基于模型的數字化PCB 電氣設計方法，提取關鍵設計要素規則，對PCB 板圖的電氣設計業務分析，發現對于原理圖的設計，可以利用數字手段自動填寫圖框的關鍵信息，包括模塊名稱、階段信息、產品編號信息等，直接生成統一標準的PDF 等格式下的原理圖，并自動校驗位號信息，產出BOM 產品明細；對于裝配圖和機加工圖，利用PCB 板圖設計的特殊圖符、技術條件、尺寸標準、疊層信息等設計內容進行標準化圖框設計，并利用工具開發，自動轉化產出標準DXF 格式下的設計文件，構建裝配圖和機加工圖的自動生成。基于模型的PCB 板圖自動生成業務流程圖具體如圖1 所示，涵蓋了原理圖生成PDF、原理圖生成產品明細、PCB 生成裝配圖、PCB 生成機加工圖及設計文件歸檔打包輸出。

1.1 原理圖生成

在原理圖頁面中添加標準化圖框，并在標準化圖框中填入模塊名稱、產品編號、頁碼等內容，最后把原理圖工程輸出為符合標準化需求的標準文檔，如PDF 格式，供生產使用，具體生成規則如圖2 所示。

圖2 原理圖圖框填寫和生成規則Fig.2 Rule for schematic diagram box filling and generating

同時，針對位號連續問題，利用PCB 中的元器件位號進行排列，通過Allegro 的“Rename RefDes”實現按PCB 布局重排位號，并通過開發實現按屬性重排位號，位號修改之后，通過反標功能更新原理圖，使原理圖和PCB 保持一致，其中位號連續的具體生成規則如圖3 所示。

圖3 位號連續生成規則Fig.3 Rule for continuous digit generation

原理圖設計完成之后，如果PCB 板位號有調整，需要執行反標操作[3]，如果有不裝配的元器件需要設置標識，可以利用“生成產品明細”功能來生成產品明細，其中產品明細由文件列表、構件列表和器件明細構成，構件列表中包括印制板、螺釘、螺母。在產品明細生成時，考慮到不同設計所需要的構件數量不一樣，需要在產品明細的構件下方預留位置空格，預留數量通過人機對話框輸入，確保最后生成的產品明細供歸檔生產制造使用。具體生成產品明細業務規則如圖4 所示。

圖4 生成產品明細規則Fig.4 Rule for generating product detail

1.2 裝配圖與機加工圖生成

PCB 板設計完成之后輸出裝配圖和機加工圖需要添加標準化圖框、添加尺寸標注、添加技術條目等，再生成DXF 及PDF 格式的裝配圖、機加工圖，其中裝配圖分為正面圖和背面圖兩個圖，需要同時輸出正反面信息。而機加工圖是在PCB 設計完成后，來指導生產加工的，機加工圖中一般包含標準化圖框、外形尺寸標注、技術說明、剖面圖及標注、孔數和孔徑表、層名分配信息表等，也可能需要添加一些特殊圖符[4]。

PCB 生成裝配圖可以分為圖框添加與填寫、技術條件填寫、圖形標注、輸出DXF 幾個功能項，PCB 生成機加工圖可以分為圖框添加與填寫、技術條件填寫、疊層信息表添加、鉆孔信息表添加、輸出DXF 幾個功能項，其中圖框添加與填寫、技術條件填寫、輸出DXF 功能項類似，可進行合并處理。

對于裝配圖和機加工圖的圖框添加生成，將在Allegro[5]環境下，添加或修改圖框，然后填寫圖框相應內容，具體生成規則如圖5 所示。

圖5 裝配圖圖框填寫生成規則Fig.5 Rule for assembly drawing box generation

裝配圖與機加工圖中添加技術條件說明，經分析技術條目的內容比較固定，可以以條目的形式進行管理，使用時從條目庫中選擇要添加的條目，對已選的條目可以執行編輯操作，編輯完成之后添加到PCB 工程相應位置，最后輸出到裝配圖中，具體生成規則如圖6 所示。

圖6 技術條件選擇生成規則Fig.6 Rule for selecting technical condition

裝配圖中需標注長寬尺寸，標注安裝孔、Outline 加粗等，利用自動標注將簡化原有的設計過程，自動識別PCB 中的長寬標準信息，并自動加粗[6]，減少人工處理過程，提高設計效率，具體生成規則如圖7。

圖7 裝配圖圖形標注生成規則Fig.7 Generation rule for assembly diagram graph annotation

機加工圖中需要提取PCB 文件的疊層信息，并以圖表形式添加到PCB 設計中，在這個過程中，程序自動抽取疊層信息，并依據選定的位置將疊層信息加入到PCB模型文件中，具體生成規則如圖8 所示。

圖8 添加疊層信息規則Fig.8 Rule for stacking information

機加工圖中需要提取PCB 文件的鉆孔信息，并以圖表形式添加到PCB 設計中。添加鉆孔信息與疊層信息類似，由程序處理自動選擇鉆孔表信息，并添加到設定的PCB 模型文件中。

PCB 模型文件中添加圖框、技術條件等后要輸出DXF 格式的裝配圖和機加工圖的文件，以便在AutoCAD中查看和編輯。為了實現出圖自動化，將利用代碼自動按照生產加工要求進行等比例處理輸出。

機加工圖中需要提取PCB 文件的鉆孔信息，并以圖表形式添加到PCB 設計中。添加鉆孔信息與疊層信息類似，由程序處理自動選擇鉆孔表信息，并添加到設定的PCB 模型文件中。

PCB 模型文件中添加圖框、技術條件等后要輸出DXF格式的裝配圖和機加工圖的文件，以便在AutoCAD 中查看和編輯。為了實現出圖自動化，將利用代碼自動按照生產加工要求進行等比例處理輸出。

2 數據模型

圍繞PCB 板圖自動生成的原理，基于PCB 板圖設計常用軟件Cadence，開展自動出圖等軟件工具的開發，涵蓋框圖的自動添加，及疊層信息、鉆孔信息、安裝標注等信息的自動生成，構建基于模型的PCB 板圖自動生成能力，其中軟件工具代碼設計的數據模型如表1 所示。

表1 數據模型Tab.1 Data model

基于模型的PCB 板自動生成工具的開發，將基于該數據模型開展，以確保開發內容的唯一性，保障各個模塊的統一調用和互聯。

3 軟件原型

針對原理圖自動生成框圖填寫的軟件原型，將利用Concept HDL 進行圖框自動生成工具的應用開發，標準化圖框添加到設計中之后，將自動填寫“第幾張”“共幾張”的內容。如圖9 所示從Concept HDL 的主菜單中啟動“圖框填寫工具”。

圖9 圖框填寫工具啟動Fig.9 Start the tool for filling the box

點擊后，彈出圖框填寫工具對話框，填寫圖紙名稱、產品文件代號等信息，然后點擊“填入圖框”按鈕，如圖10 所示。

圖10 圖框填寫工具輸入內容Fig.10 Input of picture box filling tool

輸入的信息將填入到原理圖所有圖框的相應位置，支持原理圖中不同幅面進行自動填寫，示例如圖11 所示。

圖11 圖框填寫效果Fig.11 Filling effect of the picture box

針對裝配圖、機加工圖的自動生成圖框軟件原型，將在PCB Designer 中開發相應的工具，以裝配圖為例，點擊菜單“裝配圖圖框工具”，如圖12 所示。

圖12 裝配圖圖框工具啟動Fig.12 Assembly diagram frame tool start

彈出裝配圖自動生成圖框工具界面，如圖13 所示，點擊“添加圖框”，顯示菜單，再點擊相應的圖幅，將自動將標準化的裝配圖圖框添加到設計中。如果PCB 已經有裝配圖圖框，選擇“添加圖框”相應的圖幅后，原裝配圖圖框將被新選的圖框替換。

圖13 裝配圖自動生成圖框工具Fig.13 Assembly drawing automatic frame generation tool

圖框自動擺放后的位置能使PCB 居中，并將之前設定的項目信息自動抓取進圖框中，形成可直接下圖的標準PCB 設計文件，減少人為校正，確保設計信息準確一致，提高設計效率。

針對機加工圖中的疊層信息、鉆孔信息及標注等信息的自動生成，利用機加工圖圖框工具的其他操作標簽頁，如圖14 所示。點擊“添加鉆孔表”按鈕即可自動添加鉆孔信息，并添加在機加工圖中；點擊“添加疊層信息”，自動抓取疊層數據生成疊層信息，并添加在機加工圖中。

圖14 機加工圖自動生成圖框工具Fig.14 Automatic frame generation tool for machining drawing

在PCB 設計中，裝配圖、機加工圖、原理圖經過上述過程的標準化構建后，就不再需要人工的圖框等信息校驗，可直接進行轉圖，開發自動生成DXF 等標準格式文件的功能，向生產制造傳遞，輸出標準文件，并支持其在AutoCAD 工具中打開，實現了從Cadence 中的PCB 設計文件向AutoCAD 的DXF 文件的自動轉化，解決了之前人工導出的信息錯漏問題，其工具啟動菜單如圖15 所示。

圖15 “輸出工具”啟動Fig.15 "Output Tool" start

彈出如圖16 所示界面，在“DXF 輸出”Tab 頁，點擊“1:1 輸出”或“2:1 輸出”按鈕，按相應的比例輸出裝配圖，同時輸出正反面信息。

圖16 DXF 輸出Fig.16 DXF output

4 結語

基于模型的PCB 板圖自動生成技術，圍繞PCB 板圖電氣設計過程中的生成規則進行梳理，提取設計信息，自動生成原理圖、裝配圖、機加工圖的圖框、產品編號信息、位號信息、疊層信息、鉆孔設計等，并自動轉化為DXF、PDF 等標準下圖格式，確保后續在AutoCAD等軟件中開展工藝加工。利用此技術，改變了以往利用人工開展PCB 板圖圖框、位號、疊層、鉆孔、產品編號等設計信息填寫的方式，減少了人為設計錯誤率，提高了設計效率，并依托數字化手段將以往人工校驗的部分轉化為自動化的過程，實現了基于模型的標準化產出與歸檔，同時利用自動轉圖技術，構建了基于標準格式的PCB 板圖設計能力，確保每份設計文檔可以直接傳遞至工藝制造端開展生產[7]，實現了基于模型的設計制造一體化能力，為后續數字制造奠定基礎。

引用

[1] 吳穎,劉俊堂,鄭黨黨.基于模型的系統工程技術探析[J].航空科學技術,2015,26(9):69-73.

[2] 葛晨,喬立紅.制造特征信息建模及其實例化方法[J].計算機集成制造系統,2010,16(12):2570-2576.

[3] 索世文,馬剛.基于Protel的PCB板圖設計[J].沈陽航空工業學院學報,2007(6):52-54.

[4] TORRES J A,FENGER G,KHAIRA D,et al.Overview and Development of EDA Tools for Integration of DSA into Patterning Solutions[C]//International Symposium on Quality Electronic Design(ISQED),2017:99-103.

[5] 覃婕,閻波,林水生.基于Cadence_Allegro的高速PCB設計信號完整性分析與仿真[J].現代電子技術,2011,34(10):169-178.

[6] 李鵬,吳榮.Cadence17.2電路設計與仿真從入門到精通[M].北京:人民郵電出版社,2020.

[7] 胡權威,胡光龍,李瀟,等.基于全三維的數字化工藝信息集成與智能工藝設計[J].航天制造技術,2017(4):53-57.