印制电路板协同设计数据融合分析

梁仕章 任艳 于迪 吴伟豪

【摘 要】印制电路板协同设计各工作项目需具备相应数据资源的输入，但并非仅仅是元器件固有属性数据，协同设计过程中某一项工作的数据输出同时也可能是其他工作项目的输入，目前这部分数据普遍存在管理分散、复用率低的问题。通过对印制电路板协同设计各工作项目的输入输出数据进行梳理，分析出各工作项目间的数据融合关系，形成协同设计数据管理思路。研究结果将有助于简化协同设计流程，规范数据管理，提高工作效率，为协同设计数据资源平台提供了建设思路参考。

【关键词】印制电路板；协同设计；数据融合

中图分类号： TN41 文献标识码： A 文章编号： 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

隨着信息化技术的不断发展，CAD、CAE等数字化设计工具的日益成熟，设计协同已经成为企业产品设计的重要发展方向，尤其是跨部门、多学科场景下，协同设计相较传统设计具备更强大的资源整合能力，更为准确的信息输入以及更为高效的设计效率。企业电子产品设计具有协同环节多、交互数据量大、数据关联性强、变更频繁等特点，存在协同难、交互难、管理难、归档难等系列问题[1]，板级设计是电子产品设计制造中的重要部分，涉及原理图设计、PCB设计、信号完整性设计、结构设计、热分析、等多个环节以及力、电、热等多个学科，因此实施协同设计意义显著。协同设计需要依托工具集成，但本质上是不同设计工具间数据的融合，目前多数企业在开展协同设计时都面临数据流融合的问题，针对此，本文将选取电子设备板级设计的典型工作项目，开展协同设计下的数据融合研究，建立协同设计工作场景。

1 各工作项目的输入输出数据分析

板级协同设计主要包括前置原理、布局、结构外形设计，同时加以电气性能、信号、热、振动、工艺可制造性分析等工作。本文将针对常见的工作项目包括原理图设计、PCB设计、结构设计、信号完整性分析、热分析等进行数据融合分析，在数据融合分析前，必须梳理清楚各项目的工作流程、输入输出数据。

1.1 原理图设计

原理图设计是印制板设计在电气原理方面的重要阶段，主要定义各器件间管脚连线关系，属于逻辑设计与实现[2]，主要工作流程如下：

图1 原理图设计流程

从原理图设计流程可梳理出该工作项目的数据输入输出关系：

1.2 PCB设计

PCB设计主要定义印制板各器件的布局设计、布线设计、焊盘设计等[3]，作为印制板制造、装配安装的主要依据，主要工作流程如上：

从PCB设计流程可梳理出该工作项目的数据输入输出关系：

1.3 信号完整性分析

信号完整性分析主要针对印制板高速线路进行信号模拟分析，根据分析结果，通过调整器件、线路布局等，实现在电路设计中消除或减少信号完整性问题[4]，主要工作流程如下：

从PCB设计流程可梳理出该工作项目的数据输入输出关系：

1.4 结构设计

结构设计主要根据设备结构要求，对印制板外形、高度、打孔、布局等要素进行设计，构建印制板三维模型[5]，主要工作流程如下：

从PCB设计流程可梳理出该工作项目的数据输入输出关系：

1.5 热分析

热分析主要根据结构设计成果文件，针对印制板布局进行热模拟分析，结合分析结构优化器件布局，主要工作流程如下：

从热分析流程可梳理出该工作项目的数据输入输出关系：

2 工作项目间的数据融合关系分析

针对章节1中各工作项目的输入输出数据，并根据印制电路板协同设计流程，可开展各工作项目间的数据融合关系分析，包括交互数据类型和数据流向关系。

印制电路板协同设计流程见下图，设计第一阶段为原理设计，设计完成后将开展PCB设计、结构设计，其中PCB设计与结构设计是并行过程，PCB设计过程、需要考虑结构设计因素（如印制板外形、安装孔位置、禁布区域等），结构设计过程需要考虑PCB设计因素（如元器件布局、器件高度等）。另外，信号完整性则属于PCB设计的优化分析工作，设计过程为先后关系，但信号完整性的分析结果将反馈至PCB设计中。同理，热分析也属于结构设计的优化分析工作，分析结构将反馈至结构设计中，通过分析协同设计流程，得出各工作项目的工作关系。

印制电路板协同设计工作项目间不仅仅是工作先后的协同关系，还存在相关设计数据的交互融合，通过在章节1对各工作项目的输入输出数据，结合协同设计工作流程，梳理出各工作项目间数据交互关系如下图。

主要融合关系如下：

（1）原理图设计与PCB设计融合关系：原理图设计输出的网表文件将作为PCB设计的输入，实现PCB设计软件获取印制板中各器件的电气连接关系，得以开展下一步的布局布线；

（2）原理图设计与结构设计融合关系：原理图设计输出的BOM将作为结构设计的输入，实现结构设计中获取印制板各元件的属性信息，得以开展下一步的结构设计工作；

（3）PCB设计与信号完整性分析融合关系：PCB设计输出的图纸设计文件，将作为信号完整性的输入，实现信号完整性软件以该印制板模型进行分析；同时信号完整性分析输出的信号结果，将作为PCB设计的输入，实现PCB设计软件根据信号仿真结果，优化印制板的布局布线；

（4）PCB设计与结构设计融合关系：PCB设计输出的电气布局文件（IDF）或step模型[7]，将作为结构设计的输入，实现结构设计软件获取印制板的外形尺寸、各器件的位置信息等；同时结构设计输出的结构布局文件（IDF），将作为PCB设计的输入，实现PCB设计软件获取印制板的外形尺寸、通孔位置、禁布区域等[8]；

（5）结构设计与热分析融合关系：结构设计输出的结构设计图，将作为热分析的输入，实现热分析软件以该印制板模型进行分析；热分析输出的温度结果，将作为结构设计的输入，实现结构设计软件根据热仿真结果，优化印制板的结构外形、器件布局等；

（6）通用资源库融合关系：结合上图，各工作项目需输入必要的基础数据模型，原理图设计需要输入原理图模型、物资属性，PCB设计需要输入封装模型、信号完整性分析需要输入IBIS仿真模型，结构设计需要输入三维模型，热分析需要输入热参数模型，上述输入数据皆属于元器件对应的数据资源，因此归纳为通用资源库。

3 协同设计数据管理思路

根据前序章节分析印制电路板协同设计工作项目间的数据融合关系，梳理各数据的组织形式、内容特点、应用模式，形成基于平台的协同设计数据管理思路，实现资源数据在协同设计平台下数据存储、数据抽取、数据推送、数据提交工作模式。协同设计数据管理思路详见下图。

3.1 协同设计数据存储

协同设计数据库主要包含元器件基础数据库和设计过程数据库，其中元器件基础数据库主要包含元器件对应的基础数据项，设计过程数据库主要包含在印制电路板协同设计工作过程中，各工作项目间融合的设计数据。

考虑元器件基础数据库的数据通用性以及复用性，对该类数据资源进行集中唯一管理。且各数据项与元器件唯一对应，详细内容见下表：

考虑设计过程数据库从属项目而非元器件，且不同项目数据内容不一致，因此对于设计过程数据库管理思路为以指定项目为对象进行集中分类管理，且不同项目分别进行权限管控，具备权限的人才能操作自己负责项目的数据。经过梳理，设计过程数据库主要包括以下内容：

3.2 协同设计数据抽取

根据印制电路板协同设计包括原理图设计、PCB设计、信号完整性分析、结构设计、热分析等工作项目的数据输入需求，制定各工作项目对应的数据抽取模板，当用户开展某项工作项目时，平台将根据模板从资源管理层抽取相应的数据，包括从元器件基础数据库抽取元器件对应的基础模型，同时从设计过程数据库抽取项目下对应的设计数据。

3.3 协同设计数据推送

根据印制电路板协同设计包括原理图设计、PCB设计、信号完整性分析、结构设计、热分析等工作项目的数据输入格式、接口方式等要求，制定各工作项目对应的数据推送模板，当用户开展某项工作项目时，平台将对抽取的相关数据内容后根据数据推送模板进行加工、转换，形成可直接输入到对应工作项目的数据资源。

3.4 协同设计数据提交

当完成某项工作项目时，将按照平台给出的输入模板，把设计数据向平台指定项目提交，平台将根据设计提交数据存储到对应项目数据库下，与对应项目进行关联，当该项目下，其他工作项目有该项设计数据需求时，将可根据模板抽取并推送，最终实现协同设计数据的交互融合。

4 结束语

本文针对印制电路板协同设计包括原理图设计、PCB设计、信号完整性分析、结构设计、热分析等主要工作项目，梳理了各工作项目的输入和输出数据要求，并以此为基础，结合协同设计工作流程，分析了各工作项目间的数据流向、数据融合关系，最后根据前序的研究成果，形成了基于平台的协同设计数据管理思路，实现协同设计数据的存储、抽取、推送、提交等管理与交互。本文的结果将有效解决协同设计过程数据的管理分散、复用率低问题，为建设协同设计数据资源平台奠定了基础。

【参考文献】

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