基于模型的PCB 板圖自動生成技術(shù)＊

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(tǒng)工業(yè)制造中，復(fù)雜PCB 板圖電氣設(shè)計文件的標(biāo)準(zhǔn)化低，每個設(shè)計圖紙難以直接開展工藝制造，需要人工查錯、糾正和轉(zhuǎn)圖，導(dǎo)致設(shè)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(shù)。該技術(shù)分析了PCB 板圖的關(guān)鍵設(shè)計要素，定義了海量電氣互聯(lián)設(shè)計出圖的生成檢驗規(guī)則，構(gòu)建了原理圖、裝配圖、機加工圖等設(shè)計文件的標(biāo)準(zhǔn)化自動生成與轉(zhuǎn)圖工具，將以往人工校驗出圖的部分轉(zhuǎn)化為自動化的過程，實現(xiàn)了基于模型的PCB 板圖自動產(chǎn)出與歸檔，減少了人為設(shè)計錯誤率，提高了設(shè)計效率。

隨著工業(yè)制造產(chǎn)品的小型化發(fā)展，電氣制造的集成度越來越高，電氣連接數(shù)量已達到十萬量級，手動繪圖式的PCB 板圖電氣設(shè)計已經(jīng)難以滿足海量電氣互聯(lián)出圖的查錯和糾正，需要逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛谀Ｐ偷碾姎庠O(shè)計方式[1]，利用數(shù)字化手段表征裝備產(chǎn)品的板圖設(shè)計，梳理形成數(shù)字化的PCB 板圖設(shè)計生成規(guī)則，開展針對設(shè)計結(jié)果的檢查與標(biāo)準(zhǔn)化，實現(xiàn)快速出圖。

目前在基于模型的PCB 板圖電氣設(shè)計過程中，主要是依靠Cadence 軟件開展PCB 板圖設(shè)計，而利用Cadence進行板級原理圖、裝配圖、機加工圖、貼片數(shù)據(jù)、EDA設(shè)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(shè)計中所需的各要素，定義設(shè)計圖紙生成與檢查規(guī)則，并運用模板，實現(xiàn)電氣設(shè)計過程中的自動生成，提供標(biāo)準(zhǔn)化、自動化的檢驗規(guī)則[2]，構(gòu)建源數(shù)據(jù)與目的數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，提高設(shè)計準(zhǔn)確率和設(shè)計效率。

因此，本文基于以上情況，提出并構(gòu)建了一種基于模型的PCB 板圖自動生成技術(shù)，通過對原理圖、裝配圖、機加工圖等的設(shè)計信息進行研究，提取歸納PCB 板圖的設(shè)計要素，定義海量電氣互聯(lián)設(shè)計PCB 出圖的生成規(guī)則，利用數(shù)字化手段搭建數(shù)據(jù)模型，并構(gòu)建設(shè)計文件的標(biāo)準(zhǔn)化自動生成與轉(zhuǎn)圖工具，有效減少了人工出圖的錯誤率，提高了生產(chǎn)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(shè)計過程主要涵蓋原理圖、裝配圖、機加工圖的設(shè)計，并最終繪制形成光繪文件、坐標(biāo)文件和歸檔文件，進而進行PCB 板的生產(chǎn)制造。目前，原理圖、裝配圖、機加工圖等各設(shè)計歸檔文件標(biāo)準(zhǔn)化低，每個設(shè)計圖紙難以直接開展數(shù)字制造，需要人工查錯、糾正和轉(zhuǎn)圖，從而進行標(biāo)準(zhǔn)化工作。因此，利用基于模型的數(shù)字化PCB 電氣設(shè)計方法，提取關(guān)鍵設(shè)計要素規(guī)則，對PCB 板圖的電氣設(shè)計業(yè)務(wù)分析，發(fā)現(xiàn)對于原理圖的設(shè)計，可以利用數(shù)字手段自動填寫圖框的關(guān)鍵信息，包括模塊名稱、階段信息、產(chǎn)品編號信息等，直接生成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的PDF 等格式下的原理圖，并自動校驗位號信息，產(chǎn)出BOM 產(chǎn)品明細；對于裝配圖和機加工圖，利用PCB 板圖設(shè)計的特殊圖符、技術(shù)條件、尺寸標(biāo)準(zhǔn)、疊層信息等設(shè)計內(nèi)容進行標(biāo)準(zhǔn)化圖框設(shè)計，并利用工具開發(fā)，自動轉(zhuǎn)化產(chǎn)出標(biāo)準(zhǔn)DXF 格式下的設(shè)計文件，構(gòu)建裝配圖和機加工圖的自動生成?；谀Ｐ偷腜CB 板圖自動生成業(yè)務(wù)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(chǎn)品明細、PCB 生成裝配圖、PCB 生成機加工圖及設(shè)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(biāo)準(zhǔn)化圖框，并在標(biāo)準(zhǔn)化圖框中填入模塊名稱、產(chǎn)品編號、頁碼等內(nèi)容，最后把原理圖工程輸出為符合標(biāo)準(zhǔn)化需求的標(biāo)準(zhǔn)文檔，如PDF 格式，供生產(chǎn)使用，具體生成規(guī)則如圖2 所示。

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

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

圖3 位號連續(xù)生成規(guī)則Fig.3 Rule for continuous digit generation

原理圖設(shè)計完成之后，如果PCB 板位號有調(diào)整，需要執(zhí)行反標(biāo)操作[3]，如果有不裝配的元器件需要設(shè)置標(biāo)識，可以利用“生成產(chǎn)品明細”功能來生成產(chǎn)品明細，其中產(chǎn)品明細由文件列表、構(gòu)件列表和器件明細構(gòu)成，構(gòu)件列表中包括印制板、螺釘、螺母。在產(chǎn)品明細生成時，考慮到不同設(shè)計所需要的構(gòu)件數(shù)量不一樣，需要在產(chǎn)品明細的構(gòu)件下方預(yù)留位置空格，預(yù)留數(shù)量通過人機對話框輸入，確保最后生成的產(chǎn)品明細供歸檔生產(chǎn)制造使用。具體生成產(chǎn)品明細業(yè)務(wù)規(guī)則如圖4 所示。

圖4 生成產(chǎn)品明細規(guī)則Fig.4 Rule for generating product detail

1.2 裝配圖與機加工圖生成

PCB 板設(shè)計完成之后輸出裝配圖和機加工圖需要添加標(biāo)準(zhǔn)化圖框、添加尺寸標(biāo)注、添加技術(shù)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(shè)計完成后，來指導(dǎo)生產(chǎn)加工的，機加工圖中一般包含標(biāo)準(zhǔn)化圖框、外形尺寸標(biāo)注、技術(shù)說明、剖面圖及標(biāo)注、孔數(shù)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(shù)條件填寫、圖形標(biāo)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(shù)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(shù)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(huán)境下，添加或修改圖框，然后填寫圖框相應(yīng)內(nèi)容，具體生成規(guī)則如圖5 所示。

圖5 裝配圖圖框填寫生成規(guī)則Fig.5 Rule for assembly drawing box generation

裝配圖與機加工圖中添加技術(shù)條件說明，經(jīng)分析技術(shù)條目的內(nèi)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(zhí)行編輯操作，編輯完成之后添加到PCB 工程相應(yīng)位置，最后輸出到裝配圖中，具體生成規(guī)則如圖6 所示。

圖6 技術(shù)條件選擇生成規(guī)則Fig.6 Rule for selecting technical condition

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

圖7 裝配圖圖形標(biāo)注生成規(guī)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(shè)計中，在這個過程中，程序自動抽取疊層信息，并依據(jù)選定的位置將疊層信息加入到PCB模型文件中，具體生成規(guī)則如圖8 所示。

圖8 添加疊層信息規(guī)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(shè)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(shè)定的PCB 模型文件中。

PCB 模型文件中添加圖框、技術(shù)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(xiàn)出圖自動化，將利用代碼自動按照生產(chǎn)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(shè)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(shè)定的PCB 模型文件中。

PCB 模型文件中添加圖框、技術(shù)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(xiàn)出圖自動化，將利用代碼自動按照生產(chǎn)加工要求進行等比例處理輸出。

2 數(shù)據(jù)模型

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

表1 數(shù)據(jù)模型Tab.1 Data model

基于模型的PCB 板自動生成工具的開發(fā)，將基于該數(shù)據(jù)模型開展，以確保開發(fā)內(nèi)容的唯一性，保障各個模塊的統(tǒng)一調(diào)用和互聯(lián)。

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(yīng)用開發(fā)，標(biāo)準(zhǔn)化圖框添加到設(shè)計中之后，將自動填寫“第幾張”“共幾張”的內(nèi)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(chǎn)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(nèi)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(yīng)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(fā)相應(yīng)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(yīng)的圖幅，將自動將標(biāo)準(zhǔn)化的裝配圖圖框添加到設(shè)計中。如果PCB 已經(jīng)有裝配圖圖框，選擇“添加圖框”相應(yīng)的圖幅后，原裝配圖圖框?qū)⒈恍逻x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(shè)定的項目信息自動抓取進圖框中，形成可直接下圖的標(biāo)準(zhǔn)PCB 設(shè)計文件，減少人為校正，確保設(shè)計信息準(zhǔn)確一致，提高設(shè)計效率。

針對機加工圖中的疊層信息、鉆孔信息及標(biāo)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(biāo)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(shù)據(jù)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(shè)計中，裝配圖、機加工圖、原理圖經(jīng)過上述過程的標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)建后，就不再需要人工的圖框等信息校驗，可直接進行轉(zhuǎn)圖，開發(fā)自動生成DXF 等標(biāo)準(zhǔn)格式文件的功能，向生產(chǎn)制造傳遞，輸出標(biāo)準(zhǔn)文件，并支持其在AutoCAD 工具中打開，實現(xiàn)了從Cadence 中的PCB 設(shè)計文件向AutoCAD 的DXF 文件的自動轉(zhuǎn)化，解決了之前人工導(dǎo)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(yīng)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(jié)語

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

引用

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

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[3] 索世文,馬剛.基于Protel的PCB板圖設(shè)計[J].沈陽航空工業(yè)學(xué)院學(xué)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(shè)計信號完整性分析與仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011,34(10):169-178.

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

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