一體化設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)MCAD-ECAD協(xié)同設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　在當(dāng)今全球市場(chǎng)中，設(shè)計(jì)人員受分立設(shè)計(jì)原則的過(guò)時(shí)思想所困擾。他們只想設(shè)計(jì)能夠在競(jìng)爭(zhēng)中勝出的優(yōu)秀產(chǎn)品，而且他們只想獲得一種簡(jiǎn)單易用、使自己能夠?qū)Ｖ诋a(chǎn)品智能設(shè)計(jì)的解決方案。

　　在更短時(shí)間內(nèi)開發(fā)出新一代電子產(chǎn)品的壓力，使設(shè)計(jì)人員不得不重新審慎評(píng)估從概念到制造的整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程。在電子技術(shù)不斷發(fā)展的推動(dòng)下，生產(chǎn)能在市場(chǎng)中帶來(lái)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的更小型、更智能、連接性更強(qiáng)的產(chǎn)品意味著現(xiàn)在需要整體權(quán)衡產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程的每一個(gè)部分。

　　讓產(chǎn)品區(qū)別于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的機(jī)械與電子設(shè)計(jì)特性，過(guò)去一直被認(rèn)為先是各自為政，然后被迫作為一個(gè)整體產(chǎn)品協(xié)同運(yùn)行。正是這些元素融合在一起的特殊性創(chuàng)造出當(dāng)今獨(dú)特的互連產(chǎn)品。但這帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，即如何將產(chǎn)品融合在一起以提供獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

　　現(xiàn)在需要從更廣的角度看待設(shè)計(jì)過(guò)程，這需要跨越所有設(shè)計(jì)學(xué)科，讓所有元素都能協(xié)同工作。產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中日益重要的一個(gè)要求是電子設(shè)計(jì)ECAD與機(jī)械設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)交互。特別是對(duì)尺寸更小、功能性更強(qiáng)的產(chǎn)品套件的持續(xù)需求，迫使二者不得不緊密地聯(lián)系在一起，無(wú)論是物理層面還是就其開發(fā)而言。

　　電路板組裝目前一般會(huì)容納所有外部硬件設(shè)備，如連接器、鍵盤以及顯示器等，而產(chǎn)品的外殼組裝讓這些設(shè)備展現(xiàn)在用戶面前。這種物理接口也為內(nèi)藏的產(chǎn)品設(shè)計(jì)智能地與用戶見面提供了機(jī)會(huì)。

　　這兩個(gè)領(lǐng)域息息相關(guān)。長(zhǎng)久以來(lái)，電子產(chǎn)品的外殼設(shè)計(jì)一直都是滿足所容納電子組件的物理特性要求。如今，產(chǎn)品的電子設(shè)計(jì)與機(jī)械設(shè)計(jì)之間的關(guān)系正在朝相反的方向發(fā)展，即電子組件的設(shè)計(jì)現(xiàn)在需要在實(shí)體上迎合目標(biāo)外殼形式(圖1)。這是因?yàn)楫?dāng)今具有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品(這些產(chǎn)品因其或卓越不凡，或極富吸引力，或讓人耳目一新而各不相同)在更大程度上取決于用戶體驗(yàn)，而用戶體驗(yàn)最易受產(chǎn)品外形與功能的影響。用戶體驗(yàn)的好壞取決于美學(xué)、人體工程學(xué)和功能表現(xiàn)等要素，而這些要素取決于產(chǎn)品的機(jī)械設(shè)計(jì)與電氣設(shè)計(jì)。

圖1：當(dāng)今產(chǎn)品中的電子與機(jī)械設(shè)計(jì)方面相互交融、相互依存。

　　隨著設(shè)計(jì)日趨復(fù)雜化、智能化而且聯(lián)系更密切，高級(jí)設(shè)計(jì)概念在ECAD領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及MCAD領(lǐng)域的工業(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)運(yùn)而生。它們聯(lián)合在一起共同決定設(shè)備的智能性、設(shè)計(jì)、功能以及外形如何結(jié)合并一起創(chuàng)造所有人都能使用的產(chǎn)品。

　　機(jī)械設(shè)計(jì)如今給電子設(shè)計(jì)帶來(lái)了前所未有的深刻影響，它可以影響或決定主板形狀、尺寸與組件布局，而且在許多情況下還會(huì)決定所使用的組件類型，甚至軟件運(yùn)行方式。這種趨勢(shì)給兩者之間的交互賦予了前所未有的重要性，因?yàn)楝F(xiàn)在產(chǎn)品的成功取決于ECAD-MCAD協(xié)作的成效，需要的是通力協(xié)作而非僅僅是有所聯(lián)系的過(guò)程。

　　長(zhǎng)達(dá)25年的協(xié)同設(shè)計(jì)困擾

　　實(shí)際上，采用在各自領(lǐng)域設(shè)計(jì)應(yīng)用之間傳遞基本尺寸信息的通用文件格式，只能簡(jiǎn)單滿足ECAD和MCAD設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸需求。尤其是從MCAD角度來(lái)看，MCAD設(shè)計(jì)在二十世紀(jì)七十年代的發(fā)展以及八十年代出現(xiàn)的實(shí)體建模，為數(shù)據(jù)交換文件格式的發(fā)展開辟了一條稍顯崎嶇的道路。

　　根據(jù)MCAD與ECAD應(yīng)用程序的不同，催生了一種傾向于僅在基本層面存在、依賴于大量文件交換格式的ECAD-MCAD設(shè)計(jì)流程。在過(guò)去，這意味著一個(gè)應(yīng)用的尺寸與對(duì)象布局?jǐn)?shù)據(jù)經(jīng)處理后需要通過(guò)各種2D和3D文件格式、作為"重要事件"發(fā)送到另一個(gè)應(yīng)用。如果每一步都需要適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)修改，則會(huì)引發(fā)又一次數(shù)據(jù)交換以確認(rèn)相關(guān)修改，從而最終形成一種妨礙MCAD-ECAD設(shè)計(jì)協(xié)作的繁雜過(guò)程。

　　解決上述問(wèn)題的另一方法，是采用獨(dú)立的第三方設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換程序來(lái)簡(jiǎn)化文件兼容性問(wèn)題(如IDF在MCAD域偶爾獲得支持)，并提高過(guò)程的靈活性。這些程序通常以ECAD-MCAD應(yīng)用的本機(jī)格式提供導(dǎo)入／導(dǎo)出選項(xiàng)，而且在某些情況下會(huì)與采用對(duì)象鏈接(OLE)或編程界面(API)的程序直接連接。

　　但這兩種方法都不盡如人意。在采用基本文件交換設(shè)置情況下，由于交換格式自身的限制與不一致性，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤頻頻出現(xiàn)，而且數(shù)據(jù)傳輸量很難控制(太多或太少都有問(wèn)題)。最重要的是，上述過(guò)程一般很難操作，且由于數(shù)據(jù)交換格式不兼容而容易出錯(cuò)。

　　由于能夠更嚴(yán)格定義格式和數(shù)據(jù)過(guò)濾選項(xiàng)以使用戶能指定傳輸所包含的對(duì)象，專用CAD轉(zhuǎn)換程序一般可以提供更好的解決方法。但不幸的是，由于在這過(guò)程中所插入的附加轉(zhuǎn)換層的復(fù)雜性，前后各需要兩個(gè)步驟。例如，由于與MCAD-ECAD應(yīng)用具有密切關(guān)系，這種方法會(huì)使轉(zhuǎn)換程序具有版本依賴性，從而進(jìn)一步增加整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的許可費(fèi)用。通過(guò)將其嵌入到MCAD或ECAD應(yīng)用，轉(zhuǎn)換程序的鏈接(OLE、API)版本可以提供集成度更高的解決方案，但代價(jià)是對(duì)版本的依賴性更高，而且MCAD-ECAD應(yīng)用必須加載到相同的PC平臺(tái)才能建立OLE/API互連。

　　一體化解決方案

　　與為滿足日益增長(zhǎng)的需求而不斷發(fā)展的其他工程過(guò)程一樣，我們需要從更高層面審視這些過(guò)程提供的預(yù)期結(jié)果。事實(shí)上，現(xiàn)有解決方案試圖利用旨在把過(guò)程融合在一起的繁雜文件格式和應(yīng)用來(lái)消除MCAD-ECAD隔閡。但從過(guò)程角度來(lái)看，基本的需求是設(shè)計(jì)和規(guī)劃兩個(gè)域中正確的尺寸對(duì)象，以使整體設(shè)計(jì)按照預(yù)期理想地結(jié)合為一體。因此，主要任務(wù)其實(shí)是間隙檢驗(yàn)，或者說(shuō)是"材料配合"。這部分任務(wù)一般在MCAD環(huán)境中進(jìn)行，首先將PCB的3D數(shù)據(jù)導(dǎo)入MCAD設(shè)計(jì)，然后由該環(huán)境下的沖突檢測(cè)決定配合是否成功，必要時(shí)則將主板修改數(shù)據(jù)發(fā)回給ECAD域。

　　基本的需求是在兩個(gè)域之間數(shù)據(jù)能可靠、全面和便捷地傳輸途徑。幸運(yùn)的是，3D數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的開發(fā)已經(jīng)發(fā)展到具備相對(duì)較新的STEP格式的新層次。STEP是一種針對(duì)3D設(shè)計(jì)與制造過(guò)程而設(shè)計(jì)的協(xié)議，不僅具有數(shù)據(jù)豐富性，而且極其穩(wěn)定。

　　STEP目前得到了大多數(shù)MCAD系統(tǒng)的支持，而且在ECAD域引入雙向支持可以實(shí)現(xiàn)一次性消除3D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換問(wèn)題。STEP文件可以是大文件，但如果 ECAD系統(tǒng)在轉(zhuǎn)換界面提供一系列智能對(duì)象過(guò)濾選項(xiàng)，則可以輕松約束文件大小。除了文件兼容性的優(yōu)勢(shì)，此方法還能避免第三方應(yīng)用帶來(lái)的復(fù)雜性以及由此產(chǎn)生的費(fèi)用，并且不受MCAD-ECAD應(yīng)用程序版本問(wèn)題的困擾。
讓我們?cè)俅侮P(guān)注一下基本需求，很顯然，問(wèn)題的重要部分也需在ECAD域解決，尤其是在需要真正并行ECAD-MCAD設(shè)計(jì)的情況下。在當(dāng)前工作流程中，對(duì)象間隙問(wèn)題完全在MCAD域解決，ECAD設(shè)計(jì)只有在完成關(guān)鍵間隙檢查之后才可以繼續(xù)進(jìn)行(圖2)。最后，斷續(xù)設(shè)計(jì)并行性可能是最好的結(jié)果。

圖2：在具有3D功能的ECAD主板設(shè)計(jì)空間集成了關(guān)鍵MCAD部分，可以使設(shè)計(jì)人員無(wú)需依賴兩個(gè)域之間低效率的連續(xù)交換設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)流程便可實(shí)時(shí)檢查并糾正間隙與配合問(wèn)題。

　　為實(shí)現(xiàn)ECAD間隙檢查，PCB編輯器不僅要求具有實(shí)時(shí)3D功能，還要求能將MCAD組件導(dǎo)入此空間。利用穩(wěn)定的STEP格式在ECAD領(lǐng)域引入組件(如外殼組件)，便可在PCB設(shè)計(jì)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)實(shí)際干擾檢查。如果結(jié)合這種系統(tǒng)來(lái)匹配用戶自定義間隙規(guī)則和3D對(duì)象透明度選項(xiàng)，便可在MCAD領(lǐng)域?qū)崟r(shí)解決大部分機(jī)械配合問(wèn)題(圖3)。該系統(tǒng)符合甚至可能超越MCAD環(huán)境中同等過(guò)程的性能要求，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)領(lǐng)域之間真正的并行設(shè)計(jì)。

圖3：只要ECAD系統(tǒng)能夠提供對(duì)象間隙檢查功能且可鏈接至PCB設(shè)計(jì)空間之外的MCAD生成的3D STEP文件，就能實(shí)現(xiàn)ECAD與MCAD領(lǐng)域之間真正的并行設(shè)計(jì)。

　　上述方案可顯著降低復(fù)雜性并減少當(dāng)前系統(tǒng)所需的MCAD-ECAD設(shè)計(jì)過(guò)程中反復(fù)測(cè)試的次數(shù)。理想情況下，同時(shí)適合MCAD與ECAD設(shè)計(jì)的單個(gè)大型設(shè)計(jì)環(huán)境可避免反復(fù)操作。盡管利用當(dāng)前技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，但可通過(guò)鏈接至3D數(shù)據(jù)文件，而不是將數(shù)據(jù)嵌入ECAD設(shè)計(jì)文件就可以減少甚至消除文件交換過(guò)程。

　　從工作流程角度來(lái)看，ECAD應(yīng)用只需從MCAD應(yīng)用已生成的外部3D STEP文件加載數(shù)據(jù)，PCB編輯器便可在外部文件修改時(shí)提醒用戶(對(duì)MCAD域的更新做出響應(yīng))，然后更新PCB工作空間和ECAD設(shè)計(jì)文件中的相應(yīng)對(duì)象。這一切均可在實(shí)時(shí)3D設(shè)計(jì)環(huán)境下進(jìn)行，從而無(wú)需連續(xù)的MCAD-ECAD反復(fù)設(shè)計(jì)便可使主板設(shè)計(jì)人員實(shí)時(shí)解決機(jī)械間隙誤差問(wèn)題。

　　當(dāng)今設(shè)計(jì)過(guò)程中物理特性重要性的日益提高，意味著最終需要采用直接處理核心問(wèn)題的系統(tǒng)來(lái)解決ECAD與MCAD設(shè)計(jì)環(huán)境相互依存的關(guān)系。大部分試圖提供某種解決方案的現(xiàn)有系統(tǒng)均歸于失敗，或者就是造成效果相反、易于出錯(cuò)的工作流程。通過(guò)引入可提供穩(wěn)定3D數(shù)據(jù)傳輸、交互式間隙檢查以及實(shí)時(shí)MCAD領(lǐng)域鏈接功能的ECAD系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員可同時(shí)在兩個(gè)領(lǐng)域開展協(xié)作，開發(fā)出具有顯著可持續(xù)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的獨(dú)特產(chǎn)品。

　　最新的Altium一體化產(chǎn)品開發(fā)解決方案Altium Designer擁有用于開發(fā)新一代產(chǎn)品的更高級(jí)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)工具。Altium通過(guò)將電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)直到MCAD領(lǐng)域的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行完整統(tǒng)一，從而實(shí)現(xiàn)高級(jí)ECAD-MCAD功能。

　　這一切延續(xù)了Altium的戰(zhàn)略，即為所有設(shè)計(jì)人員提供實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與產(chǎn)品創(chuàng)新所需的解決方案。Altium Designer的最新版本專注于設(shè)計(jì)過(guò)程中核心設(shè)備的智能化，使設(shè)計(jì)人員從一開始就可通過(guò)Altium的一體化電子產(chǎn)品設(shè)備環(huán)境自由駕馭MCAD設(shè)計(jì)。