基于电气数据模型的原理图自动生成系统开发.pdf

2023 年第 9 期21计算机应用信息技术与信息化基于电气数据模型的原理图自动生成系统开发李紫鹏1 韩小亮1 孙 榕1 王 萌1LI Zipeng HAN Xiaoliang SUN Rong WANG Meng 摘要 针对现代电子装备研制过程中，因装备产品内电气连接密度几何级增长、电气连接数量与类型不断增加、复杂度持续提高，而传统电气设计方法中，手工绘原理图制效率低，且存在不同工具的电气原理图数据表示方法不一致，难以支持工具间协同工作，容易出现传递错误，严重影响电子装备研发效率与质量的问题，通过分析电子装备连接的特征，构建了一种基于统一电气连接数据模型及表达方法，同时分析了电气原理图绘制方法与特征，并开发了一套软件系统实现电气原理图自动生成。最终将该方法与系统在实际产品应用，有效支持电气工程师进行电气接口设计、原理图绘制，极大提升产品研发效率。关键词 原理图；自动化；电气连接；数据模型 doi：10.3969/j.issn.1672-9528.2023.09.0041.中国电子科技集团公司第二十九研究所 四川成都 610036 基金项目 四川省科技计划项目(重点研发项目)立项编号No.2022YFG0195，项目名称：一种敏捷可重用的海量电气互联数字化设计技术0 引言产品研发效率与质量是决定企业竞争力与生存能力的重要因素。随着电气产品复杂度越来越高1，内外部的电气接口、连接的数量也呈几何级上升，围绕电气接口设计的设计研发活动已成为电气产品研发的重要关键环节，传统的电气接口设计研发手段由于数据表达标准的不统一及自动化程度低，制约电气设计数字化能力提升，具体如下。现在的电子装备中，由于对体积、功耗、重量等各项要求，装备产品的集成度越来越高，已向高密度集成2-6转变。因此，面向高密度集成产品实际工程，在详细设计过程中，将前期产品总体下发的系统级详细设计任务的设计规格、设计要求作为设计输入，需进行组成模块的结构、接口、功能、流行、性能等各维度指标要求确认。确认完成后，各专业设计师进行模块详细设计，包括电气设计和结构设计等。不同专业的电气设计工程师，如射频模拟、数字、光学、电源根据设计并行7-8展开设计工作过程中，在电气接口设计维度，由于存在经验习惯、使用的软件工具的不同，各自的接口表达可能存在差异，工具底层数据文件标准不同，导致各专业各环节相互间图纸数据不连通，需要依靠设计师大量的沟通协调工作来保证接口设计的一致性，设计效率低，产品质量难以保障。因此，本文基于以上情况，提出并构建了一种电气接口数据模型及表达方法，为各专业统一电气模型接口数据，打通工具数据接口，消除了因接口不一致问题而带来的沟通、迭代问题奠定基础。同时以此数据模型为基础，分析电气原理图绘图特征与自动化绘图方法，并开发了一套计算机软件系统，实现读取标准数据模型文件，自动化生成原理图，可有效支持不同专业的电气设计工程师基于统一电气数据标准，自动化生成电气原理图，支撑规范化设计9，提升设计师绘制原理图的工作效率，降低接口设计数据沟通成本，从而综合有效地提升电子装备产品设计研发效率及产品质量，为企业的竞争力和生存力奠定基础。1 电气接口数据模型电气接口类型中，按照腔体和针脚组成与布局形式，常见的有普通单列、普通多列、多腔单列、多腔多列等形式，如图 1 所示。图 1 电气接口中常见接口类型在电气接口数据模型中，首先需要建立的是单个接口的接口数据模型，具体如下。在单个电气接口数据模型中，分为两大类数据区，分别为共性数据区和个性数据区。其中共性数据区用于表达各种接口子类型都具备的，并且表达形式相同的基础属性，包括类型、列数、母版用连接器名称、母版用连接器名称物资代码、2023 年第 9 期22计算机应用信息技术与信息化模块用连接器名称、模块用连接器名称。个性数据区按照各个子接口类型端子布局特点，按照单列、多列、多区域的形式进行表达，实现数据格式组成与接口阵脚形式一一对应。其中，以普通接口类型为例的数据表达如图 2 所示。图 2 电气连接数据表征与图形元素对应关系对于多列形式的端子，将数据模型中个性数据区的表格进行横向扩展，形成多列数据形式，从而实现与端子一一对应。对于包含多腔形式的端子，在数据表格的个性数据区的第一列，增加腔号，并以腔号展开端子及端子特性数据的定义。其次是需要建立接口连接关系表达方法，具体如下。每个接口的个性数据表达区中，会针对每个接口的端子明确特性，若在不同接口的端子中的特性数据是相同的，则表明这些接口的端子是连接在一起的。最后是需要基于上述数据表达方式建立完整原理图中所有母版、接口接插件的关系汇总，具体如下。采用总表加分表的形式形成数据包，构成完整的原理图数据包文件。其中总表可以记录母版中所有接口及接口端子特性。分表以端口名称为表名称，按照上述接口表达方式记录各个接插件接口端子特性。综上，就完成了电气接口常见接口类型及完成原理图中母版、接插件连接关系的统一数据模型表达。2 系统业务定位与逻辑组成电气设计工程师在进行电气原理图设计和绘制时，首先需要承接系统总体的设计要求，其次完成原理图绘制后，需要进行电气详细布板设计。因此，电气原理图自动生成系统根据业务模式，系统定位如下。一方面正向承接电气产品的系统设计生成的标准数据模型文件，快速、自动化地生成电气原理图，支持设计师进行后续电气布板设计；另一方面，基于统一数据生成电气原理图，形成数据通路，既支持各专业设计师横向协同工作，又支持设计师可以在生成的原理图中根据自己的设计需求进行修改，反向生成标准数据模型文件，从而实现与系统设计的逆向迭代，支持纵向协同工作效果。基于上述系统业务定位，电气原理图生成系统的内部组成包括数据读取与校验、原理图自动生成、数据模型文件生成、数据图形对应分析、运行环境配置、系统配置等主要逻辑组成。综上，系统业务定位及逻辑组成如图 3 所示。数据读取与校验原理图自动生成数据模型文件生成布板设计数据图形对应分析运行环境配置系统设计标准数据模型文件电气原理图自动生成系统组成图 3 系统业务定位与逻辑组成系统运行逻辑主要如下。电气产品设计中，完成系统设计后，会基于电气接口数据模型格式要求，生成标准数据模型文件。该标准数据模型文件可以在前序系统设计活动中由相关系统自动生成，也可以由设计师基于标准数据格式文件手工编制。生成标准数据模型文件后，电气原理生成系统中，现有数据读取与校验逻辑模块读取数据模型文件，将数据内容加载到程序内容，然后对数据内容进行校验。校验完成后将数据传递给原理图自动生成模块，执行原理图自动绘制。原理图绘制完成后，用户既可以根据自己的设计需求开展后续电气布板设计，也可以在原理图上进行修改。为了保持修改后的原理图与前序系统设计活动保持一致，支持用户将新原理图调用数据生成模型逆向生成新的标准数据模型文件。数据图形对应分析用于交叉验证可查看数据模型与原理图中图元的关系。运行环境配置用于设定和记录系统运行基础环境数据、变量、路径、文件等基础配置项数据及文件。后文将依据系统逻辑组成，详细展开阐述各组成逻辑单元的业务流程及主要逻辑代码。3 系统组成详细实现3.1 数据读取与校验数据读取与校验的运行的具体流程如图 4 所示，包括读取文件、数据校验。当数据校验结果为无错误时，就可执行后续生成原理图流程；当数据检查结果为有错误时，将错误信息以报告的形式反馈给用户，并由用户确认在有错误情况下是否继续绘图。如用户选择继续，则仍然执行后续原理图生成流程；若不继续，则由用户手动对模型数据文件进行修改，包括符号、数据内容修改及数据交互确认。修改完成后，重新执行读取文件、数据校验等工作，直至符合生成原理图要求为止。2023 年第 9 期23计算机应用信息技术与信息化数据模型文件修改开始数据检查符号修改生成原理图有错误是否继续绘图？读取文件无错误有错误数据修改数据交互确认不继续继续规则文件符号表模型数据文件图 4 数据读取与校验流程其中，流程中需要说明的是数据检查流程。数据检查的规则是依据数据模型表达方法记录而成的计算机可识别的规则文件、符号表。规则文件和符号表可以随着数据模型标准的升级而进行动态调整和更新。数据检查的具体执行内容是字符错误检查、管脚定义检查、连接对应检查、编码对应检查等，具体如下。字符错误检查包括网络名空格、下划线、横杠、全角半角字符等检查项。管脚定义检查是根据规则文件中的规则定义，对模型数据文件中的信息进行对比，检查差分连接、电源地与普通信号连接等检查。连接对应检查是检查接口针脚对应关系，包括一对一、一对多、多对多等检查。同时能针对特殊网络名进行连接问题检查。编码对应检查是指对需要转入的器件符号进行对应性检查，如果在符号库中查不到，则后续无法将此器件生成相应的管理图。数据读取与校验的关键实现函数部分列举如表 1所示。表 1 数据读取与校验的关键实现函数序号关键成员函数主要功能1ReadModelFile(FilePath)读取文件2CheckHandWriting(pinData,pin)检查书写3CheckPIN(pin)检查端子4CheckConnection(pin)检查连接5CheckMatch(pn,compName)匹配物资号3.2 原理图生成原理图生成的运行流程如图 5 所示。在接收到数据读取与校验组件传递过来的数据后，开始根据数据内容执行框图调用、抓取符号、绘制网线网号、报告生成等流程。活动转移数据传递图例：图框调用抓取符号绘制网线网号报告生成符号表符号库开始模型数据结束图 5 原理图自动生成流程在框图生成中，为保证图纸一致的一致性，会提示用户指定图纸大小，然后根据用户指定自动新建一张对应原理图图纸，并调用相应图框放置到图纸上。在抓取符号中，会根据数据信息抓取符号名称和符号表中的对应规则，从指定的符号库中自动抓取符号并放置到原理图中，符号的放置位置会根据图框大小，采用网格化方法进行自适应计算10-11和自动化布局12。当图纸页面大小不够时，会自动添加分页来完成布局。在绘制网线网号中，先根据管脚号与相应的网络名称绘制一段网线，网线的方向与管脚排列方向一致。无用的、空的网络名或数据模型文件中已指定忽略的不会绘制。再依据相同的规则，在网线上方绘制网号，完成网号标注。原理图自动生成的关键实现函数部分列举如表 2 所示。表 2 原理图自动生成的关键实现函数序号关键成员函数主要功能1GetFileData(fi lename)获取数据2GetSybol(SybolName)获取符号3GetSysbolPin(PinName)读取符号引脚信息4CreatDiagram(Name)新建图纸5GetAndPutBoundry()调用并放置图框6PutSybol(Name)放置符号7DrawNet(NetName)绘制网线8DrawNetName(PinName)绘制网号9GenReport()生成报告10Save()自动保存3.3 数据文件生成数据文件生成主要包括三个部分：原数据文件备份、更新数据文件、文件更新报告。其中原数据文件备份是将原始的输入数据模型文件进行复制，实现备份，用于用户找回原始设计文件。更新数据文件是将设计师在原理图绘制界面中更新的原理图逆向生成到输入数据模型文件中，并利用不同的颜色、字体来明确不同更新方式，包括修改项、增加项、取消项等。文件更新报告是将数据模型文件生成的过程信息及结果信息以报告文件的形式进行记录和展现，用于告知用户数据文件生成情况。数据文件生成的关键实现函数部分列举如表3 所示。表 3 数据文件生成的关键实现函数序号关键成员函数主要功能1CopyDataFile(fi lename)备份数据文件2RefreshDataFile(fi lename)更新数据文件3Save()自动保存数据文件4GenReport()生成报告3.4 数据图形对应分析数据图形对应分析是用来对比和查看原理图图形界面下2023 年第 9 期24计算机应用信息技术与信息化的各要素与数据模型文件中的网络名、端口、器件等对应关系，用于支撑用户分析两者之间的差异。在选定数据模型文件和原理图后，支持双向映射查询对比，具体如下。通过原理图图形界面查看映射关系：在原理图中选择网络名、端口、器件等元素，通过映射分析功能，可自动链接到模型数据文件中的相应数据。通过数据模型文件查看映射关系：在文件中选择网络名、端口、器件等元素，通过映射分析功能，可自动链接到原理图图形界面下对应的图形元素。用户完成数据图形对应分析后，系统将自动生成对比分析报告，完整展示用户对比过程及数据模型文件与原理图之间的差异。数据图形对应分析关键实现函数部分列举如表 4所示。表 4 数据图形对应分析的关键实现函数序号关键成员函数主要功能1FindNet(NetName)查找网络数据2FinComp(CompName)查找器件3FindPin(PinName)查找端子4ExportReports()生成差异报告3.5 运行环境配置运行环境配置用于设定和存储系统运行所需的基础环境数据和配置，包括原理图生成所需的符号表文件、符号库位置、物资编码系统地址等；数据读取与检查所需的默认数据路径、数据规则文件位置，为整个系统的运行提供基础环境数据支撑。运行环境配置的关键实现函数部分列举如表 5所示。表 5 运行环境配置的关键实现函数序号关键成员函数主要功能1SetConfi gPath(path)配置路径设置2SetSybolPath(path)符号库路径设置3SetCheckRule(path)规则文件路径4SetSybolRule(path)符号对应规则4 系统应用总结与展望该系统在实际工程应用中，支持设计师进行电路原理图设计，自动解析处理系统设计下发的接口数据文件包，并自动生成原理图，有效解决原理图无法根据接线关系表和标准连接器模型自动生成，转换繁琐，易出错的问题。一方面提升研发效率，将母板设计从传统手工方式 2 4 天的图纸设计工作压缩到 1 h 左右，尤其多次更改接口定义时，能快速完成设计迭代，提效效率显著；另一方面将校验规则、设计准则固化至系统，支持接口定义的自动校验，实现无差错转换出图，提升设计质量。未来将基于现有数据模型标准及原理图自动生成方法，进行自动化能力扩展，包括电缆装备图、接线图、接线表等相关图表的自动化生成，从而全面提升电子装备电气产品的自动化技术水平，综合支撑装备研制效率与质量提升。参考文献：1 李支东,刘文.企业产品创新：复杂性依赖性与网络嵌入性 J.科技进步与对策,2014,31(17):91-95.2 汪健.SOC 设计的关键技术 J.集成电路通信,2006(3):1-10.3 郭炜,郭筝,谢憬.SOC 设计方法与实现 M.北京:电子工业出版社,2007.4 柳泽辰,蒋剑飞,王琴,等.一种高可靠 SOC 芯片的系统设计方法 J.微电子学与计算机,2018(7):54-57.5 郭涛，张修钦,罗军,等.一种基于 SOC 的低功耗设计 J.研究与设计,2018(7):22-24.6 HOU N,YAN X,HE F.A survey on partitioning models,solution algorithms and algorithm parallelization for hard-ware/software co-designJ.Design automation for embedded systems,2019,23(3):57-77.7 HUANG Y,TANG Q,CHEN R,et al.Application of mul-tilevel matruity in coolaborative development model of air-craftC/International Conference on Sustainable Design and Manufacturing.Cham:Springer,2016.8 李伦未,邓迪,王晶,等.航空发动机设计制造并行协同方案研究 J.航空制造技术,2019,62(6):62-67.9 HUO Y,QIU P,ZHAI J Y.Maturity assessment model for aircraft collaborative design software solutionJ.Journal of systems engineering and electronics,2018,29(6):1228-1236.10 黄学良,陈钢,陈立平,等.标注自动布局的网格化方法J.计算机辅助设计与图形学学报,2008,20(8):1070-1077.11 张树有,谭建荣,彭群生,等.尺寸标注的动态编辑与自适应处理算法 J.软件学报,1998,9(5):339-342.12 孙守翔.开发工程设计 CAD 自动出图系统 J.工程设计CAD 与智能建筑,2001(5):38-39.【作者简介】李紫鹏（1989），男，四川成都人，工程师，研究方向：多学科协同仿真技术、机电磁一体化协同仿真技术。韩小亮（1983），男,陕西宝鸡人，高级工程师，研究方向：企业业务中台建设。孙榕（1990），女，甘肃兰州人，工程师，研究方向：体系与系统 MBSE 数字化。王萌（1981），男，陕西西安人，高级工程师，研究方向：基于模型的数字工程。（收稿日期：2023-07-06 修回日期：2023-08-03）