建立基于EDA知識(shí)庫的航天電子學(xué)設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)

◎北京空間機(jī)電研究所 忻剛等

隨著航天產(chǎn)品需求的不斷加大，航天型號(hào)任務(wù)急劇增加，產(chǎn)品的研制周期越來越短，性能要求越來越高，規(guī)模及復(fù)雜度不斷增加，可靠性和質(zhì)量要求也越來越嚴(yán)格，這些都對(duì)航天電子學(xué)產(chǎn)品的研制提出了更高的要求。

為適應(yīng)當(dāng)前航天電子學(xué)產(chǎn)品研制的新形勢(shì)，全面提升電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)能力和競(jìng)爭(zhēng)力，亟需建立一套科學(xué)的航天電子學(xué)設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)，通過采用更為先進(jìn)的管理和設(shè)計(jì)方法改進(jìn)現(xiàn)有工作模式，提高電子學(xué)產(chǎn)品的性能和設(shè)計(jì)質(zhì)量，從而保證科研型號(hào)任務(wù)的按時(shí)保質(zhì)完成。

針對(duì)目前航天電子學(xué)產(chǎn)品研制的新形勢(shì)，北京空間機(jī)電研究所參考國(guó)內(nèi)外的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定了元器件原理圖及封裝模型的命名與制作規(guī)范，并在此基礎(chǔ)上建設(shè)了電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）知識(shí)庫，進(jìn)而建立了基于EDA知識(shí)庫的航天電子學(xué)設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)。該管理系統(tǒng)采用院所分級(jí)管理和院所主服務(wù)器定時(shí)定期同步的管理模式，主要用于解決EDA設(shè)計(jì)工具多樣化，缺少統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，各廠所、研究室及設(shè)計(jì)人員制作元件庫造成重復(fù)勞動(dòng)，成熟可靠的電路得不到廣泛應(yīng)用等問題，有助于提高電子學(xué)產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，縮短電子學(xué)產(chǎn)品的研制周期。

一、系統(tǒng)的特點(diǎn)

EDA知識(shí)庫是為電子設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的電子元器件零件原理圖模型和封裝模型的數(shù)據(jù)庫平臺(tái)?；贓DA知識(shí)庫的航天電子學(xué)設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)從航天電子學(xué)產(chǎn)品的實(shí)際研制需求出發(fā)，以EDA知識(shí)庫作為基礎(chǔ)模型數(shù)據(jù)，建立了一個(gè)面向航天電子學(xué)產(chǎn)品研制過程的綜合設(shè)計(jì)管理體系，其特點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：

1.創(chuàng)建了綜合管理平臺(tái)

航天電子學(xué)設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)建立了統(tǒng)一的EDA知識(shí)庫應(yīng)用環(huán)境，加強(qiáng)了對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫及設(shè)計(jì)規(guī)范、流程的管理，使航天電子學(xué)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)流程更加合理優(yōu)化，促進(jìn)了協(xié)同設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化，便于設(shè)計(jì)人員間的交流和溝通。同時(shí)結(jié)合航天電子學(xué)產(chǎn)品的特點(diǎn)制定了一套與其研制需求相適應(yīng)的綜合管理平臺(tái)，由專業(yè)的管理人員和技術(shù)小組進(jìn)行管理，確保EDA知識(shí)庫的唯一性、標(biāo)準(zhǔn)化和通用性，保證設(shè)計(jì)流程的規(guī)范化。

2.制定了企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

制定了與該系統(tǒng)配套的企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，包括基于EDA知識(shí)庫的航天電子學(xué)產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程規(guī)范以及EDA知識(shí)庫的制作、管理及應(yīng)用規(guī)范等。這些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的制定與不斷完善推動(dòng)了航天電子學(xué)產(chǎn)品科研生產(chǎn)管理體系的建立，促進(jìn)了航天電子學(xué)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化和管理規(guī)范化。

3.建立了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫

通過制作合格的元器件原理圖模型、印刷電路板（PCB）封裝模型、元器件IBIS模型和PSpice模型，為航天電子學(xué)設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)建立了統(tǒng)一的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

該系統(tǒng)采用了統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的元器件零件模型，可提高產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化水平。同時(shí)，采用基于仿真模型庫的原理圖仿真和PCB仿真可將設(shè)計(jì)錯(cuò)誤控制在源頭，進(jìn)而提高工作效率和電路的性能指標(biāo)。

4.建立了可復(fù)用電路模型庫

將經(jīng)過反復(fù)討論并實(shí)際測(cè)試成功的常用電路模塊制作成合格的可復(fù)用電路模塊，并將其作為EDA知識(shí)庫中的可復(fù)用知識(shí)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)人員在系統(tǒng)中可直接使用驗(yàn)證過的可復(fù)用電路進(jìn)行電子學(xué)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，在縮短設(shè)計(jì)時(shí)間的同時(shí)也提高了效率，增強(qiáng)了電路設(shè)計(jì)的可靠性、可繼承性和可移植性，促進(jìn)了產(chǎn)品的層次化、模塊化設(shè)計(jì)。

5.實(shí)現(xiàn)了研制生產(chǎn)一體化管理

通過將統(tǒng)一的航天電子學(xué)產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺(tái)與企業(yè)內(nèi)部的物資系統(tǒng)和生產(chǎn)管理系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一的元器件基礎(chǔ)信息管理，進(jìn)而形成了基于EDA知識(shí)庫的研制生產(chǎn)一體化管理的航天電子學(xué)產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式。該模式中的設(shè)計(jì)平臺(tái)可自動(dòng)生成物資部門和生產(chǎn)部門需要的報(bào)表，不僅提高了設(shè)計(jì)人員的工作效率，也有助于提高航天電子學(xué)產(chǎn)品整個(gè)研制流程的效率。

二、實(shí)施方法

1.確立航天電子學(xué)產(chǎn)品研制體系

通過廣泛的調(diào)研，筆者發(fā)現(xiàn)當(dāng)前航天電子學(xué)產(chǎn)品研制過程中仍存在諸多問題，如設(shè)計(jì)工具多樣化，元器件模型不統(tǒng)一、不標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)積累沒有得到充分利用以及研制流程不適應(yīng)新形勢(shì)等問題，北京空間機(jī)電研究所在查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料和調(diào)研相關(guān)專業(yè)公司的基礎(chǔ)上，確定了建立航天電子學(xué)產(chǎn)品研制體系的總體思想。

航天電子學(xué)產(chǎn)品研制體系將依托信息化技術(shù)，采用統(tǒng)一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，以統(tǒng)一的EDA知識(shí)庫為基礎(chǔ)，加強(qiáng)對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫及設(shè)計(jì)規(guī)范、流程的管理，促進(jìn)協(xié)同設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)對(duì)配套的科研生產(chǎn)管理規(guī)章制度進(jìn)行修訂和完善，建立適應(yīng)航天電子學(xué)產(chǎn)品研制的科研生產(chǎn)管理體系，提升科研生產(chǎn)能力。

2.建立綜合設(shè)計(jì)管理體系

在航天電子學(xué)產(chǎn)品研制體系總體思想的指導(dǎo)下，確定了基于EDA知識(shí)庫的航天電子學(xué)設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)的總體體系框架，如圖1所示。

作為一個(gè)面向航天電子學(xué)產(chǎn)品研制過程的綜合設(shè)計(jì)管理體系，其包括數(shù)據(jù)庫層、設(shè)計(jì)應(yīng)用層和集成層3個(gè)層次的建設(shè)內(nèi)容。其中，數(shù)據(jù)庫層以EDA知識(shí)庫為核心，包含國(guó)產(chǎn)/進(jìn)口元器件模型庫、仿真模型庫和可復(fù)用電路模型庫；設(shè)計(jì)應(yīng)用層是基于統(tǒng)一的航天電子學(xué)產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)電子學(xué)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的整個(gè)流程；集成層為設(shè)計(jì)應(yīng)用層與物資、生產(chǎn)管理系統(tǒng)提供一個(gè)集成接口平臺(tái)，使航天電子學(xué)設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)在航天電子學(xué)產(chǎn)品的整個(gè)研制流程中發(fā)揮作用。

建立綜合設(shè)計(jì)管理體系的具體做法：

一是由專家組對(duì)航天電子學(xué)產(chǎn)品現(xiàn)有的設(shè)計(jì)流程進(jìn)行梳理優(yōu)化。規(guī)范的電路板設(shè)計(jì)工作流程如圖2所示，電子工程師根據(jù)設(shè)計(jì)輸入進(jìn)行元器件原理圖設(shè)計(jì)和系統(tǒng)仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行PCB板的自動(dòng)布局布線。在制作PCB板之前還要進(jìn)行PCB后分析，并將后分析的結(jié)果反饋回電路圖再次進(jìn)行系統(tǒng)仿真。根據(jù)仿真的結(jié)果調(diào)整和優(yōu)化PCB板的布局布線，并完成設(shè)計(jì)。在整個(gè)電路板設(shè)計(jì)流程中，EDA知識(shí)庫的支撐作用貫穿始終。

圖1 系統(tǒng)總體體系框架

圖2 規(guī)范的電路板設(shè)計(jì)流程

二是成立專門的管理組織。為了更好地適應(yīng)航天產(chǎn)品研制的需要及專業(yè)能力的提升，研究所對(duì)航天電子學(xué)專業(yè)進(jìn)行了劃分，成立了專門的EDA技術(shù)小組及各研究室專業(yè)設(shè)計(jì)小組，由研究所信息中心主管，并配備了物資部門及質(zhì)量技術(shù)部門作為協(xié)管部門，其管理組織結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 管理組織結(jié)構(gòu)圖

三是建立配套的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及管理制度。為保證航天電子學(xué)產(chǎn)品的可生產(chǎn)性、可測(cè)試性和可維護(hù)性，以及適應(yīng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化要求、實(shí)行規(guī)范化管理，需建立航天電子學(xué)設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)配套的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及管理制度。

四是研制設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)。在完成上述一系列的前期準(zhǔn)備工作后，進(jìn)入航天電子學(xué)設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)的研制階段，其中的核心內(nèi)容是EDA知識(shí)庫的構(gòu)建。

3.構(gòu)建EDA知識(shí)庫

一是根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定EDA知識(shí)庫的制作規(guī)范和管理辦法，形成以管理和技術(shù)為主線的綜合設(shè)計(jì)管理體系，見表1。

表1 EDA知識(shí)庫建設(shè)與應(yīng)用規(guī)范列表

二是選擇設(shè)計(jì)平臺(tái)。Cadence設(shè)計(jì)軟件是一種集設(shè)計(jì)和管理于一體且具有強(qiáng)大功能的EDA設(shè)計(jì)工具，也是在EDA領(lǐng)域廣泛使用的設(shè)計(jì)工具之一。Cadence平臺(tái)雖已作為電子學(xué)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、仿真和分析的主流設(shè)計(jì)平臺(tái)，但目前大多只使用了基本的設(shè)計(jì)功能，其強(qiáng)大的設(shè)計(jì)流程管理和網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同設(shè)計(jì)功能幾乎沒有得到應(yīng)用，在造成資源浪費(fèi)的同時(shí)還降低了設(shè)計(jì)人員的工作效率。所以，要以統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的EDA基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺(tái)作為支持，充分發(fā)揮已有Cadence設(shè)計(jì)軟件在數(shù)據(jù)管理、設(shè)計(jì)流程管理及協(xié)同設(shè)計(jì)等方面的優(yōu)勢(shì)，從而更高效地圍繞Cadence平臺(tái)建立航天電子學(xué)設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)的統(tǒng)一設(shè)計(jì)平臺(tái)。

三是建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。EDA知識(shí)庫包含元器件模型數(shù)據(jù)庫、可復(fù)用電路模型數(shù)據(jù)庫和電子元器件仿真模型數(shù)據(jù)庫3個(gè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。其具體建立步驟為：首先根據(jù)中國(guó)空間技術(shù)研究院國(guó)產(chǎn)元器件清單及部分手冊(cè)篩選元器件，以確定制作清單；其次收集元器件數(shù)據(jù)手冊(cè)，整理元器件數(shù)據(jù)信息，編寫元器件命名及制作規(guī)范，提交相關(guān)廠所審閱；第三制作元器件零件模型，并按照相關(guān)規(guī)范檢驗(yàn)元器件模型；第四在完成元器件模型數(shù)據(jù)庫的制作后，對(duì)型號(hào)研制過程中產(chǎn)生和設(shè)計(jì)工作中運(yùn)用到的可復(fù)用電路模型進(jìn)行整理和統(tǒng)計(jì)，在確?？蓮?fù)用電路模型的正確性和完整性的基礎(chǔ)上，按照規(guī)范進(jìn)行封裝，建立可復(fù)用電路模型數(shù)據(jù)庫，再根據(jù)相關(guān)規(guī)范制作可復(fù)用電路模塊的電路原理圖符號(hào)等，并進(jìn)行可靠性驗(yàn)證。最后，建立電子元器件仿真模型數(shù)據(jù)庫。

4.集成物資、生產(chǎn)管理系統(tǒng)

通過基于EDA知識(shí)庫的航天電子學(xué)設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)與物資系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成接口，當(dāng)物資系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)發(fā)生變更時(shí)，知識(shí)庫系統(tǒng)能夠及時(shí)地自動(dòng)更新模型的技術(shù)數(shù)據(jù)，確保設(shè)計(jì)用模型對(duì)應(yīng)元器件數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，提高了設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品的可靠性。另外，生產(chǎn)管理系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)的物料清單生成領(lǐng)料單，物資系統(tǒng)則根據(jù)該物料清單運(yùn)行配料流程，最后根據(jù)領(lǐng)料單完成領(lǐng)料過程?？梢姡教祀娮訉W(xué)設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)與物資、生產(chǎn)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成，有助于提高航天電子學(xué)產(chǎn)品整個(gè)研制流程的效率。

5.培訓(xùn)與推廣應(yīng)用

為了使管理人員、設(shè)計(jì)人員能更深入地認(rèn)識(shí)基于EDA知識(shí)庫的航天電子學(xué)設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)的管理及應(yīng)用思想，熟練掌握其中的技術(shù)環(huán)節(jié)，研究所進(jìn)行了統(tǒng)一設(shè)計(jì)平臺(tái)、設(shè)計(jì)模式應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范3個(gè)階段的培訓(xùn)。在此基礎(chǔ)上也對(duì)視頻電子學(xué)室進(jìn)行了EDA知識(shí)庫的試點(diǎn)建設(shè)與應(yīng)用，取得了良好的效果，進(jìn)而開始在研究所總體室、管理電路電子學(xué)室和視頻電路電子學(xué)室等多個(gè)部門進(jìn)行應(yīng)用，充分發(fā)揮了該系統(tǒng)在集成設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)方面的優(yōu)勢(shì)。

基于EDA知識(shí)庫的航天電子學(xué)設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)在研究所成功使用后，在空間技術(shù)研究院進(jìn)行了推廣運(yùn)用。以研究所制作的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫作為基礎(chǔ)，采用院所分級(jí)管理和院所主服務(wù)器定時(shí)定期同步的管理模式，既保證了研究院知識(shí)庫的統(tǒng)一性和標(biāo)準(zhǔn)性，又保留了各廠所的專業(yè)性，保護(hù)了各廠所的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

三、實(shí)施效果

基于EDA知識(shí)庫的航天電子學(xué)設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)在中國(guó)空間技術(shù)研究院的正式上線應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了全院航天電子學(xué)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化，提高了全院的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)能力。院屬各廠所也積極成立了項(xiàng)目小組，大力推進(jìn)EDA知識(shí)庫的建設(shè)與應(yīng)用，在所選型號(hào)的設(shè)計(jì)中都成功應(yīng)用本系統(tǒng)，取得了積極的成效。對(duì)比使用前后，取得的實(shí)施效果主要有以下幾個(gè)方面：

◆建立了統(tǒng)一的EDA知識(shí)庫應(yīng)用環(huán)境，加強(qiáng)了對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫及設(shè)計(jì)規(guī)范、流程的管理，促進(jìn)了協(xié)同設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化，集成了物資、生產(chǎn)管理系統(tǒng)，提升了綜合管理水平。

◆使用統(tǒng)一的元器件零件模型和可復(fù)用電路模型庫，從根本上杜絕了數(shù)據(jù)制作調(diào)用錯(cuò)誤，縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，提高了電路設(shè)計(jì)的可靠性、可繼承性和可移植性，促進(jìn)了產(chǎn)品化。

◆自動(dòng)生成物資部門和生產(chǎn)部門需要的報(bào)表，避免出現(xiàn)報(bào)表填寫錯(cuò)誤、遺漏等問題，節(jié)省了設(shè)計(jì)人員的填寫時(shí)間，提高了工作效率。

◆設(shè)計(jì)流程優(yōu)化，設(shè)計(jì)人員直接調(diào)用仿真模型庫進(jìn)行原理圖和PCB仿真，通過原理圖仿真驗(yàn)證功能正確性，將設(shè)計(jì)錯(cuò)誤控制在設(shè)計(jì)源頭，降低了成本，提高了電路的性能指標(biāo)及產(chǎn)品質(zhì)量。

基于EDA知識(shí)庫的航天電子學(xué)設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)完全將設(shè)計(jì)人員從低層次的元器件模型設(shè)計(jì)中解放出來，使設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)電路時(shí)能站在更高的高度進(jìn)行層次化和模塊化設(shè)計(jì)，快速提升了航天電子學(xué)產(chǎn)品的研制能力。