CN101071450A - 电子整机三维自动布线系统 - Google Patents

Abstract

电子整机三维自动布线系统，通过应用程序编程接口与计算机辅助设计软件相接，其布线预准备子系统的布线文件生成模块为布线文件自动转换器，该自动转换器具有布线文件格式单元、接线信息读取单元、及布线文件生成单元，其布线文件格式单元存储了多种布线文件标准规范，并具有修改和自定义功能；接线信息读取单元直接处理接线信息，提取有关信息并重新编排；布线文件生成单元，将所提取编排后的接线文件信息按标准规范一次写入、分别生成元件表和接线表。避免人工录入的繁琐、耗时、易错。本系统有标准接插件库和标准线缆库，可按目录、型号或用途选用。还有刚性线缆布线子模块和有多种线缆排布方式的线缆排布模块，提高布线质量速度。

Description

电子整机三维自动布线系统

(一)技术领域

本发明涉及计算机辅助设计领域，具体为一种电子整机三维自动布线系统。

(二)背景技术

电子设备的电路设计完成、并实现了整机物理样机的制造后，需要对连接各元件的线缆进行选择并确定其走向、实际长度、转折等，即进行布线工艺。

传统的手工布线工艺人员根据样机现场测定整机中某两点间的连接线缆的实际长度和转折、走向，得到该整机某两点间的一根连接样线，绘制钉板图，据此进行批量生产。手工布线，技术比较落后，工艺人员以经验为主进行操作，布线速度慢，无法对电磁干扰情况进行分析、检测和有效的控制，可靠性较弱。完成一台整机布线的技术分析及相应的布线工作约需一周，若整机电路结构复杂，所需时间更长，极大的制约了电子整机的快速研制投产，因此，亟待开发针对电子整机的计算机辅助设计专用快速三维布线系统。

国外已有一些计算机辅助的通用布线软件，比较有代表性的是UGS公司的Unigraphics产品中的ROUTING模块、PTC公司的PRO/E产品中的CABLING模块、Autodesk公司的Inventor产品中的自动布线模块等，它们以机械三维CAD为基础环境，完成线缆的三维空间内的连通，具有较好的通用性，但是还有一定的缺陷，主要是，每条线缆的走线路径仍然依赖人工分别一一设定，线、缆敷材的属性，如材料、形状、尺寸等也需要一一人为指定，耗时费力，尤其是在线、缆数目大，线缆分步密集的情况下，更显得繁琐，效率性、准确性与可靠性都较弱；线缆路径排布只是单纯的线段形式连接，不能反映现实线缆的载荷信息和线缆之间的相互影响状况，即不能反映线缆之间的电磁干扰和全局空间干涉问题；布线结果方案的可行性、可靠性更无法检测和控制。

自动布线是系统级、整机级电气互联技术中的主要内容。在电子设备整机内，众多的电缆电线传输的信号频率和幅度强弱各异、信号通过电缆电线在它周围空间产生的电磁场要对其它电线电缆产生干扰，整机内互联的电线、电缆的三维空间电-磁场分布、散热、线缆连接机械强度和电气连接可靠性，线缆相互干扰，走线立体干扰等状况，直接影响电子整机的性能和可靠度。

中国发明专利申请200410064572“通信整机快速三维布线方法”公开了用计算机和UG软件构成三维布线UG操作平台，具有嵌入式标准件库模块、布线模块、电磁干扰分析模块、干涉检测模块，它首先通过标准件库调入设计好的通信整机结构模型，由布线模块对通信整机进行布线，电磁干扰模块对布线结果进行电磁兼容性检测并获得检测结果的数值判据，由干涉检测模块完成整机布线后的空间干涉检测。将计算机三维布线结果应用于布线装配，实现计算机辅助通信整机的快速三维布线。该发明大幅度提高了通信整机的布线速度和质量，提高了整机的可靠性和稳定性。其公开布线模块是建立在走线空间三维数字化建模造型的基础上，在确定了布线路径的约束条件的前提下，根据元件端子间的连接关系，通过设定扎线梁、走线槽、弯角度、走线路径，完成三维空间里各终端组件间的电气连接。但其并未公开如何根据完成的电路设计和物理样机将有关元件及连接关系的数据引入布线系统，未公开如何选择线缆类型，未公开如何建立选择线路的网格等，因此实施该专利比较困难，也难以达到自动可靠地完成三维布线的效果。

要提高电子设备整机的可靠性，解决电子设备整机的快速制造问题，目前的“瓶颈”技术之一就是整机的三维布线技术。其中突出的问题之一是电子设备设计文件不能自动转换为三维布线所需的接线文件，即相应的元件表和接线表。如UG等的三维布线软件中生成接线文件时均需要手动在元件表中录入元件信息，再手动在接线表中录入接线信息，不仅过程复杂，耗费时间，录入过程还容易出错。另外现有的三维布线系统中缺少面向三维布线的标准接插件库，线缆库的包含的信息也过于简单，均使电子整机的三维布线难以自动完成。

(三)发明内容

本发明的目的是设计一种电子整机三维自动布线系统，可由设计数据自动转换生成接线文件、自动选择最佳走线路径并可自动排布线缆。

本系统通过应用程序编程接口与计算机辅助设计软件相接，具有布线预准备子系统、三维自动布线子系统和布线后处理子系统，布线预准备子系统包括标准件库和端口属性设置模块、模型装配模块和布线文件生成模块，三维自动布线子系统包括参数预设置模块、布线文件读取模块和基于网格划分的布线模块，布线后处理子系统包括线缆排布模块、干涉检测模块、三维布线信息输出模块。其布线预准备子系统的布线文件生成模块为布线文件自动转换器，该自动转换器具有布线文件格式单元、接线信息读取单元、及布线文件生成单元，其中布线文件格式单元存储了多种布线文件的标准规范，并具有布线文件标准规范修改和自定义功能，修改后的标准规范或自定义的标准规范存入自动转换器备用；接线信息读取单元直接对Word、Excel格式的接线信息进行处理，提取接线文件有关电子元件的信息，端子之间的连接关系、线缆载荷、线缆直径、线缆类别、线缆材料信息，并按照选定的格式重新编排；布线文件生成单元，将所提取、编排后的接线文件相关信息按照选定的标准规范一次写入元件表和接线表，分别生成CMP格式的元件表和HRN格式的接线表。

本系统运行时，先进入自动转换器，在布线文件格式单元所存储的布线文件标准规范中选择一种作为本次的布线文件标准，或者存储的布线文件标准规范选择一种、对其中某些项目修改后作为本次的布线文件标准，或者自定义本次的布线文件标准；在接线信息读取单元导入本系统进行三维布线的电子整机的接线文件，提取、筛选其中的元件信息和接线信息，并按照选定的布线文件标准规范重新编排，布线文件生成单元按所提取、编排的接线文件相关信息分别生成所选标准规范的元件表和接线表。

所述布线预准备子系统的标准件库内包括有标准接插件库和标准线缆库。

标准接插件库为按行业标准存储针对电子整机所用的各种接插件模型图库，模型图采用参数化建模方法绘制。调取方法为目录浏览、或按接插件型号检索提取；本库有自定义功能，即对所存接插件修改参数或添加新的接插件；主要包括射频电接插件和低频电接插件两大类别，其中低频电接插件又细分为矩形接插件、圆形接插件、印制板接插件、专用接插件和其他类别的接插件。

标准线缆库按行业标准存储各类线缆的各项参数，包括线缆型号、材料、线芯直径、线芯数量、线芯缠绕形式、屏蔽层材料、屏蔽层外径、用途；线缆的调取方法为目录浏览、或按型号提取、或按用途选择匹配；本库有自定义功能，即对所存线缆修改参数或添加新的线缆。

本发明电子整机三维自动布线系统的优点为：1、布线文件的自动转换器直接提取编排写入信息，避免了人为挑选、人为录入繁琐、耗费时间和容易出错的问题；且可选择多种布线文件的标准规范；2、元件表和接线表一次自动生成，且可选择或自定义不同的标准规范，不仅省时，还可满足不同设备的多种要求；3、标准线缆库存储了各类线缆的多项参数，不同于一般三维布线软件的线缆库中的线缆只有简单直径的区别，本系统线缆库具有有关线缆综合信息，可用于布线时线缆的排布、电磁干扰分析、空间干涉分析等；4、本系统线缆库可按目录或按型号提取，还能按用途选择匹配的线缆，方便布线时线缆的选用；5、本系统具有针对电子整机的接插件库，便于布线时选用。

(四)附图说明

图1为本电子整机三维自动布线系统实施例的主要结构示意图；

图2为本电子整机三维自动布线系统实施例的自动转换器工作流程图；

图3为本电子整机三维自动布线系统实施例的线缆排布平行柱状捆扎形状立体示意图。

(五)具体实施方式

本电子整机三维自动布线系统实施例的主要结构如图1所示，具有布线预准备子系统、三维自动布线子系统和布线后处理子系统，布线预准备子系统包括标准件库和端口属性设置模块、模型装配模块和布线文件生成模块，三维自动布线子系统包括参数预设置模块、布线文件读取模块和基于网格划分的布线模块，布线后处理子系统包括线缆排布模块、干涉检测模块、三维布线信息输出模块。

布线预准备子系统的布线文件生成模块为布线文件自动转换器，自动转换器具有布线文件格式单元、接线信息读取单元、及布线文件生成单元，其中布线文件格式单元存储的布线文件的标准规范包括：Example、Minimal、UG/Schematics、LCable、LCable_BA、UG/Harness、Promis-E，可为上述7种或其中的2～6种。并具有布线文件标准规范修改和自定义功能，修改后的标准规范或自定义的标准规范存入自动转换器备用；接线信息读取单元直接对Word、Excel格式的接线信息进行处理，提取接线文件有关电子元件的信息，端子之间的连接关系、线缆载荷、线缆直径、线缆类别、线缆材料信息，并按照选定的格式重新编排；布线文件生成单元，将所提取、编排后的接线文件相关信息一次写入选定的标准规范元件表和接线表，分别生成CMP格式的元件表和HRN格式的接线表。

本系统运行布线文件生成的流程如图2所示，进入自动转换器后，在布线文件格式单元所存储的布线文件标准规范中选择一种作为本次的布线文件标准，或者存储的布线文件标准规范选择一种、对其中某些项目修改后作为本次的布线文件标准，或者自定义本次的布线文件标准；在接线信息读取单元导入本系统进行三维布线的电子整机的接线文件，提取、筛选其中的元件信息和接线信息，并按照选定的布线文件标准规范重新编排，布线文件生成单元按所提取、编排的接线文件相关信息分别生成所选标准规范的元件表和接线表。

所述标准件库模块内还包括有标准接插件库和标准线缆库。

标准接插件库为按行业标准存储针对电子整机所用的各种接插件模型图库，模型图采用参数化建模方法绘制。调取方法为目录浏览、和/或按接插件型号检索提取；本库有自定义功能，即对所存接插件修改参数或添加新的接插件；主要包括射频电接插件和低频电接插件两大类别，其中低频电接插件又细分为矩形接插件、圆形接插件、印制板接插件、专用接插件和其他类别的接插件。

标准线缆库按行业标准存储各类线缆的各项参数，包括线缆型号、材料、线芯直径、线芯数量、线芯缠绕形式、屏蔽层材料、屏蔽层外径、用途；库内线缆的导体部分还可加载电流、电场、磁场参数，使其能够应用于电磁兼容分析；线缆的调取方法为目录浏览、和/或按型号提取、和/或按用途选择匹配；本库有自定义功能，即对所存线缆修改参数或添加新的线缆。

所述三维自动布线子系统中的布线模块，能根据布线文件自动生成布线路径，在原有的柔性线缆布线模块基础上，还含有专门的刚性线缆布线子模块，其内有路径三维编辑器，其操作包括：删除路径、分割路径、合并路径、伸缩路径、水平平移、垂直平移、建立弯角、删除节点、路径长度、路径夹角、辅助面线法或辅助坐标系法建立路径、辅助面线法或辅助坐标系法或绝对坐标系法确定节点坐标。布线子系统在起始端口向量的延长线上选取折弯点、根据接线表自动建立连接起始端口和对应端口的初始路径，该编辑器对初始路径进行分割、拉伸、平移、放置弯角等相关修改，使其符合工程实际布线的要求。路径分割可选择等分分割、百分比分割和随机分割。也可删除中间节点，将多个连续的线段合并为一个线段路径。在本编辑器中使用鼠标拖动端点可将所选刚性线缆自由拉伸到指定点或拉伸指定长度。编辑器可选择线缆的弯角放置点、输入弯角半径或修改已有弯角的半径完成线缆弯角的放置。本编辑器还根据从接线表中获得的端点连接关系、敷材属性信息，自动从线缆库调用相应线缆，并沿确定的路径自动铺设敷材。

本布线系统中刚性线缆的布线情况如下，读取元件表和接线表后，确定接线数目，查询第i根接线的起始元件或起始接插件名称、位置及起始元件或起始接插件的端口坐标，同样查询第i根接线的终止元件或终止接插件名称、位置及终止元件或终止接插件的端口坐标。以下起始元件或起始接插件的端口简称为起始端口，终止元件或终止接插件的端口简称为终止端口。电子整机的元器件安装于机箱或机柜侧板、底板或者与机箱或机柜的侧板或底板平行的固定面板上，即安装于布线基面上。端口上的多个接点形成的直线为端口方向，端口方向与各布线基面平行或者垂直。本发明的刚性线缆布线针对固定于同一布线基面上的、端口方向相互平行的起始端口和终止端口，因端口类型不同端口高度不同，端口可处于同一平面或不同平面。以下所述平面是与布线基面平行或垂直的平面。

I、当起始端口和终止端口在同一个平面、且二者距离大于线缆弯角半径的2倍时，在起始端口沿着该端口方向建立一条辅助直线，在该直线上选取起始端口的线缆折弯点位置。终止端口的线缆折弯点在经过终止端口的直线上，终止端口的线缆折弯点与起始端口的线缆折弯点的连线与端口方向垂直。确定了折弯点后，线缆依次连接起始端口、起始端口线缆折弯点，终止端口线缆折弯点和终止端口，并在线缆折弯点处建立弯角，形成第i根接线的最终路径。

II、当起始端口和终止端口不在同一平面、且二者的水平距离和垂直距离均大于线缆弯角半径的2倍时，按上述I的方法建立起始端口的线缆折弯点和终止端口的线缆折弯点，二折弯点处于与端口方向平行或垂直的平面上，并在该平面上选取中间折弯点，中间折弯点与起始端口线缆折弯点的连线和其与终止端口线缆折弯点的连线相互垂直。线缆依次连接起始端口、起始端口线缆折弯点、中间折弯点、终止端口线缆折弯点和终止端口，并在线缆折弯点处建立弯角，形成第i根接线的最终路径。

III、当起始端口和终止端口不在一个平面，二者水平距离大于2倍的线缆弯角半径，垂直距离小于2倍的线缆弯角半径。按上述I的方法建立起始端口的线缆折弯点和终止端口的线缆折弯点，二折弯点处于与端口方向平行或垂直的平面上。在该平面上选取中间折弯点A和B。中间折弯点A与起始端口线缆折弯点的距离大于线缆弯角半径2倍，A与起始端口线缆折弯点的连线和端口所处布线基面的法线平行，并且A与终止端口线缆折弯点的垂直距离小于A与起始端点线缆折弯点的垂直距离。中间折弯点B与终止端口线缆折弯点的距离大于或等于线缆弯角半径的2倍，且B与终止端口线缆折弯点连线和端口所处布线基面的法线平行，A与B的连线垂直于A与起始端点线缆折弯点的连线、并垂直于B与终止端口线缆折弯点的连线。线缆依次连接起始端口、起始端口线缆折弯点、中间折弯点A、中间折弯点B、终止端口线缆折弯点和终止端口，并在线缆折弯点处建立弯角，形成第i根接线的最终路径。

本系统的布线后处理子系统的线缆排布模块有多种线缆排布方式，线缆排布平行柱状捆扎形状的示意图如图3所示，包括平行带状(如图3中A所示)、平行圆柱(如图3中B所示)、平行四棱柱(如图3中C所示)、缠绕圆柱(如图3中D所示)以及其它，还可自定义捆扎排布方式。布线时，系统默认的线缆排布形式是平行圆柱，即走过同一路径上的线缆彼此平行捆扎成圆柱状，如图3A所示。使用时可选择或自定义线缆排布方式、设定线扎层数、设定线扎每层线缆数目、设定线缆的间距(或半径)，生成线缆的排布方案。

Claims (9)

1、电子整机三维自动布线系统，具有布线预准备子系统、三维自动布线子系统和布线后处理子系统，布线预准备子系统包括标准件库和端口属性设置模块、模型装配模块和布线文件生成模块，三维自动布线子系统包括参数预设置模块、布线文件读取模块和基于网格划分的布线模块，布线后处理子系统包括线缆排布模块、干涉检测模块、三维布线信息输出模块；其特征在于：

所述布线预准备子系统的布线文件生成模块为布线文件自动转换器，自动转换器具有布线文件格式单元、接线信息读取单元、及布线文件生成单元，其中布线文件格式单元存储有多种布线文件的标准规范，并具有布线文件标准规范修改和自定义功能，修改后的标准规范或自定义的标准规范存入自动转换器备用；接线信息读取单元直接对接线信息进行处理，提取接线文件有关电子元件的信息，端子之间的连接关系、线缆载荷、线缆直径、线缆类别、线缆材料信息，并按照选定的格式重新编排；布线文件生成单元，将所提取、编排后的接线文件相关信息一次写入选定的标准规范元件表和接线表，分别生成CMP格式的元件表和HRN格式的接线表；

进入自动转换器后，在布线文件格式单元所存储的布线文件标准规范中选择一种作为本次的布线文件标准，或者存储的布线文件标准规范选择一种、对其中某些项目修改后作为本次的布线文件标准，或者自定义本次的布线文件标准；在接线信息读取单元导入本系统进行三维布线的电子整机的接线文件，提取、筛选其中的元件信息和接线信息，并按照选定的布线文件标准规范重新编排，布线文件生成单元按所提取、编排的接线文件相关信息分别生成所选标准规范的元件表和接线表。

2、根据权利要求1所述的电子整机三维自动布线系统，其特征在于：

所述布线文件格式单元存储的布线文件的标准规范有Example、Minimal、UG/Schematics、LCable、LCable_BA、UG/Harness、Promis-E中的2～7种。

3、根据权利要求1或2所述的电子整机三维自动布线系统，其特征在于：

所述接线信息读取单元直接读取的接线信息格式有Word和/或Excel。

4、根据权利要求1所述的电子整机三维自动布线系统，其特征在于：

所述标准件库模块内还包括有标准接插件库，其为按行业标准存储针对电子整机所用的各种接插件模型图库，模型图采用参数化建模方法绘制；调取方法为目录浏览、和/或按接插件型号检索提取；本库有自定义功能，即对所存接插件修改参数或添加新的接插件；主要包括射频电接插件和低频电接插件两大类别，其中低频电接插件又细分为矩形接插件、圆形接插件、印制板接插件、专用接插件和其他类别的接插件。

5、根据权利要求1或4所述的电子整机三维自动布线系统，其特征在于：

所述标准件库模块内还包括有标准线缆库，该库按行业标准存储各类线缆的各项参数，包括线缆型号、材料、线芯直径、线芯数量、线芯缠绕形式、屏蔽层材料、屏蔽层外径、用途；线缆的调取方法为目录浏览、和/或按型号提取、和/或按用途选择匹配；本库有自定义功能，即对所存线缆修改参数或添加新的线缆。

6、根据权利要求5所述的电子整机三维自动布线系统，其特征在于：

所述线缆库中的线缆导体部分加载电流、电场、磁场参数。

7、根据权利要求1所述的电子整机三维自动布线系统，其特征在于：

所述三维自动布线子系统中的根据布线文件自动生成布线路径的布线模块含有专门的刚性线缆布线子模块，其内有路径三维编辑器，其操作包括：删除路径、分割路径、合并路径、伸缩路径、水平平移、垂直平移、建立弯角、删除节点、路径长度、路径夹角、辅助面线法或辅助坐标系法建立路径、辅助面线法或辅助坐标系法或绝对坐标系法确定节点坐标。

8、根据权利要求7所述的电子整机三维自动布线系统，其特征在于：本布线系统中刚性线缆的布线情况如下，读取元件表和接线表后，确定接线数目，查询第i根接线的起始元件名称、位置及起始元件的端口坐标，同样查询第i根接线的终止元件名称、位置及终止元件的端口坐标；

I、当起始端口和终止端口在一个平面、端口方向相互平行，且二者距离大于线缆弯角半径的2倍时，在沿着起始端口方向的直线上选取起始端口的线缆折弯点位置；终止端口的线缆折弯点在经过终止端口的直线上，终止端口的线缆折弯点与起始端口的线缆折弯点的连线与端口方向垂直；线缆依次连接起始端口、起始端口线缆折弯点，终止端口线缆折弯点和终止端口，并在线缆折弯点处建立弯角，形成第i根接线的最终路径；

II、当起始端口和终止端口不在一个平面、端口方向相互平行，且二者的水平距离和垂直距离均大于线缆弯角半径的2倍时，按上述I的方法建立起始端口的线缆折弯点和终止端口的线缆折弯点，二折弯点处于与端口方向平行或垂直的平面上，并在该平面上选取中间折弯点，中间折弯点与起始端口线缆折弯点的连线和其与终止端口线缆折弯点的连线相互垂直；线缆依次连接起始端口、起始端口线缆折弯点、中间折弯点、终止端口线缆折弯点和终止端口，并在线缆折弯点处建立弯角，形成第i根接线的最终路径；

III、当起始端口和终止端口不在一个平面、端口方向相互平行，且二者水平距离大于2倍的线缆弯角半径、垂直距离小于2倍的线缆弯角半径时，按上述I的方法建立起始端口的线缆折弯点和终止端口的线缆折弯点，二折弯点处于与端口方向平行或垂直的平面上，在该平面上选取两个中间折弯点A和B，中间折弯点A与起始端口线缆折弯点的距离大于线缆弯角半径2倍，A与起始端口线缆折弯点连线和端口所处布线基面的法线平行，且A与终止端口线缆折弯点的垂直距离小于A与起始端点线缆折弯点的垂直距离；中间折弯点B与终止端口折弯点的距离大于或等于线缆弯角半径2倍，B与终止端口线缆折弯点连线和端口所处布线基面的法线平行，B与A的连线垂直于A与起始端点线缆折弯点的连线、并垂直于B与终止端口线缆折弯点的连线；线缆依次连接起始端口、起始端口线缆折弯点、中间折弯点A、中间折弯点B、终止端口线缆折弯点和终止端口，并在线缆折弯点处建立弯角，形成第i根接线的最终路径。

9、根据权利要求1所述的电子整机三维自动布线系统，其特征在于：

所述布线后处理子系统的线缆排布模块有多种线缆排布方式，包括平行带状、平行圆柱、平行四棱柱、缠绕圆柱，以及自定义捆扎排布方式。

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