CN107292055B - 一种通过建立数学几何模型来辅助pcb设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了PCB设计领域中的一种通过建立数学几何模型来辅助PCB设计方法，包括通过Skill设计程序读取指定PCB的数据信息、转化为数学几何模型、对数学几何模型进行各项参数的调整与运算得到期望或是优化的结果、将处理后的结果转化为PCB的数据信息以及结束运行的步骤。本发明减少了设计人员的操作强度，通过数学几何模型建立的二、三维坐标系统和介入的数学运算可以极大的提高效率与精确能力，从而提高PCB设计效率与精确能力。

Description

一种通过建立数学几何模型来辅助PCB设计方法

技术领域

本发明涉及电路板设计技术领域，具体的说，是涉及一种通过建立数学几何模型来辅助PCB设计方法。

背景技术

随着高速时代的发展，电子产品实现的功能越来越多，同时一个产品上的元器件也随之越来越多，从而使PCB设计将变得更复杂，新产品的研发周期越来越短。

在传统的PCB设计过程中全部需要人工进行线路的设计、修改和调整。这不仅加重了操作工人的施工强度，同时影响了设计过程的效率与精确度。

上述缺陷，值得解决。

发明内容

为了克服现有的技术的不足，本发明提供一种通过建立数学几何模型来辅助PCB设计方法。

本发明技术方案如下所述：

一种通过建立数学几何模型来辅助PCB设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、通过Skill设计程序，读取指定PCB的数据信息；

步骤2、将读取指定PCB的数据信息转化为数学几何模型，建立二维、三维坐标系统及其相关参数定义；

步骤3、业务处理模块中，通过人机交互程序，接受指令，通过对指定PCB数据信息转化的数学几何模型进行各项参数的调整与运算，从而得到期望或是优化的结果；

步骤4、将处理后的结果，转化为PCB的数据信息；

步骤5、运行结束。

根据上述方案的本发明，其特征在于，所述Skill设计程序通过CADENCE AXLSKILL语言进行开发。

根据上述方案的本发明，其特征在于，在所述步骤2中，将PCB上的走线转换成直线方程或弧线方程。

进一步的，PCB的某一层中，第m条网络完整走线定义为Net_m，Net_m为集合了n条直线的集合，则Net_m的集合为Net_m:Zi(L₁L₂…L_n)，其中Ln的数学方程为L_n:a_nx+b_ny+c_n＝0(x_ny_nx_n'y_n')，其中(x_ny_n x_n'y_n')表示为该直线段的两点，a_n、b_n分别x、y的系数，c_n为常数项，Z_i表示第i层，如2层，i可以是1或是2，i就是实际PCB的层数。

根据上述方案的本发明，其特征在于，在所述步骤3中，通过矢量D对数学几何模型中的走线间距及方向进行调整。

进一步的，在PCB走线间距优化自动调整过程中，

(1)BUS信号中有m个网络在第i层，分别为Net₁～Net_m，定义Net_m从起始换层孔的起点S_m到终止换层孔的终点S'_1-m，

(2)记录其中的转折点及线段为：

Net₁中，转折点分别为S₁、A₁、B₁……S'₁，线段分别为L_1-1、L_1-2、L_1-3……L_1-n；

Net₂中，转折点分别为S₂、A₂、B₂……S'₂，线段分别为L_2-1、L_2-2、L_2-3……L_2-n；

以此类推，

Net_m中，转折点分别为S_m、A_m、B_m……S'_m，线段分别为L_m-1、L_m-2、L_m-3……L_m-n；

(3)定义：

Net₁：Z_i(L_1-1 L_1-2 L_1-3……L_1-n)，

Net₂：Z_i(L_2-1 L_2-2 L_2-3……L_2-n)，

……

Net_m：Z_i(L_m-1 L_m-2 L_m-3……L_m-n)；

(4)根据两点确定一条直线，则L_1-1：ax+by+c＝0(S₁,A₁)，a、b、分别x、y的系数，c为常数项，进而可以确定Net₁～Net_m的方程为：

Net₁：Z_i(a_1-1x+b_1-1y+c_1-1＝0(S₁,A₁))

Z_i(a_1-2x+b_1-2y+c_1-2＝0(A₁,B₁))

……

Z_i(a_1-nx+b_1-ny+c_1-n＝0(X₁,S'₁))，X₁为S'₁前面一点，

Net₂：Z_i(a_2-1x+b_2-1y+c_2-1＝0(S₂,A₂))

Z_i(a_2-2x+b_2-2y+c_2-2＝0(A₂,B₂))

……

Z_i(a_2-nx+b_2-ny+c_2-n＝0(X₂,S'₂))，X₂为S'₂前面一点，

以此类推，

Net_m：Z_i(a_m-1x+b_m-1y+c_m-1＝0(S_m,A_m))

Z_i(a_m-2x+b_m-2y+c_m-2＝0(A_m,B_m))

……

Z_i(a_m-nx+b_m-ny+c_m-n＝0(X_m,S'_m))，X_m为S'_m前面一点，

(5)得到Net₁～Net_m为由只通过确定两点的直线方程的集合，通过对方程参数调整，对PCB走线间距优化调整。

根据上述方案的本发明，其特征在于，在PCB通流能力检查的过程中，通过直线方程：a'x+b'y+c'＝0对铜箔进行扫描，即扫描线为a'x+b'y+c'＝0，其中a’、b’分别为x和y的系数，c’为常数项；

强制直线方程过黄色高亮的铜箔区域内的一点，即检测点，检测点按X Y方向增量的形式变动，精度高则增量小，反之增量大；

在每一个检测点，扫描线a'x+b'y+c'＝0从0-360度按角度增量变化，也就是直线斜率K的调整，精度高则角度增量小，反之角度增量大；

记录扫描线a'x+b'y+c'＝0通过扫描区域内最短的直线方程，相应就是铜箔的最小宽度，从而计算出铜箔的通流能力。

根据上述方案的本发明，其有益效果在于，本发明通过利用数学几何模型对PCB设计数据进行读取、生成、修改调整、检查优化、精确测量等一系列的操作，减少了设计人员的操作强度，还可以扩展客户定制化的功能，通过数学几何模型建立的二、三维坐标系统和介入的数学运算可以极大的提高效率与精确能力，从而提高PCB设计效率与精确能力。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2-4为本发明一个实施例中PCB项目的布线设计图。

图5-6为本发明另一个实施例中PCB项目的布线设计图。

图7为本发明确定三维坐标与PCB走线关系的示意图。

图8-13为本发明应用实例一的设计示意图。

图14为本发明应用实例二的设计示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及实施方式对本发明进行进一步的描述：

如图1所示，一种通过建立数学几何模型来辅助PCB设计方法，包括以下步骤：

步骤1、通过CADENCE AXLSKILL语言设计开发Skill设计程序，读取指定PCB的数据信息。

步骤2、将读取指定PCB的数据信息转化为数学几何模型，建立二维、三维坐标系统及其相关参数定义。

步骤3、业务处理模块中，通过人机交互程序，接受指令，通过对指定PCB数据信息转化的数学几何模型进行各项参数的调整与运算，从而得到期望或是优化的结果。

步骤4、将处理后的结果，转化为PCB的数据信息。

步骤5、运行结束。

如图2-6所示，在PCB项目的布线设计图中，加入了X与Y坐标轴，所有的PCB数据信息将都包含于这个二维的坐标系当中。在PCB项目的布线设计图中走线包括了直线与圆弧线。

将PCB上的走线转换成直线方程(平面直角坐标系中的一个二元一次方程)，用直线方程表示PCB走线上各直线形式的走线，通过直线方程来了解与计算该直线的空间方向、对称图形、距离计算、直线交点、对称轴、位置关系等。对于PCB设计来说，在调整、优化、检查走线也是同理，通过直线方程来处理PCB上面的走线了。

PCB上的走线的圆弧段也是同理。

当前电子产品的功能多样化，尺寸又向小型化，导致实际PCB很难在一层或是2层来完成，目前绝大部分的PCB都是多层，甚至几十层。所以在上面二维的基础之上，加入Z轴来表示PCB的层(例：Z₁表示TOP层，Z_i表成第i层)。

如图7所示，PCB的某一层中，第m条网络完整走线定义为Net_m，Net_m为集合了n条直线的集合，在本实施例中，定义Net_m主要分为A B C三点组成，其中BC段由L₁～L₇组成，L₁～L₇的直线方程表示为：

L₁:Z_i(a₁x+b₁y+c₁＝0(x₁y₁ x_1'y_1'))

……

L₇:Z_i(a₇x+b₇y+c₇＝0(x₇y₇ x_7'y_7'))其中(x_ny_n x_n'y_n')表示为该直线段的两点，a_n、b_n分别x、y的系数，c_n为常数项，Z_i表示第i层，如2层，i可以是1，也可以是2，就是实际PCB的层数。由此可见，组成Net_m在BC段的走线，其实就是L₁～L₇所组成的一个集合,这样用数学的知识就对应到了PCB上的数据了，即：Net_m:Z_i(L₁L₂…L₇)。

通过二、三维坐标系的知识，通过数学的方式来表示PCB的相关数据信息，并充分运用解方程组的高效运算来对PCB数据的生成、修改调整、检查优化、精确测量等分析运算处理，从而实现PCB数据信息转化成数学模型运算后再生成PCB信息的一个过程。

如图8-12所示，实际PCB布线设计时，由于手动布线以及其它因素，对于BUS信号的走线常会出现同一BUS走线不均匀、间距不等，不单是看起来不美观，且由于BUS走线间距有些地方过近，在一定程度上影响信号的质量,如信号过近会增加信号间的窜扰。为了提高设计的美观同时更重要的保证信号的设计质量，由平面几何知识，通过矢量D对数学几何模型中的走线间距及方向进行调整。

在PCB走线间距优化自动调整过程中，

(1)BUS信号中有m个网络(本实施中设有3个网络)，分别为Net₁～Net₃，定义Net₁从起始换层孔的起点S₁到终止换层孔的终点E₁，Net₂从起始换层孔的起点S₂到终止换层孔的终点E₂,Net₃从起始换层孔的起点S₃到终止换层孔的终点E₃,

(2)记录其中的转折点及线段为：

Net₁的组成：

6个点：S₁、A₁、B₁、C₁、D₁、E₁；

5线段：L_1-1、L_1-2、L_1-3、L_1-4、L_1-5。

Net₂的组成：

6个点：S₂、A₂、B₂、C₂、D₂、E₂；

5线段：L_2-1、L_2-2、L_2-3、L_2-4、L_2-5。

Net₃的组成：

6个点：S₃、A₃、B₃、C₃、D₃、E₃；

5线段：L_3-1、L_3-2、L_3-3、L_3-4、L_3-5。

(3)定义：

Net₁：Z_i(L_1-1L_1-2L_1-3L_1-4L_1-5)；

Net₂：Z_i(L_2-1L_2-2L_2-3L_2-4L_2-5)；

Net₃：Z_i(L_3-1L_3-2L_3-3L_3-4L_3-5)。

(4)根据两点确定一条直线，则L_1-1：ax+by+c＝0(S₁,A₁)，a、b分别x、y的系数，c为常数项，进而可以确定Net₁～Net₃的方程为：

Net₁：

Z_i(a_{1_1}x+b_{1_1}y+c_{1_1}＝0(S₁，A₁))

Z_i(a_{1_2}x+b_{1_2}y+c_{1_2}＝0(A₁，B₁))

Z_i(a_{1_3}x+b_{1_3}y+c_{1_3}＝0(B₁，C₁))

Z_i(a_{1_4}x+b_{1_4}y+c_{1_4}＝0(C₁，D₁))

Z_i(a_{1_5}x+b_{1_5}y+c_{1_5}＝0(D₁，E₁))

Net₂、Net₃按理类推。

(5)得到Net₁～Net₃为由只通过确定两点的直线方程的集合，通过对方程参数调整，对PCB走线间距优化调整。

步骤4中数学模型转化为PCB数据信号，就是以上过程的逆过程。

如图13所示，开发出的allegro工具的界面中，箭头表示方向，右侧数据为间距参数的调整、中心间距、边到边、等间距等等，箭头与Value就是矢量D,鼠标画出的路径代表方向，左边的窗口Value：25代表矢量D值为25，方向为箭头所示。

关于过程中涉及的程序代码已是较为成熟的技术，本实施例中采用的部分程序代码如下：

axlCmdRegister(“equal cline”ˋmr_equal_cline)

；################################################

defun(mr_equal_cline()

)

defun(equal_form(equal_file)

)

defun(equal_form_Action(form)

)

defun(act_dir()

)

defun(all_cline()

)

defun(find_cline()

)

；################################################

；Ax+By+C＝0

；A＝y2-y1

；B＝x1-x2

；C＝x2*y1-x1*y2

；ax？

；ay？

；k＝y2-y1/x2-x1

；k1*k2＝-1

；################################################

defun(act_cline()

)

其中，上述代码为整体的功能函数模块，find_cline定义了通过人机交互参数找到需要处理的在PCB上的走线，act_cline为通过人机交互参数调整优化走线后转化成PCB信息的模块。

下面为将PCB信息转化成直线方程模块的部分代码行：

item1_e_xy＝cadr(item1_xy)

item1_e_x＝nth(0item1_e_xy)

item1_e_y＝nth(1item1_e_xy)

A1＝item1_e_y-item1_s_y

B1＝item1_s_x-item1_e_x

C1＝item1_e_x*item1_s_y-item1_s_x*item1_e_y

；aclMsgPut(“L1:％L*x+％L*y+％L＝0％L”A1 B1 C1 iteml_xy)

item2＝nth(1all_cline_table[i])

item2_xy＝item2->startEnd

item2_s_xy＝car(item2_xy)

item2_s_x＝nth(0item2_s_xy)

item2_s_y＝nth(1item2_s_xy)

item2_e_xy＝cadr(item2_xy)

item2_e_x＝nth(0 item2_e_xy)

item2_e_y＝nth(1 item2_e_xy)

A2＝item2_e_y–item2_s_y

B2＝item2_s_x–item2_e_x

C2＝item2_e_x*item2_s_y–item2_s_x*item2_e_y

；aclMsgPut(“L2:％L*x+％L*y+％L＝0％L”A2 B2 C2 item2_xy)

Item3＝nth(2 all_cline_table[i])

Item3_xy＝item3->startEnd

Item3_s_xy＝car(item3_xy)

Item3_s_x＝nth(0 item3_s_xy)

Item3_s_y＝nth(1 item3_s_xy)

Item3_e_xy＝cadr(item2_xy)

Item3_e_x＝nth(0 item3_e_xy)

Item3_e_y＝nth(1 item3_e_xy)

A3＝item3_e_y–item3_s_y

B3＝item3_s_x–item3_e_x

C2＝item3_e_x*item3_s_y–item3_s_x*item3_e_y

如图14所示，在日常生活中，常常涉及到对PCB检测铜箔区域1通流能力检查(铜箔宽度检查)。

在PCB通流能力检查的过程中，通过直线方程：a'x+b'y+c'＝0对铜箔进行扫描，即扫描线为a'x+b'y+c'＝0，其中a’、b’分别为x和y的系数，c’为常数项。a’、b’c’是动态的变量，实际上，扫描线a'x+b'y+c'＝0是在一个个坐标点进行360度旋转，而直线的旋转是通过调整a’、b’c’实现的。

强制直线方程过黄色高亮的铜箔区域内的一点，即检测点，检测点按X Y方向增量的形式变动，精度高则增量小，反之增量大。

在每一个检测点，扫描线a'x+b'y+c'＝0从0-360度按角度增量变化，也就是直线斜率K的调整，精度高则角度增量小，反之角度增量大。

记录扫描线a'x+b'y+c'＝0通过扫描区域内最短的直线方程，相应就是铜箔的最小宽度，从而计算出铜箔的通流能力。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

上面结合附图对本发明专利进行了示例性的描述，显然本发明专利的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明专利的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明专利的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种通过建立数学几何模型来辅助PCB设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、通过Skill设计程序，读取指定PCB的数据信息；

步骤2、将读取指定PCB的数据信息转化为数学几何模型，建立二维、三维坐标系统及其相关参数定义；

步骤3、业务处理模块中，通过人机交互程序，接受指令，通过对指定PCB数据信息转化的数学几何模型进行各项参数的调整与运算，从而得到期望或是优化的结果；

步骤4、将处理后的结果，转化为PCB的数据信息；

步骤5、运行结束；

在PCB通流能力检查的过程中，通过直线方程：a'x+b'y+c'＝0对铜箔进行扫描，即扫描线为a'x+b'y+c'＝0，其中a’、b’分别为x和y的系数，c’为常数项；

强制直线方程过黄色高亮的铜箔区域内的一点，即检测点，检测点按X Y方向增量的形式变动，精度高则增量小，反之增量大；

在每一个检测点，扫描线a'x+b'y+c'＝0从0-360度按角度增量变化，也就是直线斜率K的调整，精度高则角度增量小，反之角度增量大；

记录扫描线a'x+b'y+c'＝0通过扫描区域内最短的直线方程，相应就是铜箔的最小宽度，从而计算出铜箔的通流能力。

2.根据权利要求1所述的通过建立数学几何模型来辅助PCB设计方法，其特征在于，所述Skill设计程序通过CADENCE AXLSKILL语言进行开发。

3.根据权利要求1所述的通过建立数学几何模型来辅助PCB设计方法，其特征在于，在所述步骤2中，将PCB上的走线转换成直线方程或弧线方程。

4.根据权利要求3所述的通过建立数学几何模型来辅助PCB设计方法，其特征在于，PCB的某一层中，第m条网络完整走线定义为Net_m，Net_m为集合了n条直线的集合，则Net_m的集合为Net_m:Z_i(L₁L₂…L_n)，其中L_n的数学方程为L_n:a_nx+b_ny+c_n＝0(x_ny_n x_n'y_n')，其中(x_ny_n x_n'y_n')表示为该直线段的两点，a_n、b_n分别x、y的系数，c_n为常数项，Z_i表示第i层。

5.根据权利要求1所述的通过建立数学几何模型来辅助PCB设计方法，其特征在于，在所述步骤3中，通过矢量D对数学几何模型中的走线间距及方向进行调整。

6.根据权利要求5所述的通过建立数学几何模型来辅助PCB设计方法，其特征在于，在PCB走线间距优化自动调整过程中，

(1)BUS信号中有m个网络在第i层，分别为Net₁～Net_m，定义Net_m从起始换层孔的起点S_m到终止换层孔的终点S'_1-m，

(2)记录其中的转折点及线段为：

Net₁中，转折点分别为S₁、A₁、B₁……S'₁，线段分别为L_1-1、L_1-2、L_1-3……L_1-n；

Net₂中，转折点分别为S₂、A₂、B₂……S'₂，线段分别为L_2-1、L_2-2、L_2-3……L_2-n；

以此类推，

Net_m中，转折点分别为S_m、A_m、B_m……S'_m，线段分别为L_m-1、L_M-2、L_m-3……L_m-n；

(3)定义：

Net₁：Z_i(L_1-1 L_1-2 L_1-3 …… L_1-n)，

Net₂：Z_i(L_2-1 L_2-2 L_2-3 …… L_2-n)，

……

Net_m：Z_i(L_m-1 L_m-2 L_m-3 …… L_m-n)；

(4)根据两点确定一条直线，则L_1-1：ax+by+c＝0(S₁,A₁)，a、b、分别x、y的系数，c为常数项，进而可以确定Net₁～Net_m的方程为：

Net₁：Z_i(a_1-1x+b_1-1y+c_1-1＝0(S₁,A₁))

Z_i(a_1-2x+b_1-2y+c_1-2＝0(A₁,B₁))

……

Z_i(a_1-nx+b_1-ny+c_1-n＝0(X₁,S'₁))，X₁为S'₁前面一点，

Net₂：Z_i(a_2-1x+b_2-1y+c_2-1＝0(S₂,A₂))

Z_i(a_2-2x+b_2-2y+c_2-2＝0(A₂,B₂))

……

Z_i(a_2-nx+b_2-ny+c_2-n＝0(X₂,S'₂))，X₂为S'₂前面一点，

以此类推，

Net_m：Z_i(a_m-1x+b_m-1y+c_m-1＝0(S_m,A_m))

Z_i(a_m-2x+b_m-2y+c_m-2＝0(A_m,B_m))

……

Z_i(a_m-nx+b_m-ny+c_m-n＝0(X_m,S'_m))，X_m为S'_m前面一点，

(5)得到Net₁～Net_m为由只通过确定两点的直线方程的集合，通过对方程参数调整，对PCB走线间距优化调整。

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