ECAD-MCAD功能的一体化设计

在当今全球市场上，需要在更短时间内设计出更小、更智能产品的压力使得设计工程师必须不断重新评估和修改从概念一直到制造的整体产品设计流程。

电子技术的快速发展进一步推动了对变革的需求，一系列的革新进程改变了我们现在用来创造电子产品的基本流程。产品开发团队面临的新挑战就是如何管理这些相互依赖度越来越高的流程，同时满足生产工期要求。

随着电子产品及其创造流程的不断发展，电子设计和机械设计两个完全不同的领域间需要协调合作。为了在当今市场保持竞争力，设计人员必须采用统一的设计流程，实现设计数据在跨电子、机械领域的平稳传递。

但是，电子设计通常被视为一套互不相关的设计规范，其中每一项都要求有单独的设计环境，如硬件设计、可编程逻辑设计和软件开发等。这种各自独立的方法阻碍了与范围更广的产品开发流程进行有效合作。然而，统一电子设计可创建使电子设计流程所有阶段都实现真正的设计互动和合作所需的环境。通过将单一应用中所需流程一体化，统一电子开发系统在本质上可共享设计数据，并能对设计信息进行全局管理。设计各阶段间无缝的信息传输带来了灵活、交互和创新的设计实践，这样的设计实践可支持硬件和软件之间的灵活分配。

统一电子产品开发系统带来的效率和高层设计协作延伸到了从概念直到制造的设计流程的各个层面。设计信息和数据的集中控制使产品开发流程涉及的所有人员都可以通过联合协作的方式工作，包括文档处理、部件管理和制造阶段。

从更广的角度来看，与电子设计紧密相关的领域之外需要高效设计协作。产品开发演变的一个越来越重要的部分就是设计在电子和机械方面的互动，对更小、更多功能封装需求的不断增加促使这二者在物理层面和开发层面紧密结合。

现在板卡装配一般都包括所有外部硬件，如连接器、键盘和显示器，而产品外壳在装配完毕后把这些展现给用户。把电子配件安装在产品外壳中，单独的硬件元件通过内部连线连接在一起，这样的日子一去不复返了。简言之，现在封装已经不再是一个简单的容器，而是产品紧密集成的一个部件。

图1：当今产品中的电子与机械设计方面相互交融、相互依存。

随着设计日趋复杂化、智能化而且联系更密切，高级设计概念在ECAD领域的系统设计以及MCAD领域的工业设计中应运而生。它们联合在一起共同决定设备的智能性、设计、功能以及外形如何结合并一起创造所有人都能使用的产品。

机械设计如今给电子设计带来了前所未有的深刻影响，它可以影响或决定主板形状、尺寸与组件布局，而且在许多情况下还会决定所使用的组件类型，甚至软件运行方式。这种趋势给两者之间的交互赋予了前所未有的重要性，因为现在产品的成功取决于ECAD-MCAD协作的成效，需要的是通力协作而非仅仅是有所联系的过程。

长达25年的协同设计困扰

实际上，采用在各自领域设计应用之间传递基本尺寸信息的通用文件格式，只能简单满足ECAD和MCAD设计的数据传输需求。尤其是从MCAD角度来看，MCAD设计在二十世纪七十年代的发展以及八十年代出现的实体建模，为数据交换文件格式的发展开辟了一条稍显崎岖的道路。

根据MCAD与ECAD应用程序的不同，催生了一种倾向于仅在基本层面存在、依赖于大量文件交换格式的ECAD-MCAD设计流程。在过去，这意味着一个应用的尺寸与对象布局数据经处理后需要通过各种2D和3D文件格式、作为"重要事件"发送到另一个应用。如果每一步都需要适当的设计修改，则会引发又一次数据交换以确认相关修改，从而最终形成一种妨碍MCAD-ECAD设计协作的繁杂过程。

解决上述问题的另一方法，是采用独立的第三方设计转换程序来简化文件兼容性问题(如IDF在MCAD域偶尔获得支持)，并提高过程的灵活性。这些程序通常以ECAD-MCAD应用的本机格式提供导入／导出选项，而且在某些情况下会与采用对象链接(OLE)或编程界面(API)的程序直接连接。

但这两种方法都不尽如人意。在采用基本文件交换设置情况下，由于交换格式自身的限制与不一致性，数据转换错误频频出现，而且数据传输量很难控制(太多或太少都有问题)。最重要的是，上述过程一般很难操作，且由于数据交换格式不兼容而容易出错。

由于能够更严格定义格式和数据过滤选项以使用户能指定传输所包含的对象，专用CAD转换程序一般可以提供更好的解决方法。但不幸的是，由于在这过程中所插入的附加转换层的复杂性，前后各需要两个步骤。例如，由于与MCAD-ECAD应用具有密切关系，这种方法会使转换程序具有版本依赖性，从而进一步增加整个设计系统的许可费用。通过将其嵌入到MCAD或ECAD应用，转换程序的链接(OLE、API)版本可以提供集成度更高的解决方案，但代价是对版本的依赖性更高，而且MCAD-ECAD应用必须加载到相同的PC平台才能建立OLE/API互连。

一体化解决方案

随着工业自动化和计算机技术的不断发展，工业界迫切需要综合性强、可靠性高的信息交换机制实现计算机辅助工程（CAx）系统之间的有效集成。STEP标准既是一种产品信息建模技术，又是一种基于面向对象思想方法的软件实施技术。它支持产品从设计到分析、制造、质量控制、测试、生产、使用、维护到废弃整个生命周期的信息交换与信息共享，目的在于提供一种独立于任何具体系统而又能完整描述产品数据信息的表示机制和实施的方法与技术。在设计和制造中， 许多系统过去常常要处理技术产品数据。每个系统有它自己的数据格式，所以相同的信息必然在多个系统中多次存储，这会导致了信息的冗余和错误。这个问题不是制造业所特有，只不过在制造业表现地更为突出，因为复杂的数据和三维数据让使用者们引起误解，和误差的扩大。据美国国家标准协会估计，数据不兼容的问题对于制造业意味着一个9 0 0亿元的损失… .

STEP（STandard Exchange of Product data model）标准是国际标准化组织制定的描述整个产品生命周期内产品信息的标准，STEP标准是一个正在完善中的"产品数据模型交换标准".它是由国际标准化组织（ISO）工业自动化与集成技术委员会（TC184）下属的第四分委会（SC4）制订，ISO正式代号为ISO-10303.它提供了一种不依赖具体系统的中性机制，旨在实现产品数据的交换和共享。这种描述的性质使得它不仅适合于交换文件，也适合于作为执行和分享产品数据库和存档的基础。发达国家已经把STEP标准推向了工业应用。它的应用显着降低了产品生命周期内的信息交换成本，提高了产品研发效率，成为制造业进行国际合作、参与国际竞争的重要基础标准，是保持企业竞争力的重要工具。

基本的需求是在两个域之间数据能可靠、全面和便捷地传输途径。幸运的是，3D数据传输协议的开发已经发展到具备相对较新的STEP格式的新层次。STEP是一种针对3D设计与制造过程而设计的协议，不仅具有数据丰富性，而且极其稳定。

STEP目前得到了大多数MCAD系统的支持，而且在ECAD域引入双向支持可以实现一次性消除3D数据转换问题。STEP文件可以是大文件，但如果 ECAD系统在转换界面提供一系列智能对象过滤选项，则可以轻松约束文件大小。除了文件兼容性的优势，此方法还能避免第三方应用带来的复杂性以及由此产生的费用，并且不受MCAD-ECAD应用程序版本问题的困扰。

让我们再次关注一下基本需求，很显然，问题的重要部分也需在ECAD域解决，尤其是在需要真正并行ECAD-MCAD设计的情况下。在当前工作流程中，对象间隙问题完全在MCAD域解决，ECAD设计只有在完成关键间隙检查之后才可以继续进行（图2）。最后，断续设计并行性可能是最好的结果。

图2：在具有3D功能的ECAD主板设计空间集成了关键MCAD部分，可以使设计人员无需依赖两个域之间低效率的连续交换设计数据流程便可实时检查并纠正间隙与配合问题。

为实现ECAD间隙检查，PCB编辑器不仅要求具有实时3D功能，还要求能将MCAD组件导入此空间。利用稳定的STEP格式在ECAD领域引入组件(如外壳组件)，便可在PCB设计环境中实现实际干扰检查。如果结合这种系统来匹配用户自定义间隙规则和3D对象透明度选项，便可在MCAD领域实时解决大部分机械配合问题(图3)。该系统符合甚至可能超越MCAD环境中同等过程的性能要求，从而实现两个领域之间真正的并行设计。

图3：只要ECAD系统能够提供对象间隙检查功能且可链接至PCB设计空间之外的MCAD生成的3D STEP文件，就能实现ECAD与MCAD领域之间真正的并行设计。

上述方案可显着降低复杂性并减少当前系统所需的MCAD-ECAD设计过程中反复测试的次数。理想情况下，同时适合MCAD与ECAD设计的单个大型设计环境可避免反复操作。尽管利用当前技术无法实现，但可通过链接至3D数据文件，而不是将数据嵌入ECAD设计文件就可以减少甚至消除文件交换过程。

从工作流程角度来看，ECAD应用只需从MCAD应用已生成的外部3D STEP文件加载数据，PCB编辑器便可在外部文件修改时提醒用户（对MCAD域的更新做出响应），然后更新PCB工作空间和ECAD设计文件中的相应对象。这一切均可在实时3D设计环境下进行，从而无需连续的MCAD-ECAD反复设计便可使主板设计人员实时解决机械间隙误差问题。

当今设计过程中物理特性重要性的日益提高，意味着最终需要采用直接处理核心问题的系统来解决ECAD与MCAD设计环境相互依存的关系。大部分试图提供某种解决方案的现有系统均归于失败，或者就是造成效果相反、易于出错的工作流程。通过引入可提供稳定3D数据传输、交互式间隙检查以及实时MCAD领域链接功能的ECAD系统，设计人员可同时在两个领域开展协作，开发出具有显着可持续竞争优势的独特产品。

最新的Altium一体化产品开发解决方案Altium Designer拥有用于开发新一代产品的更高级电子产品设计工具。Altium通过将电子产品设计直到MCAD领域的整个设计过程进行完整统一，从而实现高级ECAD-MCAD功能。

这一切延续了Altium的战略，即为所有设计人员提供实现设计与产品创新所需的解决方案。Altium Designer的最新版本专注于设计过程中核心设备的智能化，使设计人员从一开始就可通过Altium的一体化电子产品设备环境自由驾驭MCAD设计。