建立基于EDA知识库的航天电子学设计管理系统

◎北京空间机电研究所 忻刚等

随着航天产品需求的不断加大，航天型号任务急剧增加，产品的研制周期越来越短，性能要求越来越高，规模及复杂度不断增加，可靠性和质量要求也越来越严格，这些都对航天电子学产品的研制提出了更高的要求。

为适应当前航天电子学产品研制的新形势，全面提升电子产品的设计能力和竞争力，亟需建立一套科学的航天电子学设计管理系统，通过采用更为先进的管理和设计方法改进现有工作模式，提高电子学产品的性能和设计质量，从而保证科研型号任务的按时保质完成。

针对目前航天电子学产品研制的新形势，北京空间机电研究所参考国内外的相关标准制定了元器件原理图及封装模型的命名与制作规范，并在此基础上建设了电子设计自动化（EDA）知识库，进而建立了基于EDA知识库的航天电子学设计管理系统。该管理系统采用院所分级管理和院所主服务器定时定期同步的管理模式，主要用于解决EDA设计工具多样化，缺少统一、标准的基础数据库，各厂所、研究室及设计人员制作元件库造成重复劳动，成熟可靠的电路得不到广泛应用等问题，有助于提高电子学产品的性能和质量，缩短电子学产品的研制周期。

一、系统的特点

EDA知识库是为电子设计提供相应的电子元器件零件原理图模型和封装模型的数据库平台。基于EDA知识库的航天电子学设计管理系统从航天电子学产品的实际研制需求出发，以EDA知识库作为基础模型数据，建立了一个面向航天电子学产品研制过程的综合设计管理体系，其特点主要有以下几个方面：

1.创建了综合管理平台

航天电子学设计管理系统建立了统一的EDA知识库应用环境，加强了对基础数据库及设计规范、流程的管理，使航天电子学产品的设计流程更加合理优化，促进了协同设计和设计标准化，便于设计人员间的交流和沟通。同时结合航天电子学产品的特点制定了一套与其研制需求相适应的综合管理平台，由专业的管理人员和技术小组进行管理，确保EDA知识库的唯一性、标准化和通用性，保证设计流程的规范化。

2.制定了企业内部标准和规范

制定了与该系统配套的企业内部标准和规范，包括基于EDA知识库的航天电子学产品设计流程规范以及EDA知识库的制作、管理及应用规范等。这些标准和规范的制定与不断完善推动了航天电子学产品科研生产管理体系的建立，促进了航天电子学产品的设计标准化和管理规范化。

3.建立了基础数据库

通过制作合格的元器件原理图模型、印刷电路板（PCB）封装模型、元器件IBIS模型和PSpice模型，为航天电子学设计管理系统建立了统一的基础数据库。

该系统采用了统一、标准的元器件零件模型，可提高产品的标准化水平。同时，采用基于仿真模型库的原理图仿真和PCB仿真可将设计错误控制在源头，进而提高工作效率和电路的性能指标。

4.建立了可复用电路模型库

将经过反复讨论并实际测试成功的常用电路模块制作成合格的可复用电路模块，并将其作为EDA知识库中的可复用知识。在此基础上，设计人员在系统中可直接使用验证过的可复用电路进行电子学产品设计，在缩短设计时间的同时也提高了效率，增强了电路设计的可靠性、可继承性和可移植性，促进了产品的层次化、模块化设计。

5.实现了研制生产一体化管理

通过将统一的航天电子学产品设计平台与企业内部的物资系统和生产管理系统集成，实现了统一的元器件基础信息管理，进而形成了基于EDA知识库的研制生产一体化管理的航天电子学产品设计模式。该模式中的设计平台可自动生成物资部门和生产部门需要的报表，不仅提高了设计人员的工作效率，也有助于提高航天电子学产品整个研制流程的效率。

二、实施方法

1.确立航天电子学产品研制体系

通过广泛的调研，笔者发现当前航天电子学产品研制过程中仍存在诸多问题，如设计工具多样化，元器件模型不统一、不标准，技术积累没有得到充分利用以及研制流程不适应新形势等问题，北京空间机电研究所在查阅国内外相关资料和调研相关专业公司的基础上，确定了建立航天电子学产品研制体系的总体思想。

航天电子学产品研制体系将依托信息化技术，采用统一的设计平台，以统一的EDA知识库为基础，加强对基础数据库及设计规范、流程的管理，促进协同设计和设计标准化，同时对配套的科研生产管理规章制度进行修订和完善，建立适应航天电子学产品研制的科研生产管理体系，提升科研生产能力。

2.建立综合设计管理体系

在航天电子学产品研制体系总体思想的指导下，确定了基于EDA知识库的航天电子学设计管理系统的总体体系框架，如图1所示。

作为一个面向航天电子学产品研制过程的综合设计管理体系，其包括数据库层、设计应用层和集成层3个层次的建设内容。其中，数据库层以EDA知识库为核心，包含国产/进口元器件模型库、仿真模型库和可复用电路模型库；设计应用层是基于统一的航天电子学产品设计平台和数据库实现电子学产品设计的整个流程；集成层为设计应用层与物资、生产管理系统提供一个集成接口平台，使航天电子学设计管理系统在航天电子学产品的整个研制流程中发挥作用。

建立综合设计管理体系的具体做法：

一是由专家组对航天电子学产品现有的设计流程进行梳理优化。规范的电路板设计工作流程如图2所示，电子工程师根据设计输入进行元器件原理图设计和系统仿真，并根据仿真结果进行PCB板的自动布局布线。在制作PCB板之前还要进行PCB后分析，并将后分析的结果反馈回电路图再次进行系统仿真。根据仿真的结果调整和优化PCB板的布局布线，并完成设计。在整个电路板设计流程中，EDA知识库的支撑作用贯穿始终。

图1 系统总体体系框架

图2 规范的电路板设计流程

二是成立专门的管理组织。为了更好地适应航天产品研制的需要及专业能力的提升，研究所对航天电子学专业进行了划分，成立了专门的EDA技术小组及各研究室专业设计小组，由研究所信息中心主管，并配备了物资部门及质量技术部门作为协管部门，其管理组织结构如图3所示。

图3 管理组织结构图

三是建立配套的标准规范及管理制度。为保证航天电子学产品的可生产性、可测试性和可维护性，以及适应产品标准化要求、实行规范化管理，需建立航天电子学设计管理系统配套的标准规范及管理制度。

四是研制设计管理系统。在完成上述一系列的前期准备工作后，进入航天电子学设计管理系统的研制阶段，其中的核心内容是EDA知识库的构建。

3.构建EDA知识库

一是根据国内外相关标准制定EDA知识库的制作规范和管理办法，形成以管理和技术为主线的综合设计管理体系，见表1。

表1 EDA知识库建设与应用规范列表

二是选择设计平台。Cadence设计软件是一种集设计和管理于一体且具有强大功能的EDA设计工具，也是在EDA领域广泛使用的设计工具之一。Cadence平台虽已作为电子学产品设计、仿真和分析的主流设计平台，但目前大多只使用了基本的设计功能，其强大的设计流程管理和网络化协同设计功能几乎没有得到应用，在造成资源浪费的同时还降低了设计人员的工作效率。所以，要以统一、标准的EDA基础数据平台作为支持，充分发挥已有Cadence设计软件在数据管理、设计流程管理及协同设计等方面的优势，从而更高效地围绕Cadence平台建立航天电子学设计管理系统的统一设计平台。

三是建立基础数据库。EDA知识库包含元器件模型数据库、可复用电路模型数据库和电子元器件仿真模型数据库3个基础数据库。其具体建立步骤为：首先根据中国空间技术研究院国产元器件清单及部分手册筛选元器件，以确定制作清单；其次收集元器件数据手册，整理元器件数据信息，编写元器件命名及制作规范，提交相关厂所审阅；第三制作元器件零件模型，并按照相关规范检验元器件模型；第四在完成元器件模型数据库的制作后，对型号研制过程中产生和设计工作中运用到的可复用电路模型进行整理和统计，在确保可复用电路模型的正确性和完整性的基础上，按照规范进行封装，建立可复用电路模型数据库，再根据相关规范制作可复用电路模块的电路原理图符号等，并进行可靠性验证。最后，建立电子元器件仿真模型数据库。

4.集成物资、生产管理系统

通过基于EDA知识库的航天电子学设计管理系统设计平台与物资系统的数据集成接口，当物资系统中的数据发生变更时，知识库系统能够及时地自动更新模型的技术数据，确保设计用模型对应元器件数据的准确性，提高了设计效率和产品的可靠性。另外，生产管理系统根据系统设计平台的物料清单生成领料单，物资系统则根据该物料清单运行配料流程，最后根据领料单完成领料过程。可见，航天电子学设计管理系统与物资、生产管理系统的数据集成，有助于提高航天电子学产品整个研制流程的效率。

5.培训与推广应用

为了使管理人员、设计人员能更深入地认识基于EDA知识库的航天电子学设计管理系统的管理及应用思想，熟练掌握其中的技术环节，研究所进行了统一设计平台、设计模式应用和标准规范3个阶段的培训。在此基础上也对视频电子学室进行了EDA知识库的试点建设与应用，取得了良好的效果，进而开始在研究所总体室、管理电路电子学室和视频电路电子学室等多个部门进行应用，充分发挥了该系统在集成设计、协同设计方面的优势。

基于EDA知识库的航天电子学设计管理系统在研究所成功使用后，在空间技术研究院进行了推广运用。以研究所制作的基础数据库作为基础，采用院所分级管理和院所主服务器定时定期同步的管理模式，既保证了研究院知识库的统一性和标准性，又保留了各厂所的专业性，保护了各厂所的知识产权。

三、实施效果

基于EDA知识库的航天电子学设计管理系统在中国空间技术研究院的正式上线应用，实现了全院航天电子学产品的设计标准化，提高了全院的设计效率和设计能力。院属各厂所也积极成立了项目小组，大力推进EDA知识库的建设与应用，在所选型号的设计中都成功应用本系统，取得了积极的成效。对比使用前后，取得的实施效果主要有以下几个方面：

◆建立了统一的EDA知识库应用环境，加强了对基础数据库及设计规范、流程的管理，促进了协同设计和设计标准化，集成了物资、生产管理系统，提升了综合管理水平。

◆使用统一的元器件零件模型和可复用电路模型库，从根本上杜绝了数据制作调用错误，缩短了设计时间，提高了电路设计的可靠性、可继承性和可移植性，促进了产品化。

◆自动生成物资部门和生产部门需要的报表，避免出现报表填写错误、遗漏等问题，节省了设计人员的填写时间，提高了工作效率。

◆设计流程优化，设计人员直接调用仿真模型库进行原理图和PCB仿真，通过原理图仿真验证功能正确性，将设计错误控制在设计源头，降低了成本，提高了电路的性能指标及产品质量。

基于EDA知识库的航天电子学设计管理系统完全将设计人员从低层次的元器件模型设计中解放出来，使设计人员在设计电路时能站在更高的高度进行层次化和模块化设计，快速提升了航天电子学产品的研制能力。