基于三维实体的系统布线应用研究

冯守庆， 徐宁波， 肖剑锋

（中国电子科技集团公司第二十九研究所，成都610036）

1 引言

Pro/E的Cabling三维布线模块具有操作简捷、自动布线及布线调整效率高的特点，近年已在很多企业的模块、分机类单元设备的“导线”布线方面进行了应用，技术已比较成熟。而在由众多单元设备集成而成的上一级系统级产品中，设备之间的电气互联一般不直接用“导线”，而以“导线束”（系统电缆）为主，因此在系统级产品的三维布线中我们更关注的是“导线束”而不是“导线”的相关信息。

如何将Pro/E三维布线模块的“导线”布线方法进行相应的转变而应用在系统级产品的“导线束”布线上，从而实现系统工艺设计与结构/电气设计并行进而提高设计质量及效率？

本文以某系统电子产品—X产品的三维布线为例，阐述了我们在系统级产品三维布线方面探索使用的一种布线转化方法，探讨基于三维实体的系统布线应用的可行性以及布线产出的效果。

2 X产品的布线特点

X产品由几十个分机、天线等单元设备系统集成在某一车载平台上，从三维布线应用的角度来看，具有单元设备数量多、相互之间的互联电缆数量大、信号互联关系复杂的特点。

根据Pro/E布线模块的应用特点，布线主要依托导线数据、接线关系表、器件端子以及布线路径的设置。而在系统类产品中，布线所需的“导线”信息是“系统电缆”的信息，“器件”接线端子是“单元设备”的连接器，因此，若要在系统类产品中应用三维布线，需要解决“系统电缆”向“导线”的转化，“单元设备”向“器件”的转化。

3 布线过程

3.1 布线基本流程

基于Pro/E的Cabling模块的布线流程如图1。

图1 布线流程简图

首先是三维模型结构树的二次工艺设计及预设导线参数、接线关系及布线环境，然后制定合理的布线路径，经软件自动布线及手动调整后提取所需的参数，并将模型或导线信息进行完善。

3.2 布线模型的二次设计

X产品的初始三维模型是基于Pro/E的Top-down的设计方法进行设计的，其中使用了大量的模型简化及复制处理等手段，架构层次较多。为了进行系统级三维布线，需要将模型树进行二次设计，将其中直接参与系统布线的“单元设备”简化成“器件”。具体做法是：通过重构手段将所有参与系统布线的单元设备统一构建到同一父节点下，并将每个单元设备的电连接器作为一个器件端子建立端子坐标；同时进行模型简化，保留布线相关的设备外形、装配位置、连接器等信息，忽略其它特征。

3.3 电缆的表达思路

X产品中的系统电缆包含端到端的单根电缆和一端到多端的分叉电缆，针对Pro/E布线模块的应用要求，需要将“系统电缆”向“导线”转化，经过分析，采用以下简化方法：对于单根电缆，直接将其简化为一根已知参数的“导线”进行处理；对于分叉电缆，将其简化为若干导线的组合。

3.4 电缆参数的预设

（1）线缆数据库。首先应建立电缆参数库，将即将使用的系统电缆的外径、颜色、允许的最小折弯半径等数据建立电缆数据库供后续调用。由于系统电缆是“导线”的集合，因此系统电缆的外径信息需根据其包含的导线的外径及数量进行计算结合模拟方式确定。

（2）系统接线关系。将系统的接线关系表通过定置的Pro/E转换程序转换成逻辑关系文件（.output），文件包含位号与单元设备的对应关系以及电缆各端的连接关系、电缆的线型信息。

3.5 布线路径的设置

布线路径是由布线设计人员确定的系统电缆敷设的主通路，通过规划路径通过的节点及节点之间的走线方式来确定，如图2。

3.6 自动布线后的调整

图2 布线主路径(隐藏了单元设备)

布线路径设置完成后即可导入逻辑关系文件进行自动布线，其布线原理是：接线端子搜索最近的布线路径网络通过点，并通过布线路径走线。但有时候网络通过点的设置不能兼顾周围的所有电缆端头时，自动布线会出错或布出走线不理想的线。若出现此种情况，可通过调整布线网络或手动设置特定导线的走线路径等方式进行调整。布线完成后如图3、图4。

图3 自动布线后布线路径

图4 布线提取图

4 系统布线的产出

4.1 电缆参数信息

表1 电缆信息提取表

布线完成后可在二维图环境下通过定置输出电缆的接线关系、电缆种类，并可自动提取电缆的长度信息，用于完善设计图纸和指导生产。X产品输出的部分电缆信息如表1。

4.2 电缆展平图

将所有系统电缆按 1∶1 的比例进行展平，可得到展平图，进而生成钉板图，可应用于系统电缆网络的绑扎组合，并据此进行系统电缆的提前投产，缩短整个生产周期。电缆展平后如图5。

图5 电缆展平图

4.3 确定走线路径与系统骨架的位置关系

在提取电缆特性参数及制作钉板图之外，还可以通过测量定位等手段确定布线路径上的节点在系统骨架中的位置信息，通过提取此信息并反馈给结构设计，以辅助进行电缆固定装置的设置，如图6。

图6 走线路径点的位置尺寸

4.4 便于方案优化

X产品中供电设备负责向多个功能设备供电，按照原设计方案，需要多根供电电缆，每根电缆在供电设备面板上都需要设置一个输出口，这样造成供电设备面板上的插座很多，分布密集。考虑到可能还要在面板上布置一些开关等器件，其面板上的空间会不足。

通过三维布线分析，我们将电源电缆根据负载及使用特性进行了分组。并建议将其中5根电源电缆合并成1根分叉电缆，在供电设备端用1个芯数较多的插座输出，在走线过程中分叉，输入到5个功能设备。这样减少了供电设备面板上的插座数量，实现了设计方案的优化。分叉电源电缆如图7、图8。

图7 分叉电源电缆

图8 分叉电缆展平图

4.5 产出物综述

用Pro/E布线模块进行系统三维布线前需进行预设的参数及环境有：电缆外径、颜色、最小折弯半径、接线关系、单元设备位号、走线的主路径；布线完成后可提取的数据除上述预设的外，还可以提取实际走线路径、电缆的长度、分叉电缆的每个分叉点及分叉段的尺寸信息、电缆展平图等。其中电缆的长度尺寸可反馈在电缆设计图上，对后续的电缆生产进行指导；电缆展平图或钉板图用于系统电缆的绑扎及并行制造方面；走线路径信息的提取便于进行结构设计的优化。

5 相对二维设计的优势

（1）设计更精确。现在基于二维软件的系统电缆设计，其长度的确定是在结构尺寸要素的基础上加上经验值人工估算的。为了确保电缆不会短，其设计余量较大，且电缆大部分需要在系统装配时配加工，这样对生产成本及生产周期都会有影响。

基于实体的系统三维电缆布线，考虑了更多电缆自身的信息，如直径、最小折弯半径等，三维的实体模型较精确，空间感更好，这样计算出的电缆长度更精确。特别是在分叉电缆的设计上，优势更加明显，设计中可以对分叉节点进行精确定位，这样的设计更准确。

（2）设计效率更高。电缆信息确定后，通过设置布线路径，可以实施自动布线。自动布线完成后，经过少量调整，软件就可以准确计算出电缆长度等信息。这样就减少了人工计算的工作量，特别适合系统电缆数量较多的情况。

（3）便于设计更改。由于软件的三维实体和二维图是关联的，因此若更改了电缆三维模型的某些信息，电缆长度、工序图等图纸可以进行同步关联更改。

（4）方便进行方案优化。在三维虚拟环境中，评估、优化和修改设计方案是比较便利的。这对于我们优化结构设计及设备布局都非常便利。

6 结论

通过应用系统三维布线技术，可以使得系统电缆的设计更加精确；可以提供电缆布线路径与系统骨架之间的精确位置信息，从而优化结构设计；可以进行方案的评估及优化等。总之，应用基于三维实体的系统布线技术可以高效地进行系统工艺设计及辅助进行系统结构/电气设计。

［1］ 曹永新.机载电子设备机柜布线工艺设计［J］.现代电子技术，2003（23）：25－27.

［2］ 许小明.舰载电子设备电缆布线设计［J］.情报指挥系统控制与仿真技术，2004（1）：59-64.