一体化设计应对MCAD-ECAD协同设计挑战

　　在当今全球市场中，设计人员受分立设计原则的过时思想所困扰。他们只想设计能够在竞争中胜出的优秀产品，而且他们只想获得一种简单易用、使自己能够专著于产品智能设计的解决方案。

　　在更短时间内开发出新一代电子产品的压力，使设计人员不得不重新审慎评估从概念到制造的整个产品开发过程。在电子技术不断发展的推动下，生产能在市场中带来竞争优势的更小型、更智能、连接性更强的产品意味着现在需要整体权衡产品设计过程的每一个部分。

　　让产品区别于竞争对手的机械与电子设计特性，过去一直被认为先是各自为政，然后被迫作为一个整体产品协同运行。正是这些元素融合在一起的特殊性创造出当今独特的互连产品。但这带来一个问题，即如何将产品融合在一起以提供独特优势。

　　现在需要从更广的角度看待设计过程，这需要跨越所有设计学科，让所有元素都能协同工作。产品开发过程中日益重要的一个要求是电子设计ECAD与机械设计的动态交互。特别是对尺寸更小、功能性更强的产品套件的持续需求，迫使二者不得不紧密地联系在一起，无论是物理层面还是就其开发而言。

　　电路板组装目前一般会容纳所有外部硬件设备，如连接器、键盘以及显示器等，而产品的外壳组装让这些设备展现在用户面前。这种物理接口也为内藏的产品设计智能地与用户见面提供了机会。

　　这两个领域息息相关。长久以来，电子产品的外壳设计一直都是满足所容纳电子组件的物理特性要求。如今，产品的电子设计与机械设计之间的关系正在朝相反的方向发展，即电子组件的设计现在需要在实体上迎合目标外壳形式(图1)。这是因为当今具有竞争力的产品(这些产品因其或卓越不凡，或极富吸引力，或让人耳目一新而各不相同)在更大程度上取决于用户体验，而用户体验最易受产品外形与功能的影响。用户体验的好坏取决于美学、人体工程学和功能表现等要素，而这些要素取决于产品的机械设计与电气设计。

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

　　与为满足日益增长的需求而不断发展的其他工程过程一样，我们需要从更高层面审视这些过程提供的预期结果。事实上，现有解决方案试图利用旨在把过程融合在一起的繁杂文件格式和应用来消除MCAD-ECAD隔阂。但从过程角度来看，基本的需求是设计和规划两个域中正确的尺寸对象，以使整体设计按照预期理想地结合为一体。因此，主要任务其实是间隙检验，或者说是"材料配合"。这部分任务一般在MCAD环境中进行，首先将PCB的3D数据导入MCAD设计，然后由该环境下的冲突检测决定配合是否成功，必要时则将主板修改数据发回给ECAD域。

　　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。

　　上述方案可显著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，开发出具有显著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。