舰载电子设备布线设计方法及其工程应用

摘 要：针对舰载电子设备布线所导致的电磁兼容问题，以及传统电子设备布线设计效率和布线施工效率低等问题，在介绍布线设计技术的基础上，提出了一种舰载电子设备布线设计的方法。在此基础上，给出了在没有进行三维布线设计的情况下，布线设计的替代方案——一种简化的布线设计方法。通过舰载电子设备布线设计，给出了解决电子设备电磁兼容问题的方法，提高了电子设备布线设计效率和布线施工效率。

关键词：模块化设计；零件化设计；区域化设计；虚拟样机

 

电子设备内部各功能模块之间需要相互通信，所敷设的电缆（线扎）电压不同、电流不同、频率不同，这些电缆的相互位置，以及走向都将对设备整体的电磁兼容性能产生影响。所以，必须对导线和电缆进行合理的分类、规划，必须对电缆和线扎进行合理、有效的空间布局设计。

1 传统的电气设计

传统电子设备的电气装配设计，通常只有一份接线图和接线表，不能体现电子设备电缆和线扎的电气性能和机械特征。接线图和接线表在布线设计方面很容易导致下面三种情况：

1）没有明确电缆电缆是由哪些导线组成的不明确，没有对电缆进行交流电缆、直流电缆、数字信号电缆、模拟信号电缆、高频电缆和高压电缆等

2）没有明确线扎线扎是由哪些电缆和导线组成的不明确，也没有对线扎进行交流线扎、直流线扎、数字信号线扎、模拟信号线扎、高频线扎和高压线扎等分类。

3）没有明确的布线设计电缆和线扎没有明确的电气设计，根本不可能进行电缆布线设计。

2 布线设计方法

由于电缆和线扎是属于机械电气类的产品，在处理设计问题时，必须兼有电气技术与机械技术两个专业的特点。电缆布线设计需要将电气技术、机械技术、制造技术的有关内容结合起来，综合考虑。电缆布线设计对工程师的要求比较高，工程师必须熟悉并灵活应用电气技术、机械技术、制造技术。

2.1 模块化设计

舰载电子设备布线的模块化设计，是根据电子设备导线的性质和设备的结构特点，对导线进行分类，确定哪些导线是一类，以及确定将哪些导线组合在一起，形成电缆；确定将哪些导线、电缆绑扎在一起，形成线扎。每一类导线，分成一个线扎或几个线扎，形成不同功能的布线模块。进行模块化设计，可以汇集不同设计人员的意见，设计人员之间可以相互借鉴，设计成果共享。

舰载电子设备的各类导线集中在设备内部，这些导线会互相干扰，影响整机的电气性能，甚至影响其它设备的整机性能。电缆和线扎模块化设计，应按导线信号的电压、电流、频率等类型分类捆扎，尽量防止线间耦合串扰，并考虑设备的可靠性和可维修性，考虑布线的美观性。

电缆和线扎的设计，强调的是导线之间的关系。控制台、控制柜类电子设备的电缆和线扎，一般可以分成下面几个模块：①交流电源线扎模块；②直流电源线扎模块；③地线（机壳地，信号地等）线扎模块；④操控模块线扎模块；⑤视频电缆线扎模块；⑥外部客户线扎模块；⑦模块间的线扎模块；⑧其它线扎模块。

电缆和线扎的设计，应尽量选择专业生产厂制造的电缆，避免工人手工制作电缆。电缆的选择不仅仅是电气性能的选择，还要着重考虑电缆的工艺性能、制造难度、过程检验、生产管理等。

对特殊要求的电缆，可以提出具体的技术参数，在专业电缆生产厂定制生产。专业生产厂有专用的生产设备和检测设备保障，并有成熟的生产工艺，能够满足不同的电气、电磁兼容等要求，符合相关标准[1]。

2.2 零件化设计

电缆和线扎的零件化设计，是把电缆和线扎作为一个机械类零件（或部件）考虑，使其具备机械类零件的特性。零件化设计，更多的是体现电缆和线扎的机械性能。电缆和线扎零件化设计的前提，是电缆和线扎的模块化设计。电缆和线扎没有分类模块化时，相互独立的导线无法进行零件化设计。

电缆和线扎的零件化设计，可以使电缆和线扎作为一个独立的零件（或部件）单独生产，可以提前预投产，也可以提前批量预投产。由于电缆和线扎具有电气和机械的双重特征，它的零件化不能完全等同于纯机械类零件。根据舰载电子设备的电气、结构特点，电缆和线扎作的零件化设计有多种形式，主要如下。

1）电缆和线扎，设计成可加工的成品类零件（或部件），零件（或部件）做好后直接进行电装，电装后不需要对电缆进行后续加工。

2）部分电缆和线扎，需要设计成半成品，按照机械类零件的生产方式，制作电缆和线扎的半成品。

3）适当采用成品电缆，对特殊要求的电缆，提出具体的技术要求，在专业电缆厂定制生产。

4）对电缆和线扎做为模块考虑，进行模块化生产，并做到同一模块间的可互换性、通用性、兼容性。

5）合理规划各个线扎类零部件的关系，避免不同线扎之间的相互干扰，影响线扎的互换性、通用性、兼容性。

2.3 区域化设计

在进行结构设计时，应根据电缆和线扎的电气特性，结合设备的结构特点，对设备内部进行布线区域的划分。同一布线区域内，只允许布置同类的电缆和线扎(允许不同线扎交叉)。布线区域的划分，应重点考虑各个区域内导线、电缆和线扎的特性，避免区域间电缆和线扎的相互干扰。

结构设计采取布线区域化设计，可以有效避免重复设计，提高设计效率。合理的布线区域设计，可以有效避免各个专业间沟通不畅造成的布线不合理现象，避免导线相互干扰造成的电磁兼容问题。

要完成电缆布线设计，必须做到电气设计、机械设计、制造技术的有效沟通，有效的沟通是布线设计的保障。各专业人员的沟通，应以文件和图纸的形式进行沟通，图纸和文件必须采用相同的标准。

2.3.1 布线区域化设计的全局考虑

线扎分布在设备内部。但区域化设计，不仅仅是设备内部布线的区域化，很重要的是设备内各个零部件的布线区域化设计。零部件的布线区域化设计，是电子设备电缆布线区域化的前提和保障。零部件的布线区域化设计，要根据电子设备的电气性能和设备结构特点综合考虑，不能脱离电子设备的总体要求，而单独进行布线区域化设计。

对于电子设备内部的零部件，其布线也应该进行完善的区域化设计。对控制台类电子设备的布线而言，零部件对设备布线产生直接影响的，是零部件上电连接器的布局。零部件设计时，应统一考虑其输入、输出电连接器的布局。

根据舰载电子设备的特点，零部件电连接器布局区域划分，与电缆和线扎的模块分类相类似，应该与线扎模块相匹配。

2.3.2 电子设备内部的布线区域设计

在电子设备结构设计上，应该突破传统的设计观念。考虑布明线、暗线、明线结合暗线方式的优劣，决定电缆布线的最佳设计方案[2,3]。例如：①设计布线空间；②设计布线通道；③设计布线槽；④设计布线支架；⑤设计布线凸台等等。

布线区域设计，应根据不同布线区域内电缆和线扎的直径、长度等参数，有针对性的设计专用布线通道、布线凸台、布线槽、布线支架、布线托架等。上述专用的布线设计，应考虑通用性，并尽量系列化、标准化。

舰载电子设备布线区域的划分如下。①交流线扎布线区；②直流线扎布线区；③地线线扎布线区；④视频线扎布线区；⑤操控模块线扎布线区；⑥外部客户线扎布线区；⑦模块间线扎布线区；⑧其它线扎布线区。

舰载电子设备布线的区域化设计，应该根据电子设备电气、结构的具体情况，综合考虑，避免僵化，限制了设计人员的创造力。设计过程中，应不断改进、完善，提高区域化设计的合理性。

2.4 通用化、系列化设计

除了上面提到的设计方法，舰载电子设备的线扎模块、线扎零部件、电缆布线区域，应尽量从标准化设计考虑，例如，通用化设计，系列化设计。由于电缆和线扎属于电气、机械类产品，电缆和线扎的标准化设计与纯机械类零件有很多不同，必须加强电磁兼容方面的考虑。设计人员必须具备相当的电气设计和电磁兼容设计的知识。通过上述方法进行布线设计，设计人员可以借鉴其它人的成果，避免重复设计，减少设计时间，减少布线施工时间。反映在设计文件内(接线图、接线表、线扎图、线扎空间布局图、端子接线图、端子接线表等)，就是设计文件的内容可以固定不变。

3 布线设计文件

根据舰载电子设备的具体情况，电子设备布线设计，需要的主要文件有如下几类。

3.1 接线图和接线表

接线图和接线表，主要是体现导线的接线关系，导线参数等，不完善的接线图和接线表，很难满足布线要求。接线图和接线表应进行必要的完善，针对不同的产品，考虑使用不同的接线图和接线表。主要文件有：单元接线图和接线表，互连接线图和互连接线表，端子接线图和端子接线表，等等。

3.2 线扎图

电缆和线扎的设计，应对所有的电缆和线扎进行拓朴描述，以便电缆空间布局设计能够利用这些拓扑描述，确定这些导线、电缆和线扎的最终性能要求。同时，工程师必须确定连接线的线径规格，估算每一根导线、电缆、线扎的直径和长度等。对于每一个电缆或线扎，工程师必须做出一个2 维的设计图，通常称作线扎图。线扎图一般按照主干线和分支线最多的平面内的线扎形状绘制，采用各种符号和向视图使之能够表达线扎的立体概念，同时标出线扎的必要数据。线扎图示例见图1。

3.3 线扎空间布局图

线扎的空间布局设计，需要根据电缆和线扎必要数据（如，线扎尺寸、线扎折弯角度、电缆长度、电缆直径、导线长度等），结合设备内部空间，进行线扎的合理布局，满足电气、电磁兼容设计的要求。线扎空间布局图，一般采用专业的三维机械设计软件设计。目前，比较流行的布线设计软件有I-DEAS、Pro/Engineer 和 UG[4]。

线扎空间布局图很重要的一项功能，是明确电缆和线扎的空间位置、布局。线扎空间布局图，应体现电缆、线扎的精确位置，电缆和线扎的相互位置关系，电连接器与紧固装置的具体位置，电缆和线扎的安装方式等。

4 解决布线导致的电磁兼容问题

在舰载电子设备的导线(电缆)选用、器件选择、接地设计、屏蔽设计、生产工艺等方面，满足电磁兼容设计要求的情况下，如果对设备进行了全面的布线设计，就可以使绝大部分设备，在出厂时，电磁兼容性能就达到设计要求，从而彻底解决由布线导致的电磁兼容问题。

通过布线设计解决电子设备电磁兼容问题的方法包括，①布线设计与电磁兼容实验；②完善布线设计模板；③ 参考模板的布线设计；④布线设计的普及。

布线设计的普及是一个质的飞跃，会使电子设备的电磁兼容水平上一个新的台阶[5]。5 提高电子设备的设计和施工效率

5.1 提高产品设计的效率

传统的电子设备布线，由于没有进行完善的布线设计，布线施工中，经常存在电缆和线扎的干扰问题，甚至布线走不通，不得不修改设计。电装后的部分电子设备，在调试过程中会遇到各种问题，特别是电磁兼容问题，有时需要改线，调整电缆布线等。工程师不得不花一定时间，放在解决布线导致的问题上。

电子设备布线设计，可以在设计阶段，就有效避免布线导致的线扎干涉问题，以及电磁兼容问题等系列问题。工程师可以共享布线的模块、零件、布线区域，避免重复设计。这可以有效提高设计质量，提高设计效率，大大减少布线施工的不确定因素。合理的布线区域化设计，可以使结构设计更有针对性，批量解决设计问题。

5.2 提高电装工序的施工效率

传统的电子设备设计，不能完全体现电缆和线扎的电气特征，更不能体现电缆和线扎的机械特征。传统的电装工作，必须在电子设备钳装工序全部完成后才能进行，工期很长。甚至出现电装工人等待钳装工序，而无事可作的“窝工”现象。要提高电装的工作效率，必须从设计、工艺、管理等多方面入手，来解决问题。

按照上述方法进行布线设计，并采取新工艺，加强生产管理，加强工人之间的协作，可以使从钳装工序完成到电装完成，这个电装工期大幅度缩短。电装工期缩短 30％是非常容易的，如果处理得当，电装工期的缩短远远大于50％。

提高电装效率的方法：

1）进行了布线模块化、零件化设计的电子设备，电缆和线扎作为独立的零件(或部件)单独生产，参照机械类零件的方式加工生产，或批量预投产。

2）接线图和接线表的改进，线扎图、线扎空间布局图、端子接线图、端子接线表等新技术文件的普及，可以有效减少电装工序的加工时间。

3）适当采用成品电缆，适当采用在专业电缆厂定制生产的方式，尽量减少工人手工制作电缆和线扎的数量。

4）电装的线扎制作工步，与电子设备的机械加工(或钳装)工序并行。协调工种之间的关系，保证线扎的制作在钳装完工之前完成，或与钳装同时完成。制作好的线扎，按照机械类零件的模式直接安装到设备内部。

5）根据布线设计，进行电缆和线扎的模块化生产，并做到同一模块间的可互换性、通用性。

6）电装工序采用流水化作业，不同工人按工步施工，强化工艺施工的分工协作[6]。

6 布线设计的替代方案

电子设备布线设计替代方案的基本思想是：在没有进行三维电缆布线设计的情况下，布线采用简化的设计方法。设计内容主要在接线图、接线表和端子接线表中部分体现，采取必要的方法，替代其它的设计文件，就可以基本实现布线设计的功能。本布线设计的替代方案，也是真正布线设计的前期工作，是布线设计的基础。

1）模块化、零件化、区域化设计按照上述布线设计方法进行模块化、零件化设计，形成不同功能的布线模块、线扎零件、线扎部件。在此基础上，对电子设备进行区域化设计，设计布线区域。

2）布线设计文件的替代经过完善的接线表，是必需的文件，这部分工作必须进行，同时，编制一份简化的端子接线表。线扎图用布线简图配合布线施工的数码照片、数码摄像替代。线扎空间布局图用布线施工的数码照片和数码摄像替代。数码照片和数码摄像，应进行编辑，标注线扎号、固定点、安装方式等数据。

7 结论

针对舰载电子设备布线导致电磁兼容问题、电缆布线干涉问题，以及布线设计、施工效率低等问题，本文给出了舰载电子设备布线设计的方法。本方法可以在设计阶段，就有效避免上述问题，工程师可以共享电缆布线的模块、零件、布线区域。这种布线设计方法，可以避免重复设计，提高设计质量，提高电磁兼容性能，提高布线设计和布线施工的效率，有效减少电缆布线施工的不确定因素。

 

参考文献：

[1] Solymar, L. (Laszlo)．Electrical properties of materials/ L. Solymar and D. Walsh[M]. Oxford UniversityPress, 2004.

[2] 郝文化．网络综合布线设计与案例[M]．北京:电子工业出版社, 2005.

[3] 程控．综合布线系统工程[M]．北京:清华大学出版社, 2005.

[4] 丁岩．新一代的CATIAV5[J].CAD/CAM 与制造业信息化, 2003, (4):72-76.

[5] 钱振宇．电磁兼容技术[M]．北京:同济大学出版社，2005.

[6] 张建明．光电设备电子机柜布线工艺研究[J].电子工艺技术,2003,(2):32-35.