自動化技術在電子信息工程設計中的應用探析

李可昕，張麗英

黑龍江工商學院 信息與機電工程學院，黑龍江哈爾濱，150025

0 引言

在新一輪科技革命和產業變革的背景下，電子信息工程設計領域面臨著新的機遇。如何通過自動化技術實現工藝優化、設備升級和智能化管理，已經成為電子信息工程設計領域需要探究和解決的重要問題。本文對自動化技術在電子信息工程設計中的應用進行深入研究和探討，以期為電子信息工程設計領域的發展提供有益的參考和借鑒。

1 自動化技術的概念及其作用

1.1 自動化技術的概念

自動化技術是指利用先進計算機、傳感器、控制器等設備和技術手段，將各種物理和信息變量進行調節和控制，實現對生產過程或工業設備的自動化操作和控制。簡單來說，自動化技術就是通過自動化設備和技術手段實現生產過程中的自動化控制和監測。自動化技術的基本原理是將人工智能和機器智能相結合，使機器能夠自行完成某些任務，并能自主地調整和改進工作方式。自動化技術可以提高生產效率、降低人力成本、提高產品質量和可靠性，發揮著越來越重要的作用[1]。

1.2 自動化技術的作用

在芯片制造過程中，自動化技術可以協助實現自動處理工藝，減少人工干預，提高芯片質量和生產效率。在電路板制造過程中，自動化技術可以實現自動化印刷、貼裝、焊接等操作，使生產效率得到大幅提高，同時還可減少生產過程中的誤操作和差錯發生，提高產品質量和可靠性。

在芯片設計過程中，自動化技術可以通過自動化布圖和邏輯綜合等具體操作，實現快速、精確和高效的芯片設計。同時，在電路板設計過程中，自動化技術也可以通過電路板布線自動化和可視化設計等具體操作，提高設計效率和質量。

在電路板組裝過程中，自動化技術可以實現自動化插件、焊接和質檢操作，從而提升產品質量和生產效率。在測試驗證過程中，則可以利用自動化技術實現測試環境、測試程序和測試設備的自動化控制和管理，從而提高測試效率和測試準確性。

2 自動化技術在電子信息工程設計中的應用

2.1 電子信息工程設計的自動化

在現代電子信息工程領域中，電子信息工程設計的自動化已經成為實現高效生產和質量保障的關鍵技術之一。利用自動化技術，可以大大提高電子信息工程設計的效率和精度，達到更高的產品品質和可靠性。

2.1.1 電路板自動化設計

電路板是電子設備的重要組成部分，其設計和生產對于整個產品的質量和生產效率具有重要影響。自動化技術在電路板設計領域中的應用較為廣泛，包括電路板自動化布局設計、電路板自動化布線等方面。

（1）電路板自動化布局設計

傳統的電路板布局設計方法取決于設計工程師的人工經驗和設計思路，這種方法往往需要耗費大量時間、人力及物力成本，并且容易出現布局不規范、布線混亂等問題。因此，自動化電路板布局設計方法得到了廣泛的應用和研究。目前，基于自動化算法的電路板布局設計方法主要有兩種：一種是模擬退火算法（SA）；另一種是遺傳算法（GA）[2]。其中，遺傳算法是一種優化搜索方法，其指導思想是利用進化論的基本原理，通過遺傳操作和隨機變異等來實現電路板布局優化。以某電路板為例，本研究比較了傳統手工布局設計和遺傳算法自動化布局設計的性能差異，結果如表1所示，可以看出，遺傳算法自動化布局設計相較于傳統的手工布局設計具有更高的成功率和優秀的布局效果。

表1 傳統手工布局設計和遺傳算法自動化布局設計的性能差異

（2）電路板自動化布線

目前在電路板自動化布線方面主要有兩種方法，分別是基于規則和約束的方式和基于優化算法的方式。其中，基于規則和約束的方式是較為成熟和常用的一種方法，它利用計算機實現電路板布線規則和約束的自動化推斷和求解。而基于優化算法的方法則主要考慮如何通過優化算法求解出最優的電路板布線結果。下面以某電路板的布線任務為例，比較了傳統手工布線和自動化電路板布線的效果，實驗結果如表2所示，可以看出，自動化電路板布線相較于傳統的手工布線具有更短的布線時間、更低的錯誤率和更優秀的信號完整性。

表2 傳統手工布線和自動化電路板布線的效果

2.1.2 芯片自動化設計

芯片是電子產品的重要組成部分之一，其設計質量和生產效率對整個產品的性能和可靠性都具有重要的影響。自動化芯片設計技術可以實現芯片的快速、精確、高效設計，并且保證芯片設計質量。

（1）芯片邏輯綜合

芯片邏輯綜合是芯片設計過程中的重要環節之一，它將芯片的功能需求轉換為邏輯電路描述，并生成可行的芯片實現方案。邏輯綜合的主要目標是實現芯片功能的優化。目前，芯片邏輯綜合中主要采用了基于啟發式算法的方法來解決問題。該方法通過建立邏輯綜合模型，使用搜索算法進行求解?，F代芯片設計中采用較為廣泛的是二叉樹約束搜索（BDD）和啟發式優化搜索（HOS）兩種方法。

（2）芯片布圖

芯片布圖是芯片設計的關鍵環節之一，它把邏輯綜合階段生成的電路實現方案轉換為元件布局方案，并完成電氣規則檢查和設計規則檢查等工作。自動化芯片布圖技術可通過計算機自動化處理實現芯片布圖任務，提高芯片設計效率和可靠性。目前，芯片布圖的主要方法有兩種：一種是基于自動化布圖算法的方法；另一種是基于手工布圖和自動布圖相結合的方法。下面以某芯片設計過程為例，比較了傳統手工設計和自動化芯片設計的性能差異，結果如表3所示，可以看出，自動化芯片設計相較于傳統的手工設計具有更短的布局時間、更低的錯誤率和更高的時鐘頻率性能。

表3 傳統手工設計和自動化芯片設計的性能差異

2.2 在計算機輔助制造過程中的應用

計算機輔助制造技術已經成為現代電子產品制造中不可或缺的重要技術。利用計算機輔助制造技術，可以大大提高生產效率和質量，減少物料浪費和人力資源投入。

2.2.1 SMT貼片制造

表面貼裝技術（SMT）是一種現代電子元器件安裝技術，其主要優勢在于尺寸小、性能穩定、資源消耗低等。SMT貼片制造是電子產品制造的重要組成部分，如何提高SMT貼片制造的效率和質量，成為當前研究的熱點問題之一。

（1）自動化SMT貼片生產線

自動化SMT貼片生產線采用現代高速精密設備，通過流水線生產方式，實現了電子元器件的高效貼裝，從而提高了SMT貼片制造的生產效率和質量。該生產線一般包括進料機、貼片機、回焊爐等設備，其中最關鍵的是貼片機。當前市面上主要采用兩種SMT自動化貼片機：一種是基于視覺識別技術的貼片機，另一種則是基于激光識別技術的貼片機。這兩種貼片機均可通過計算機控制實現元器件的快速準確貼裝。

（2）SMT生產流程優化

為保證系統每次能夠正常啟動不報錯，在每次開機啟動的時候需要先對系統進行清零復位[3]。整個PLC程序分成上電初始化、上下料機構位置確立、自動上料、自動蓋章、自動下料、輸出線圈控制、調用報警ALM控制7個部分。 控制系統主程序如圖3。

SMT貼片制造的生產流程復雜，包括元器件的進料、印刷貼片、回焊等多個環節。如何對SMT生產流程進行優化，提高生產效率和質量，成為一個亟待解決的問題。目前，AI技術在SMT生產流程優化中得到了廣泛的應用。例如，采用深度學習算法對SMT生產線中出現的錯誤元器件進行檢測和糾正；利用強化學習算法分析當前生產狀態，優化生產規劃和策略等。這些方法有效地提高了SMT貼片制造的生產效率和質量，并且具有廣闊的發展前景。

2.2.2 數控機床加工

數控機床是一種通過計算機程序控制進行加工的機床，具有高精度、高效率、低成本等優點。數控機床廣泛應用于電子元器件（如IC芯片）的加工過程中，能夠提高產品質量和生產效率。

（1）數控編程

數控編程是數控機床加工的一項重要環節，它通過計算機程序控制機床進行材料加工。數控編程需要工程師對機床的加工流程、刀具路徑、加工深度等參數進行精確控制，從而保證加工的精度和質量。目前，數控編程主要采用了計算機輔助編程技術，即通過自動化軟件實現數控編程。這種方法可以大幅度縮短編程時間，提高編程效率，并且避免了人為因素帶來的誤差。

（2）數控仿真

數控仿真是指在計算機上對數控機床進行模擬和測試，以驗證數控編程的正確性和可行性。通過數控仿真，可以有效減少機床的閑置時間，提高生產效率。目前，數控仿真主要采用了虛擬樣機技術[3]。虛擬樣機是數控加工過程中的一種模擬系統，它通過建立機床的三維模型，實現加工模擬和驗證。虛擬樣機具有操作簡便、成本低廉等優點，并且能夠快速反饋加工結果，為數控編程提供良好的支持。

2.3 在辦公管理過程中使用自動化技術

自動化技術在電子信息工程設計中不僅可以應用于產品設計和制造，還能夠優化企業內部的辦公管理流程[4]。

2.3.1 文檔管理

（1）文檔自動歸檔

通過文檔自動歸檔技術，可以將公司內部文檔進行快速準確的歸檔和管理。該技術采用OCR光學字符識別技術，將文檔內容識別并分類存儲。經過這種文檔管理方式，企業可以更加高效地查找、管理和分享文檔。

（2）云端文檔管理

云端文檔管理是指將公司內部文檔存儲在云服務器上，實現跨區域、多設備、多人同時訪問和編輯。云端文檔管理具有存儲空間大、便于管理和共享等優點，并且可以避免由于本地存儲設備損壞或丟失帶來的數據損失。

2.3.2 項目管理

電子信息工程設計中的項目管理涉及項目規劃、進度管理、資源分配等多個環節。如何高效地管理和協同開展這些項目，是電子信息工程企業需要解決的問題。

（1）項目管理軟件

通過使用專業的項目管理軟件，可以實現對項目的全面管理和監控。這些軟件能夠提供協作平臺、任務分配、進度跟蹤、資源調度等功能，從而幫助企業高效地完成項目管理和協同工作。

（2）AI輔助決策

在項目管理過程中，往往需要進行大量的數據分析和決策支持。利用AI技術，可以幫助企業快速準確地分析項目數據，并提供決策支持，從而優化項目管理流程[5]。

3 結語

本文介紹了自動化技術在電子信息工程設計中的應用，對產品設計、制造及辦公管理過程進行了詳細的闡述和分析。自動化技術在電子信息工程設計中的應用仍存在諸多待解決的問題。如在產品設計方面，怎樣結合AI技術實現更加智能化的設計和創新；在產品制造方面，如何提高自動化設備的精度和可靠性等等。因此，未來需要繼續進行深入的研究和探索，推動自動化技術在電子信息工程設計中的應用不斷向前發展。