翟其建

摘 要：為了解決基于CompactPCI的計(jì)算機(jī)無(wú)法適應(yīng)惡劣環(huán)境的問題，提出了基于CompactPCI的抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)方法。該方法中包括基于CompactPCI的抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)過(guò)程。該方法通過(guò)電氣設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)等多種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的抗惡劣環(huán)境效果，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中采用仿真、測(cè)試等多種手段對(duì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，從而保證了設(shè)計(jì)的正確性。該方法已經(jīng)投入應(yīng)用，在應(yīng)用過(guò)程中取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：CompactPCI； 抗惡劣環(huán)境； 計(jì)算機(jī)； 熱設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TN876-34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2011)09-0156-04

Design of Anti-harsh Environment Computer Based on CompactPCI

ZHAI Qi-jian

(Jiangsu Automation Research Insititute,Lianyungang 222006,China)

Abstract： In order to solve the problem that CompactPCI-based computer is not adapted to harsh environment,a design method of anti-harsh environment computer based on CompactPCI is proposed. The method includes the design ideas and implementation process of anti-harsh environment computer based on CompactPCI. Electrical design,thermal design and electromagnetic compatibility design are used in this method to implement anti-harsh environment effect of the computer. The design data was verified by simulation,test and other measures during the design. Therefore,the correctness of the design is guaranteed. The method has been put into use and obtains good results.

Keywords： CompactPCI; anti-harsh environment; computer; thermal design

0 引 言

基于CompactPCI的計(jì)算機(jī)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，是在某些對(duì)環(huán)境適應(yīng)性要求比較高的領(lǐng)域，為了保證計(jì)算機(jī)性能的穩(wěn)定發(fā)揮，需要針對(duì)這些計(jì)算機(jī)進(jìn)行抗惡劣環(huán)境設(shè)計(jì)。

基于CompactPCI的抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)主要包括幾個(gè)方面：電氣設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、抗振性設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)等多個(gè)。在設(shè)計(jì)中除了包含以上的設(shè)計(jì)內(nèi)容外還需要考慮溫度適應(yīng)性和可靠性。文中以一種通用的CompactPCI抗惡劣計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程為例，對(duì)該計(jì)算機(jī)的主要設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了介紹琜1]。

1 計(jì)算機(jī)組成原理

在本文中基于CompactPCI的抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于制定一個(gè)通用的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。如圖1所示的基于CompactPCI的抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)，該系統(tǒng)是在參考了CompactPCI規(guī)范和國(guó)外成熟產(chǎn)品的基礎(chǔ)上提出的一個(gè)系統(tǒng)集成方案。系統(tǒng)由幾種典型模塊組成，組成模塊的功能可以根據(jù)實(shí)際的需要進(jìn)行拆分、組合。

主模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)系統(tǒng)總線的初始化以及數(shù)據(jù)處理任務(wù)，從主模塊引出的PCI總線可以直接連接各種CompactPCI外設(shè)模塊如輸入/輸出(以下簡(jiǎn)稱IO)模塊。IO模塊板基于PCI總線接口，這種模塊的數(shù)據(jù)吞吐速率快，可以適用于需要大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)膱?chǎng)合。CompactPCI背板提供各個(gè)模塊之間連接的通道。

圖1 基于CompactPCI的抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)組成原理框圖

2 計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

如圖2所示，抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)采用密封式加固設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)的組成模塊通過(guò)兩側(cè)鎖緊裝置將蓋板緊貼機(jī)箱壁,采用傳導(dǎo)散熱與強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行散熱。這樣既可以保證在振動(dòng)環(huán)境下物理連接的穩(wěn)固性，也可以達(dá)到散熱效果。

圖2 基于CompactPCI的抗惡劣環(huán)境

計(jì)算機(jī)機(jī)箱外形圖

2.1 電氣設(shè)計(jì)

基于CompactPCI的抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)的電氣設(shè)計(jì)主要包括主計(jì)算機(jī)模塊設(shè)計(jì)、電源模塊設(shè)計(jì)、組成外設(shè)模塊設(shè)計(jì)等方面。由于計(jì)算機(jī)的溫度適應(yīng)性也是提高環(huán)境適應(yīng)性的重要方面。為了保證計(jì)算機(jī)的低溫性能，在進(jìn)行電氣設(shè)計(jì)時(shí)，需要選擇低溫性能好的組成模塊或元器件，如電池等在選型時(shí)應(yīng)該充分地考慮溫度適應(yīng)性。為了保證計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的可靠性，集成電路、分立元器件、接插件應(yīng)選用工業(yè)級(jí)或工業(yè)級(jí)以上的產(chǎn)品。

2.1.1 主計(jì)算機(jī)模塊的實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)小體積高性能的抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)主模塊設(shè)計(jì)，需要選擇使用工作功耗和待機(jī)功耗低的處理器以及配套芯片組，如Intel公司的低功耗x86處理器或飛思卡爾公司的PowerPC系列處理器，同時(shí)可根據(jù)需要自行設(shè)計(jì)外圍電路，因?yàn)槭艿娇臻g的限制，外圍電路滿足使用需要即可，不需要將所有的功能都集成。

2.1.2 電源模塊的實(shí)現(xiàn)

抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)的電源要求體積小、重量輕、功耗小。同時(shí)，電源采用模塊化的設(shè)計(jì)，以方便進(jìn)行替換插拔。

2.1.3 CompactPCI外設(shè)模塊實(shí)現(xiàn)技術(shù)

抗惡劣環(huán)境CompactPCI外設(shè)模塊電氣設(shè)計(jì)在一般要求的基礎(chǔ)上，主要需要考慮模塊的可靠性、高低溫工作性能、模塊的IO設(shè)計(jì)方式。模塊的可靠性、高低溫工作性能主要從設(shè)計(jì)方法和器件選型方面入手。由于抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)一般采用全封閉的設(shè)計(jì)，因此一般不采用前出線的方式，模塊的IO信號(hào)由與背板相連的接插件引出。

2.2 熱設(shè)計(jì)

熱設(shè)計(jì)方面，第一步是進(jìn)行傳熱及流動(dòng)阻力理論設(shè)計(jì)計(jì)算，在第一步完成后使用仿真軟件對(duì)密封機(jī)箱散熱系統(tǒng)進(jìn)行了分析，分析條件參照一些相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的高溫試驗(yàn)條件。通過(guò)仿真分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)的換熱能力，論證了設(shè)計(jì)的合理性，驗(yàn)證了系統(tǒng)理論計(jì)算輸出數(shù)據(jù)的可靠性。

2.2.1 熱設(shè)計(jì)分析

抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)的熱設(shè)計(jì)，首先從確定冷卻方法開始，要有效地控制元器件或設(shè)備的溫度，需要確定它們的發(fā)熱量、與散熱有關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸、工作環(huán)境及其他特殊要求。在對(duì)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，基本上采用了可靠性高、成本低、不需要外部驅(qū)動(dòng)裝置的自然冷卻法。

傳熱的三種基本形式包括傳導(dǎo)換熱、對(duì)流換熱和輻射換熱。

傳導(dǎo)換熱又稱熱傳導(dǎo),基本定律是傅里葉定律,具體如下:

φ=－λ鄲唱鄲

(1)

式中:λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)(單位：W/m?K);φ為熱流密度(單位：W/m2)。

對(duì)流換熱是指固體的表面與它周圍接觸的流體之間,由于存在溫差而引起的熱量的交換。對(duì)流換熱可以分為兩類:自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流。對(duì)流換熱用牛頓冷卻方程來(lái)描述:

φ=hA(Tw－Tf)

(2)

式中:h為對(duì)流換熱系數(shù)(單位：W/m2?K);A為固體壁面換熱面積(單位：m2);Tw為固體表面的溫度(單位：K);Tf為周圍流體的溫度(單位：K)。

輻射換熱指物體發(fā)射電磁能,并被其他物體吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬臒崃拷粨Q過(guò)程。在工程中通?？紤]兩個(gè)或兩個(gè)以上物體之間的輻射,系統(tǒng)中每個(gè)物體同時(shí)輻射并吸收熱量。它們之間的凈輻射換熱量傳遞可以用斯蒂芬-玻爾茲曼定律來(lái)計(jì)算:

φ=εσA1F12(T41－T42)

(3)

式中:ε為發(fā)射率；σ為斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)(單位：W/m2?K4)；A1為輻射面1的面積(單位：m2)，F(xiàn)12為1表面對(duì)2表面的角系數(shù)；T1，T2為輻射面1，2表面的絕對(duì)溫度(單位：K)琜2-3]。

本設(shè)計(jì)采用的主要散熱方式是外部采用對(duì)流散熱方式，內(nèi)部以傳導(dǎo)換熱為主，輻射換熱為輔，通過(guò)熱分析研究整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)對(duì)機(jī)箱內(nèi)部的平均工作溫度的影響同時(shí)完成循環(huán)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算，確定外部熱交換技術(shù)參數(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)方案。

通過(guò)仿真與實(shí)物測(cè)試的數(shù)據(jù)分析得到抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)熱量傳遞的路徑如圖3所示，整個(gè)系統(tǒng)的熱阻主線分布成串聯(lián)狀態(tài)。其中發(fā)熱器件到蓋板的傳遞熱阻比重大，這個(gè)方面主要是與加工精度及導(dǎo)熱間隙填料傳導(dǎo)率有關(guān)，其中間隙填料傳導(dǎo)系數(shù)低所占的比重比較大，另外電子元器件的設(shè)計(jì)日趨微型化使換熱面積減小，熱量密集度過(guò)高且不易傳遞也是重要的因素。目前國(guó)內(nèi)外導(dǎo)熱間隙填料基礎(chǔ)研究都存在局限性，已知的最好導(dǎo)熱材料導(dǎo)熱系數(shù)僅為10左右，但是這些材料的成本過(guò)高，而常用的材料的導(dǎo)熱系數(shù)均停留在10以下，所以受基礎(chǔ)材料研究的影響，提高導(dǎo)熱材料導(dǎo)熱率來(lái)改善傳導(dǎo)效率，改善空間很小。通過(guò)改善其他串聯(lián)熱端的熱傳遞速度成為熱控制技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。

圖3 抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)熱量傳遞路徑

針對(duì)常用的抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)定位二個(gè)影響熱傳遞的薄弱環(huán)節(jié)，模塊與機(jī)箱熱量之間傳遞不利；不同的風(fēng)機(jī)對(duì)機(jī)箱的溫度影響很大。

因此最終結(jié)論為：盡量減少熱量傳遞環(huán)節(jié)；提高導(dǎo)熱材料的傳導(dǎo)率；合理對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行選型和布放。

2.2.2 熱設(shè)計(jì)仿真

使用Icepak,Ansys等專業(yè)仿真分析軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)的前端仿真設(shè)計(jì)，整個(gè)仿真結(jié)論為設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，對(duì)局部設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算，提高了設(shè)計(jì)的可靠性。仿真的效果圖見圖4，根據(jù)仿真的結(jié)果可以直接進(jìn)行參數(shù)的反饋修改。

圖4 抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)熱仿真的效果圖

2.3 機(jī)箱的抗振性設(shè)計(jì)

在初步設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)機(jī)箱結(jié)構(gòu)形式上，可采用仿真軟件(如Ansys軟件)進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力前端仿真分析，通過(guò)分析找出了箱體的強(qiáng)度設(shè)計(jì)薄弱點(diǎn)，提高了機(jī)箱的抗振性。

抗振設(shè)計(jì)可采用的主要措施包括結(jié)構(gòu)剛性化、隔離、使用、減振器等。結(jié)構(gòu)剛性化只要是在薄弱的機(jī)箱壁上增加加強(qiáng)筋，合理布置組件的分布等。隔離措施一般用于結(jié)構(gòu)緊湊、空間有限、隔振要求高而無(wú)法安裝減振器的場(chǎng)合，主要是使用柔軟材料如(海面膠板)或小型減振器件(如簧片)隔離振動(dòng)。減振器一般用于整機(jī)等大型裝置,不僅可以起到減振作用，對(duì)于外部撞擊、跌落等意外情況也能起到很好的防護(hù)作用。

除了主要措施之外，對(duì)內(nèi)部連接電纜等接插件，采用點(diǎn)熱固膠、線纜固定架、走線槽等方式進(jìn)行加固防護(hù)。對(duì)固定螺絲采取防松措施。一般均采用帶彈簧墊圈和平墊圈的螺釘，無(wú)法加彈簧墊圈和平墊圈的螺釘加螺紋膠進(jìn)行防松脫處理。

2.4 電磁兼容設(shè)計(jì)

在電氣性能和環(huán)境適應(yīng)性不斷提高的同時(shí)，電磁兼容性能也越來(lái)越受重視。目前幾乎所有應(yīng)用均對(duì)抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)的電磁兼容性能有強(qiáng)制性要求琜4]。

抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)電磁兼容設(shè)計(jì)可采取的主要措施有屏蔽、接地、走線規(guī)劃三個(gè)方面。

2.4.1 屏蔽技術(shù)

屏蔽技術(shù)用來(lái)抑制電磁輻射沿空間的傳播，即切斷輻射的途徑。屏蔽的實(shí)質(zhì)是將關(guān)鍵電路包圍在一個(gè)屏蔽空間內(nèi)，使耦合到個(gè)電路的電磁場(chǎng)通過(guò)反射和吸收被衰減。

屏蔽機(jī)箱最好采用有一定厚度的金屬機(jī)箱。要想取得好的屏蔽效果，最好選用同時(shí)具有高導(dǎo)磁性能和高導(dǎo)電性能的屏蔽材料。為了改善低頻磁場(chǎng)的屏蔽效能，應(yīng)采用高磁導(dǎo)率材料，但磁導(dǎo)率高的材料通常電導(dǎo)率不是很好，會(huì)降低對(duì)電場(chǎng)的屏蔽效能。為了解決這個(gè)矛盾，最好的辦法是采用鍍涂方法在高磁導(dǎo)率(或高電導(dǎo)率)材料的表面增加一層高電導(dǎo)率(或高磁導(dǎo)率)材料。以不銹鋼蓋板為例，其按照RE102規(guī)范進(jìn)行測(cè)試時(shí)的曲線見圖5。

在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，機(jī)箱都會(huì)含有一些孔洞和縫隙，這些孔洞和縫隙會(huì)引起電磁泄漏，使屏蔽效能遠(yuǎn)低于完整金屬板的理論計(jì)算值。當(dāng)孔洞、縫隙的尺寸大小等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，電磁泄漏最大，一般要求縫長(zhǎng)或孔徑小于波長(zhǎng)的1%。

圖5 使用不銹鋼蓋板的RE102測(cè)試曲線

2.4.2 接地技術(shù)

接地技術(shù)是最廉價(jià)和最有效的方法，設(shè)計(jì)良好的地平面可以有效的減小其電磁輻射，并且可以提高設(shè)備自身的抗干擾性。具體的實(shí)現(xiàn)方法是在計(jì)算機(jī)內(nèi)部將電源地、數(shù)字地和機(jī)殼地短接，同時(shí)控制接地線長(zhǎng)度，增加接地線的截面積，以減小接地阻抗；另外計(jì)算機(jī)外部預(yù)留接地螺栓位置。

2.4.3 走線規(guī)劃

通過(guò)走線規(guī)劃保證計(jì)算機(jī)內(nèi)部走線的合理性，在進(jìn)行走線規(guī)劃時(shí)注意電源線、信號(hào)線的分開布放，不同頻率的信號(hào)線的分開布放；高頻信號(hào)線和低頻信號(hào)線的分開布放；強(qiáng)電流信號(hào)線和弱電流信號(hào)線的分開布放；高電壓信號(hào)線和低電壓信號(hào)線的分開布放；容易產(chǎn)生干擾的線纜和敏感信號(hào)電纜的分開布放。

2.5 防腐防潮設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)機(jī)箱外部框架及組成模塊的蓋板零件應(yīng)進(jìn)行防腐防潮設(shè)計(jì)，具體的實(shí)現(xiàn)方法是在導(dǎo)電涂覆處理后，作外部油漆處理；所有模塊蓋板、計(jì)算機(jī)內(nèi)部支架進(jìn)行表面處理(如氧化發(fā)黑)；所有組成模塊的印制電路板進(jìn)行三防處理；所有插座安裝面用密封襯墊密封；所有可拆卸搭接面(含面板等)采用復(fù)合材料密封。

2.6 可靠性和可維修性設(shè)計(jì)

在可靠性方面各主要功能模塊所用的元器件進(jìn)行檢驗(yàn)和老化篩選試驗(yàn)；各主要功能模塊完成調(diào)試、三防后，隨整機(jī)進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)。

在可維修性方面為了保證計(jì)算機(jī)各組成模塊可進(jìn)行快速安裝，從而方便模塊的維修更換，所有功能模塊在機(jī)箱中通過(guò)導(dǎo)軌放置，可方便、快速拉出，從而方便插拔電纜、更換元器件；同時(shí)前蓋板采用不脫落鎖緊螺釘，也可方便維護(hù)時(shí)快速拆裝。

3 結(jié) 語(yǔ)

基于CompactPCI的抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)按照CompactPCI規(guī)范設(shè)計(jì)，采用熱設(shè)計(jì)、抗振設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)、防腐防潮設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)等多種設(shè)計(jì)方法保證了計(jì)算機(jī)抗惡劣環(huán)境性能的實(shí)現(xiàn)。基于CompactPCI的抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)成功應(yīng)用，在應(yīng)用過(guò)程中性能穩(wěn)定，效果良好。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文