尹申燕+黃瑩瑩

摘 要： 全面介紹一種車載平臺的中心控制計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，基于其中心控制與管理的功能需求和車載平臺嚴(yán)酷使用環(huán)境的可靠性要求，首先論述整機(jī)電氣和結(jié)構(gòu)的架構(gòu)設(shè)計(jì)，然后詳細(xì)闡述單機(jī)內(nèi)部主要電路板卡如嵌入式CPCI計(jì)算機(jī)板、KVM切換板、千兆網(wǎng)絡(luò)交換板、多串口擴(kuò)展板的電氣設(shè)計(jì)要點(diǎn)，最后提出單機(jī)結(jié)構(gòu)加固及減振散熱措施。該中心控制計(jì)算處理能力強(qiáng)、操作便捷、接口眾多、可靠性高，對同類車載平臺中心控制計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的參考意義。

關(guān)鍵詞： 中控計(jì)算機(jī)； CPCI； ATR； 多電腦控制器； 千兆網(wǎng)絡(luò)交換； 多串口擴(kuò)展

中圖分類號： TN701?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）18?0110?04

Design of vehicle?mounted central control computer

YIN Shen?yan， HUANG Ying?ying

（Southwest China Institute of Electronic Equipment， Chengdu 610036， China）

Abstract： The design and implementation of a vehicle?mounted central control computer are introduced in this paper. Based on the function demands of its central control and management， and the reliability requirement of the vehicle?mounted system applied in severe environment， the electrical and structural framework design of the whole system is discussed. The key points of design of main circuit boards such as embedded CPCI computing board， KVM switching board， gigabit network switching board and multi?serial?port expanding board are elaborated. Some measures of structural strengthening， vibration reduction and heat dissipation for the computer are proposed. The central control computer has high processing capability， convenient operation， abundant expanding interfaces and high reliability. The design method can be used as a reference for design of similar central control computers.

Keywords： central control computer； CPCI； ATR； KVM； gigabit?network switching； multi?serial?port expansion

0 引 言

地面電子戰(zhàn)系統(tǒng)主要以車載平臺為基礎(chǔ)構(gòu)建，將天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、數(shù)字處理機(jī)等功能單元集成安裝在車載平臺之上，完成特定的戰(zhàn)術(shù)功能。為了有效操控這一功能復(fù)雜的系統(tǒng)，需要設(shè)計(jì)一臺車載中心控制計(jì)算機(jī)，其同車載顯示器一起，提供友好的“人?機(jī)”交互接口，讓操作員便捷地完成對電子戰(zhàn)系統(tǒng)的管理和控制。本文詳細(xì)闡述了該中心控制計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)原理，以及其散熱加固措施，可用作類似車載平臺中心控制計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)參考。

1 應(yīng)用設(shè)計(jì)要求

1.1 應(yīng)用環(huán)境

電子戰(zhàn)車載任務(wù)系統(tǒng)操控示意圖如圖1所示，由中心控制計(jì)算機(jī)和顯示器及輸入控制設(shè)備構(gòu)成的 “人?機(jī)”交互子系統(tǒng)是操作員與車載任務(wù)系統(tǒng)的“人?機(jī)”接口，主要完成電磁頻譜的態(tài)勢感知和狀態(tài)顯示以及任務(wù)系統(tǒng)控制。

圖1 中心控制計(jì)算機(jī)應(yīng)用示意圖

中心控制計(jì)算機(jī)將來自個(gè)功能單元的信息收集匯總，展現(xiàn)給操作員；同時(shí)將接收操作員的各種控制指令分發(fā)給任務(wù)系統(tǒng)各個(gè)功能單元，觸發(fā)任務(wù)系統(tǒng)的狀態(tài)改變，進(jìn)而完成任務(wù)，是車載任務(wù)系統(tǒng)的信息采集和指令分發(fā)中心。

1.2 設(shè)計(jì)要求

車載任務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用需求為中心控制計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)提出了如下需求，成為單機(jī)設(shè)計(jì)的依據(jù)：

（1） 中控處理：設(shè)備應(yīng)處理能力強(qiáng)大，接口豐富，便于實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)的集中管控；

（2） 簡化操作：設(shè)備為適應(yīng)裝備行進(jìn)間工作的特點(diǎn)，應(yīng)通過盡量簡單的操作完成系統(tǒng)操控；

（3） 按需配置：設(shè)備可通過配置不同的擴(kuò)展板卡，適應(yīng)各種電子戰(zhàn)系統(tǒng)裝備的不同需求；

（4） 通用化、標(biāo)準(zhǔn)化：設(shè)備需滿足通用化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化要求，便于生產(chǎn)、維修；

（5） 環(huán)境適應(yīng)能力：設(shè)備需滿足車載平臺設(shè)備裝載、環(huán)境適應(yīng)性和可靠性要求。

2 單機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 整機(jī)架構(gòu)

依據(jù)上述需求，單機(jī)采用抗振性能優(yōu)良的航空運(yùn)輸機(jī)架（Air Transport Rack，ATR）結(jié)構(gòu)形式，CPCI（Compact Peripheral Component Interconnect 緊湊型外圍設(shè)備互聯(lián)）總線電氣架構(gòu)，由4個(gè)嵌入式計(jì)算機(jī)板及其多個(gè)外圍擴(kuò)展板卡，鍵盤、視頻、串口（Key Video Serial Port，KVM）切換板、千兆網(wǎng)絡(luò)交換板和CPCI電源模塊等電路模塊有機(jī)組合而成，其整機(jī)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 中心控制計(jì)算機(jī)框圖

為完成系統(tǒng)復(fù)雜的處理功能，單機(jī)內(nèi)設(shè)計(jì)了4臺嵌入式CPCI計(jì)算機(jī)板，各個(gè)計(jì)算機(jī)板可同時(shí)運(yùn)行不同的軟件，使整機(jī)成為一個(gè)多任務(wù)處理系統(tǒng)。每個(gè)計(jì)算機(jī)板再通過32位CPCI總線擴(kuò)展外部接口板卡，1號計(jì)算機(jī)板PC1和2號計(jì)算機(jī)板PC2分別連接1個(gè)多串口卡，使得中控計(jì)算機(jī)可通過串口控制外部數(shù)據(jù)率較低的設(shè)備；3號計(jì)算機(jī)板PC3擴(kuò)展1個(gè)4通道的視頻采集卡，連接普通光學(xué)攝像頭可用作密閉車載平臺的普通行車監(jiān)視儀，連接紅外攝像頭則可用作熱成像監(jiān)視儀；4號計(jì)算機(jī)板PC4擴(kuò)展1個(gè)加密認(rèn)證卡，系統(tǒng)只有通過專用加密認(rèn)證后才可登陸，可在用于安裝運(yùn)行密級較高的數(shù)據(jù)庫等軟件，為整個(gè)車載系統(tǒng)提供必要的安全保證措施。

4臺嵌入式CPCI計(jì)算機(jī)板的網(wǎng)口連接到內(nèi)部12端口的千兆網(wǎng)絡(luò)交換板，與該板卡的其余8個(gè)網(wǎng)口一起組成一個(gè)車載局域網(wǎng)。4臺嵌入式CPCI計(jì)算機(jī)板KVM信號共同進(jìn)入KVM切換板，經(jīng)過切換后送到2個(gè)顯示器輸出，這使得位于2個(gè)顯示器后面操作員則通過該中心控制計(jì)算機(jī)全面掌控了整個(gè)車載電子系統(tǒng)。單機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)有一個(gè)CPCI電源模塊，將外部輸入的+28 V直流電壓轉(zhuǎn)換成CPCI標(biāo)準(zhǔn)電壓輸出，為單機(jī)內(nèi)部的眾多板卡供電。

按此構(gòu)建的中心控制計(jì)算機(jī)具備了車載任務(wù)系統(tǒng)要求的所有特性：處理能力強(qiáng)大、擴(kuò)展接口眾多、數(shù)據(jù)交換快捷、安保措施嚴(yán)密、操作控制方便。

2.2 母板設(shè)計(jì)

按CPCI總線構(gòu)建的設(shè)備主要由系統(tǒng)處理板卡、外圍擴(kuò)展板卡和母板構(gòu)成，是比桌面計(jì)算機(jī)更適合于工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的架構(gòu)[1]，廣泛應(yīng)用于電子戰(zhàn)系統(tǒng)的處理、控制設(shè)備。

中心控制計(jì)算機(jī)母板結(jié)合CPCI規(guī)范和本單機(jī)架構(gòu)設(shè)計(jì)而成，共有15個(gè)槽位寬，每個(gè)CPCI槽位寬[1]20.32 mm，整個(gè)母板尺寸為310.00 mm×262.00 mm。

母板的槽位分布如圖3所示， 4個(gè)系統(tǒng)槽位，安裝4個(gè)嵌入式計(jì)算機(jī)板；5個(gè)擴(kuò)展槽位，安裝多串口卡、視頻采集卡、加密卡等特定功能擴(kuò)展板卡，擴(kuò)展板卡通過母板上的32位PCI總線與對應(yīng)的系統(tǒng)槽位計(jì)算機(jī)互聯(lián)；剩余7個(gè)槽位為獨(dú)立功能槽位，分別安裝KVM切換板、千兆網(wǎng)絡(luò)交換板、電源模塊（2槽寬）以及用作單機(jī)信號輸出的轉(zhuǎn)接連接器的安裝區(qū)域（3槽寬）。

圖3 CPCI母板模塊排布圖

單機(jī)內(nèi)的功能板卡除加密卡為3U板卡（100.00 mm×160.00 mm）外，其余均為6U板卡（233.35 mm×160.00 mm）[1]。母板承擔(dān)了CPCI電源到負(fù)載電路的配電，KVM信號、千兆網(wǎng)絡(luò)信號以及多條32位PCI總線信號的轉(zhuǎn)接，傳輸信號眾多，電路板厚度達(dá)到了4.00 mm。

3 模塊電路設(shè)計(jì)

3.1 嵌入式計(jì)算機(jī)板

單機(jī)內(nèi)部共有4個(gè)嵌入式CPCI計(jì)算機(jī)板，每個(gè)計(jì)算機(jī)板的性能和使用方法與一臺普通計(jì)算機(jī)相同，每個(gè)均可通過KVM切換由操作員接管，運(yùn)行系統(tǒng)軟件，下發(fā)指令，完成相應(yīng)的戰(zhàn)術(shù)任務(wù)。板卡上側(cè)的普通計(jì)算機(jī)接口（VGA、網(wǎng)口、串口、USB口），用于單板調(diào)試；32位CPCI總線信號和所有上述計(jì)算機(jī)接口信號均同時(shí)通過CPCI接頭輸出到母板。4個(gè)嵌入計(jì)算機(jī)板的輸出信號母板的互聯(lián)，構(gòu)成一個(gè)功能強(qiáng)大的多任務(wù)處理系統(tǒng)。

為了適應(yīng)車載平臺的使用需求（尺寸小、需抗振），單機(jī)所用計(jì)算機(jī)板是在研華公司CPCI計(jì)算機(jī)板上修改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而成，改進(jìn)后的嵌入式ATR計(jì)算機(jī)板如圖4所示，標(biāo)準(zhǔn)CPCI?6U板卡，外加盒體、提耳和鎖緊條，以適應(yīng)在ATR機(jī)箱內(nèi)的安裝，單機(jī)內(nèi)所有其他6U?CPCI板卡的結(jié)構(gòu)形式與圖4相同。

圖4 6U?CPCI ATR計(jì)算機(jī)板

3.2 KVM切換板

KVM 是計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出信號Key（鍵盤）Video（視頻）Mouse（串口）的簡寫，特指利用一組KVM信號即可實(shí)現(xiàn)對多臺計(jì)算控制的多電腦控制器[2]。其實(shí)質(zhì)上為一個(gè)“多輸入單輸出”的信號切換開關(guān)，通過對多路計(jì)算機(jī)輸入KVM信號的選擇輸出，從而實(shí)現(xiàn)單個(gè)操作員對多臺計(jì)算機(jī)的控制，進(jìn)而完成復(fù)雜系統(tǒng)任務(wù)的集中控制和處理，便捷操控的同時(shí)節(jié)省了空間節(jié)約了成本。

單機(jī)內(nèi)部嵌入了4臺嵌入式計(jì)算機(jī)板，外部又設(shè)計(jì)了2個(gè)操作席位，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè) “4入2出”的KVM切換板，其電氣框圖如圖5所示。

4個(gè)嵌入式計(jì)算機(jī)板的4組KVM信號經(jīng)母板引入KVM切換矩陣，KVM切換開關(guān)信號經(jīng)單機(jī)面板引至操作員附近，操作員通過按切換鍵，由KVM輸出SA1和SA2分別選擇4路KVM信號中任意1路，輸出到顯示器，從而實(shí)現(xiàn)了1個(gè)操作員對單機(jī)內(nèi)4臺嵌入式計(jì)算機(jī)板的輪流控制。這樣，車內(nèi)坐在2個(gè)顯示器前面2個(gè)操作員利用中控計(jì)算機(jī)的這一功能，即可完成對整個(gè)車載電子戰(zhàn)系統(tǒng)的管理和控制。

圖5 KVM交換板框圖

3.3 千兆網(wǎng)絡(luò)交換板

車載中控計(jì)算機(jī)內(nèi)部嵌有4個(gè)計(jì)算機(jī)板，單機(jī)還連接著車載系統(tǒng)的其他單機(jī)或者車外的其他電子系統(tǒng)，這些設(shè)備之間快速數(shù)據(jù)交換是十分必要的。因此，在單機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)了一個(gè)嵌入式的千兆網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)板，由其將單機(jī)內(nèi)外所有計(jì)算機(jī)和系統(tǒng)連接成一個(gè)局域網(wǎng)，可快速便捷地完成單機(jī)內(nèi)外數(shù)據(jù)交換，使單機(jī)成為一個(gè)數(shù)據(jù)交換中心。網(wǎng)絡(luò)交換板的原理框圖如圖6所示，1個(gè)主控芯片VSC7407完成板卡的管理控制和數(shù)據(jù)交換，外接4個(gè)VSC8664驅(qū)動芯片（每個(gè)支持4個(gè)網(wǎng)口），完成對外12個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口信號的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層驅(qū)動。

圖6 千兆網(wǎng)絡(luò)交換板框圖

3.4 多串口擴(kuò)展板

車載系統(tǒng)外圍單機(jī)中，高速據(jù)率的設(shè)備通過網(wǎng)口同中控計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)交互，但一些低數(shù)據(jù)率速設(shè)備如GPS授時(shí)設(shè)備、天線伺服設(shè)備等，通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互是簡易可行的方式。因此，單機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)了專用的多串口擴(kuò)展板，用于對此類設(shè)備的連接。

多串口擴(kuò)展板原理框圖如圖7所示，CPCI計(jì)算機(jī)板CPU的32為總線通過橋接芯片9054連接到本地的雙路通用異步串口芯片ST16C552[4]，然后經(jīng)過RS 232和RS 422電平轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)串口連接外部設(shè)備。根據(jù)系統(tǒng)需求定制的多串口擴(kuò)展板共有12個(gè)RS 422串口、4個(gè)RS 232串口，波特率最高可達(dá)115 200 b/s。利用多串口擴(kuò)展板，中控計(jì)算機(jī)可以連接眾多的串口型車載外圍設(shè)備。

圖7 多串口擴(kuò)展板框圖

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 ATR機(jī)箱

為適應(yīng)車載平臺在行進(jìn)間工作的要求，中心控制計(jì)算機(jī)需采取必要的結(jié)構(gòu)加固措施。因此，單機(jī)采用了ATR機(jī)箱設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)為ARINC 404，定義了一系列安裝于航空機(jī)架上各個(gè)單機(jī)的尺寸、安裝方式、抗振措施、散熱方法等，從而保證該單機(jī)能現(xiàn)場快速完成更換，方便使用。ATR機(jī)箱結(jié)構(gòu)也廣泛應(yīng)用于輪式、運(yùn)動、船艦等平臺之中，這些平臺都有著嚴(yán)酷的使用環(huán)境——沖擊、振動、溫度變化、潮濕、鹽霧[3]。單機(jī)外形尺寸為400 mm×290 mm×246 mm，單機(jī)配有適用于車載平臺的專用安裝托架，托架配裝散熱風(fēng)機(jī)和減振器，其內(nèi)部俯視圖與安裝散熱示意圖如圖8所示。

圖8 中控計(jì)算機(jī)內(nèi)部俯視圖及安裝散熱示意圖

4.2 散熱設(shè)計(jì)

本單機(jī)內(nèi)部有4個(gè)嵌入式計(jì)算機(jī)板及多個(gè)外圍擴(kuò)展卡，工作頻率高，處理任務(wù)大，整機(jī)功耗約125 W，若無有效的散熱措施，熱量聚集將會導(dǎo)致計(jì)算板CPU溫度過高，甚至超過100°，從而導(dǎo)致計(jì)算機(jī)死機(jī)加固計(jì)算機(jī)中散熱設(shè)計(jì)主要由傳導(dǎo)和對流兩種方式，傳導(dǎo)途徑為：元器件—導(dǎo)熱硅脂—導(dǎo)熱板—機(jī)箱壁和機(jī)箱周圍環(huán)境[5]。單機(jī)同時(shí)采用了傳導(dǎo)和強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱方式：機(jī)箱左、右側(cè)板為冷板，內(nèi)釬焊有兩層型材翅片，以增大散熱面積并形成風(fēng)道，機(jī)箱內(nèi)各模塊通過其金屬盒體或者印制板上的金屬墊條將熱量傳導(dǎo)至左、右側(cè)板，再通過減振安裝架上的直流風(fēng)機(jī)形成的負(fù)氣壓將單機(jī)內(nèi)部熱量排出。

4.3 抗振設(shè)計(jì)

單機(jī)采取了以下兩方面的抗振措施。其一是緊固措施：首先通過模塊兩側(cè)的鎖緊條將模塊緊固在單機(jī)側(cè)壁，然后通過托架上前端的快鎖裝置和后端的定位插銷將單機(jī)緊固在安裝架之上，最后單機(jī)面板采用JY27466系列的符合GJB 599A高強(qiáng)度抗振系列插座，保證了單機(jī)輸入輸出信號的可靠接觸。其二是減振措施：特制的減振安裝架配有4個(gè)減振器，作為單機(jī)的隔振措施，減小車載平臺行進(jìn)間的振動對單機(jī)內(nèi)部電子器件的影響。

5 結(jié) 語

本文依據(jù)工程研制經(jīng)驗(yàn)，論述了應(yīng)用于車載平臺的中心控制計(jì)算機(jī)的電氣、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，并具體闡述了其典型電路模塊的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。所論述的單機(jī)集成度高、處理能力強(qiáng)大、散熱和抗振措施可靠、通用性及標(biāo)準(zhǔn)化程度高，對類似的中心控制計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的指導(dǎo)借鑒意義。

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圖6 千兆網(wǎng)絡(luò)交換板框圖

3.4 多串口擴(kuò)展板

車載系統(tǒng)外圍單機(jī)中，高速據(jù)率的設(shè)備通過網(wǎng)口同中控計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)交互，但一些低數(shù)據(jù)率速設(shè)備如GPS授時(shí)設(shè)備、天線伺服設(shè)備等，通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互是簡易可行的方式。因此，單機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)了專用的多串口擴(kuò)展板，用于對此類設(shè)備的連接。

多串口擴(kuò)展板原理框圖如圖7所示，CPCI計(jì)算機(jī)板CPU的32為總線通過橋接芯片9054連接到本地的雙路通用異步串口芯片ST16C552[4]，然后經(jīng)過RS 232和RS 422電平轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)串口連接外部設(shè)備。根據(jù)系統(tǒng)需求定制的多串口擴(kuò)展板共有12個(gè)RS 422串口、4個(gè)RS 232串口，波特率最高可達(dá)115 200 b/s。利用多串口擴(kuò)展板，中控計(jì)算機(jī)可以連接眾多的串口型車載外圍設(shè)備。

圖7 多串口擴(kuò)展板框圖

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 ATR機(jī)箱

為適應(yīng)車載平臺在行進(jìn)間工作的要求，中心控制計(jì)算機(jī)需采取必要的結(jié)構(gòu)加固措施。因此，單機(jī)采用了ATR機(jī)箱設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)為ARINC 404，定義了一系列安裝于航空機(jī)架上各個(gè)單機(jī)的尺寸、安裝方式、抗振措施、散熱方法等，從而保證該單機(jī)能現(xiàn)場快速完成更換，方便使用。ATR機(jī)箱結(jié)構(gòu)也廣泛應(yīng)用于輪式、運(yùn)動、船艦等平臺之中，這些平臺都有著嚴(yán)酷的使用環(huán)境——沖擊、振動、溫度變化、潮濕、鹽霧[3]。單機(jī)外形尺寸為400 mm×290 mm×246 mm，單機(jī)配有適用于車載平臺的專用安裝托架，托架配裝散熱風(fēng)機(jī)和減振器，其內(nèi)部俯視圖與安裝散熱示意圖如圖8所示。

圖8 中控計(jì)算機(jī)內(nèi)部俯視圖及安裝散熱示意圖

4.2 散熱設(shè)計(jì)

本單機(jī)內(nèi)部有4個(gè)嵌入式計(jì)算機(jī)板及多個(gè)外圍擴(kuò)展卡，工作頻率高，處理任務(wù)大，整機(jī)功耗約125 W，若無有效的散熱措施，熱量聚集將會導(dǎo)致計(jì)算板CPU溫度過高，甚至超過100°，從而導(dǎo)致計(jì)算機(jī)死機(jī)加固計(jì)算機(jī)中散熱設(shè)計(jì)主要由傳導(dǎo)和對流兩種方式，傳導(dǎo)途徑為：元器件—導(dǎo)熱硅脂—導(dǎo)熱板—機(jī)箱壁和機(jī)箱周圍環(huán)境[5]。單機(jī)同時(shí)采用了傳導(dǎo)和強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱方式：機(jī)箱左、右側(cè)板為冷板，內(nèi)釬焊有兩層型材翅片，以增大散熱面積并形成風(fēng)道，機(jī)箱內(nèi)各模塊通過其金屬盒體或者印制板上的金屬墊條將熱量傳導(dǎo)至左、右側(cè)板，再通過減振安裝架上的直流風(fēng)機(jī)形成的負(fù)氣壓將單機(jī)內(nèi)部熱量排出。

4.3 抗振設(shè)計(jì)

單機(jī)采取了以下兩方面的抗振措施。其一是緊固措施：首先通過模塊兩側(cè)的鎖緊條將模塊緊固在單機(jī)側(cè)壁，然后通過托架上前端的快鎖裝置和后端的定位插銷將單機(jī)緊固在安裝架之上，最后單機(jī)面板采用JY27466系列的符合GJB 599A高強(qiáng)度抗振系列插座，保證了單機(jī)輸入輸出信號的可靠接觸。其二是減振措施：特制的減振安裝架配有4個(gè)減振器，作為單機(jī)的隔振措施，減小車載平臺行進(jìn)間的振動對單機(jī)內(nèi)部電子器件的影響。

5 結(jié) 語

本文依據(jù)工程研制經(jīng)驗(yàn)，論述了應(yīng)用于車載平臺的中心控制計(jì)算機(jī)的電氣、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，并具體闡述了其典型電路模塊的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。所論述的單機(jī)集成度高、處理能力強(qiáng)大、散熱和抗振措施可靠、通用性及標(biāo)準(zhǔn)化程度高，對類似的中心控制計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的指導(dǎo)借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1] PICMG. Compact PCI short form specification [R]. [S.l.]： PCI Industrial Computers Manufacturers Group， 1995.

[2] TERNDnet. KVM tutorial [R]. [S.l.]： TERNDnet， 2004.

[3] Hartmann Electronic. Rugged COTS ATR'S（air transport rack） [R]. [S.l.]： Hartmann Electronic GmbH， 2012.

[4] STARTECH. Universal asynchronous receiver/transmitter with FIFO and parallel printer port with power down capability [R]. [S.l.]： STARTECH， 1995.

[5] 畢文蘭.試論加固計(jì)算機(jī)[J].山西電子技術(shù)，2001（3）：47?48.

[6] 王維鋒，陳建明.車載計(jì)算機(jī)主板測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（10）：67?70.

圖6 千兆網(wǎng)絡(luò)交換板框圖

3.4 多串口擴(kuò)展板

車載系統(tǒng)外圍單機(jī)中，高速據(jù)率的設(shè)備通過網(wǎng)口同中控計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)交互，但一些低數(shù)據(jù)率速設(shè)備如GPS授時(shí)設(shè)備、天線伺服設(shè)備等，通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互是簡易可行的方式。因此，單機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)了專用的多串口擴(kuò)展板，用于對此類設(shè)備的連接。

多串口擴(kuò)展板原理框圖如圖7所示，CPCI計(jì)算機(jī)板CPU的32為總線通過橋接芯片9054連接到本地的雙路通用異步串口芯片ST16C552[4]，然后經(jīng)過RS 232和RS 422電平轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)串口連接外部設(shè)備。根據(jù)系統(tǒng)需求定制的多串口擴(kuò)展板共有12個(gè)RS 422串口、4個(gè)RS 232串口，波特率最高可達(dá)115 200 b/s。利用多串口擴(kuò)展板，中控計(jì)算機(jī)可以連接眾多的串口型車載外圍設(shè)備。

圖7 多串口擴(kuò)展板框圖

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 ATR機(jī)箱

為適應(yīng)車載平臺在行進(jìn)間工作的要求，中心控制計(jì)算機(jī)需采取必要的結(jié)構(gòu)加固措施。因此，單機(jī)采用了ATR機(jī)箱設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)為ARINC 404，定義了一系列安裝于航空機(jī)架上各個(gè)單機(jī)的尺寸、安裝方式、抗振措施、散熱方法等，從而保證該單機(jī)能現(xiàn)場快速完成更換，方便使用。ATR機(jī)箱結(jié)構(gòu)也廣泛應(yīng)用于輪式、運(yùn)動、船艦等平臺之中，這些平臺都有著嚴(yán)酷的使用環(huán)境——沖擊、振動、溫度變化、潮濕、鹽霧[3]。單機(jī)外形尺寸為400 mm×290 mm×246 mm，單機(jī)配有適用于車載平臺的專用安裝托架，托架配裝散熱風(fēng)機(jī)和減振器，其內(nèi)部俯視圖與安裝散熱示意圖如圖8所示。

圖8 中控計(jì)算機(jī)內(nèi)部俯視圖及安裝散熱示意圖

4.2 散熱設(shè)計(jì)

本單機(jī)內(nèi)部有4個(gè)嵌入式計(jì)算機(jī)板及多個(gè)外圍擴(kuò)展卡，工作頻率高，處理任務(wù)大，整機(jī)功耗約125 W，若無有效的散熱措施，熱量聚集將會導(dǎo)致計(jì)算板CPU溫度過高，甚至超過100°，從而導(dǎo)致計(jì)算機(jī)死機(jī)加固計(jì)算機(jī)中散熱設(shè)計(jì)主要由傳導(dǎo)和對流兩種方式，傳導(dǎo)途徑為：元器件—導(dǎo)熱硅脂—導(dǎo)熱板—機(jī)箱壁和機(jī)箱周圍環(huán)境[5]。單機(jī)同時(shí)采用了傳導(dǎo)和強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱方式：機(jī)箱左、右側(cè)板為冷板，內(nèi)釬焊有兩層型材翅片，以增大散熱面積并形成風(fēng)道，機(jī)箱內(nèi)各模塊通過其金屬盒體或者印制板上的金屬墊條將熱量傳導(dǎo)至左、右側(cè)板，再通過減振安裝架上的直流風(fēng)機(jī)形成的負(fù)氣壓將單機(jī)內(nèi)部熱量排出。

4.3 抗振設(shè)計(jì)

單機(jī)采取了以下兩方面的抗振措施。其一是緊固措施：首先通過模塊兩側(cè)的鎖緊條將模塊緊固在單機(jī)側(cè)壁，然后通過托架上前端的快鎖裝置和后端的定位插銷將單機(jī)緊固在安裝架之上，最后單機(jī)面板采用JY27466系列的符合GJB 599A高強(qiáng)度抗振系列插座，保證了單機(jī)輸入輸出信號的可靠接觸。其二是減振措施：特制的減振安裝架配有4個(gè)減振器，作為單機(jī)的隔振措施，減小車載平臺行進(jìn)間的振動對單機(jī)內(nèi)部電子器件的影響。

5 結(jié) 語

本文依據(jù)工程研制經(jīng)驗(yàn)，論述了應(yīng)用于車載平臺的中心控制計(jì)算機(jī)的電氣、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，并具體闡述了其典型電路模塊的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。所論述的單機(jī)集成度高、處理能力強(qiáng)大、散熱和抗振措施可靠、通用性及標(biāo)準(zhǔn)化程度高，對類似的中心控制計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的指導(dǎo)借鑒意義。

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