陳建波

（杭州彥菁電子科技有限公司，杭州 310000）

引言

隨著社會的進步以及科學技術(shù)的不斷發(fā)展，車載電子系統(tǒng)顯示控制臺在各種工程以及軍事車輛中得到十分廣泛的應(yīng)用[1,2]。和固定的工業(yè)計算機相比，車載計算機處于相對封閉的工作環(huán)境中，整體的散熱環(huán)境十分差。同時，還會承受來自路面不平帶來的振動和沖擊。車載電子系統(tǒng)顯示控制臺主要負責電子設(shè)備的監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、分析以及存儲等工作，如果在實際條件下無法正常工作，將會帶來十分嚴重的后果以及損失。因此，如何在惡劣的環(huán)境下，確保車載電子系統(tǒng)顯示控制臺的正常工作成為現(xiàn)階段研究的熱點話題[3]。以下主要針對在高速行車條件下車載電子系統(tǒng)顯示控制臺環(huán)境適應(yīng)性進行分析和研究，通過具體的實驗測試全面驗證了所設(shè)計顯示控制平臺的有效性和適用性。

1 車載電子系統(tǒng)顯示控制臺設(shè)計

1）高處理性能：

為了有效滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)計算和存儲，車載計算機系統(tǒng)顯示控制臺需要具有較高的計算性能。

2）小型化：

為了滿足機動性需求[4,5]，系統(tǒng)的體系需要小型化，確保攜帶方便。

3）模塊化和積木化：

為了方便車載計算機在前線部署、按需求配置以及維護等相關(guān)工作，需要采取全模塊化以及積木化設(shè)計。這樣能夠確?？刂婆_全部、準確地完成不同計算需求，方便現(xiàn)場維護工作。

4）安全性、適應(yīng)性：

為了確保系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定運行，整個系統(tǒng)需要具有抗震、抗終極、防水等特性。

5）接口智能化以及統(tǒng)一化：

整機的“兩抗”“四防”需求，同時前端信息獲取設(shè)備以及外圍設(shè)備的多樣性特點，促使接口系統(tǒng)和主機之間只能有一個物理連接。

6）高校散熱：

高性能的設(shè)備在處理較大運行軟件時，具有負載功能強大以及功耗高等特點。

車載電子系統(tǒng)顯示控制臺是一個具有高可靠性以及高計算性能的計算機系統(tǒng)，主要通過工業(yè)級板卡進行加固，在確保系統(tǒng)具有良好拓展能力以及運行能力的基礎(chǔ)上，有效實現(xiàn)高存儲密度和高拓展性[6]，同時具有強大的計算機處理能力。

車載電子系統(tǒng)顯示控制臺主要是由圖1中的幾個部分組成。

利用表1給出車載電子系統(tǒng)顯示控制臺的具體組成。

車載電子系統(tǒng)顯示控制臺的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，分別由計算機模塊、擴展模塊等組成。

為了滿足控制平臺的分析處理需求，車載計算機最多只能支持6塊業(yè)務(wù)卡，加上系統(tǒng)必須的顯卡以及采集卡等，系統(tǒng)需要較強的PCI擴展能力。為此，需要進行大量的計算以及模擬實驗，選取合適的PCI總線規(guī)范，利用PCI擴展模塊進行整體設(shè)計[7,8]，綜合使用擴展槽位以及板卡改造等技術(shù)完成。

智能溫控系統(tǒng)主要使用獨立的電源進行供電，溫度開關(guān)附帶傳感器，將監(jiān)測特定點的溫度和設(shè)定的臨界值進行對比，有效實現(xiàn)環(huán)境變動自動開關(guān)加熱膜以及散熱風扇，確?？刂婆_的正常運行。

表1 車載電子系統(tǒng)顯示控制臺的組成

圖1 車載電子系統(tǒng)顯示控制臺組成圖

圖2 車載電子系統(tǒng)顯示控制臺的總體結(jié)構(gòu)

散熱系統(tǒng)是顯示控制平臺設(shè)計的另一個難題，需要組建系統(tǒng)得到發(fā)熱模型以及散熱數(shù)據(jù)模型[9]，利用一系列的熱模擬實驗以及實物散熱實驗，在有限的空間內(nèi)以及發(fā)熱部件等多個條件下，合理進行熱源分散，科學設(shè)計散熱通道以及散熱組件，確保顯示控制臺具有高溫特性。

為了滿足環(huán)境需求，模擬實驗過程中需要選取合適的減震器，內(nèi)部散件主要根據(jù)結(jié)構(gòu)支架，將部件以及整體經(jīng)過固化為一體。

車載電子系統(tǒng)顯示控制臺的全部模塊需要放置在兩個工作機柜上，同時在機柜的頂部安裝軸流風機，加快機柜內(nèi)部熱量的散射[10,11]。

1）熱設(shè)計：

在車載電子系統(tǒng)顯示控制臺的總體設(shè)計中，快速散熱以及小型化是一對矛盾體，在有效的空間內(nèi)如何快速實現(xiàn)散熱是一個難以解決的問題。在總體設(shè)計中，熱設(shè)計顯得的十分重要。由于車載計算機顯示控制臺要求設(shè)計小巧精致，但是各個模塊排列緊密，一定會影響不同模塊的散熱效果。為了更好進行散熱，主要使用強迫風冷加熱管散熱。

2）抗振動以及沖擊設(shè)計：

車載電子系統(tǒng)顯示控制臺的工作環(huán)境主要為車載環(huán)境，為了降低振動沖擊對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，需要全面提升電子設(shè)備的可靠性[12]，在其底部安裝減震緩沖系統(tǒng)，其中印制板使用橡膠減震加固措施，硬盤使用獨立的減震系統(tǒng)，在惡劣環(huán)境下確保顯示控制臺的穩(wěn)定性和可靠性。

3）抗干擾設(shè)計：

全面考慮環(huán)境的復雜性，所以要求車載電子系統(tǒng)顯示控制臺具有良好的抗干擾性能，全面提升設(shè)備對電磁環(huán)境的適應(yīng)能力，其中主要包含電磁輻射的屏蔽、噪聲源的控制等。由于整個顯示控制臺內(nèi)部集成度較高且體積較小，十分容易出現(xiàn)較大的電磁干擾。為了全面提升設(shè)備的通風散熱性能，一定會在機殼上開設(shè)通風窗以及通風孔。針對通風孔的設(shè)計原則是盡量降低導磁的截面積以及導磁回路長度，同時對大空洞使用金屬網(wǎng)罩進行屏蔽。

4）三防設(shè)計：

野外環(huán)境的嚴酷一定會引發(fā)金屬材料以及非金屬材料的腐蝕和老化等，從而導致設(shè)備的綜合性能下降。所以需要結(jié)合所處環(huán)境以及影響因素等類型對不同設(shè)備進行相應(yīng)地防護。

2 高速行車條件下車載電子系統(tǒng)顯示控制臺環(huán)境適應(yīng)性分析

結(jié)合環(huán)境主要因素進行劃分，具體如表2所示。

環(huán)境條件是指產(chǎn)品在制造以及存儲等過程中可能遇到的一切外界影響因素，環(huán)境條件主要包含自然條件、誘發(fā)條件或者是兩者的結(jié)合。自然條件主要是指自然界自身存在的條件，主要包含氣候條件以及輻射條件；誘發(fā)條件主要是指人為因素，例如運輸或者裝卸過程中形成的沖擊以及輻射等[13]。

在不同類型的環(huán)境下，車載電子系統(tǒng)顯示控制臺以及所使用的的材料以及零部件均有可能發(fā)生腐蝕或者由于其他環(huán)境效應(yīng)，導致設(shè)備的可靠性降低。隨著各種電子設(shè)備開始逐漸向集成化以及高密度等方面發(fā)展，金屬稍微有腐蝕，會對車載電子系統(tǒng)顯示控制臺的性能產(chǎn)生十分明顯的影響，以下詳細給出環(huán)境因素對設(shè)備產(chǎn)生的影響：

表2 環(huán)境分類

2.1 腐蝕環(huán)境的影響

車載電子系統(tǒng)顯示控制臺腐蝕因素主要有溫濕度以及太陽輻射等，以下給出具體的輻射機理：

1）濕熱對車載電子系統(tǒng)顯示控制臺的腐蝕作用：

通常情況，金屬發(fā)生腐蝕的主要原因就是潮濕，不論是蒸汽還是濕氣，均會造成金屬腐蝕，并且還會加快微生物的成長[14]。

當溫度和濕度兩者共同作用時，在干凈的空氣內(nèi)，金屬腐蝕與溫度、濕度間的關(guān)系為：

式中：

Ψ—大氣相對濕度；

t—大氣溫度。

當大氣中的相對濕度低于或者等于65 %時，在任何條件下金屬都不容易發(fā)生腐蝕；當濕度高于65 %時，即使在干凈的空氣中金屬也會生銹。

2）鹽霧對車載電子系統(tǒng)顯示控制臺的腐蝕作用：

鹽霧也是加速車載電子系統(tǒng)顯示控制臺腐蝕的一個重要因素，尤其是沿海地區(qū)以及海洋環(huán)境，具體的嚴酷程度能夠高達200 mg/m2。

3）霉菌對產(chǎn)品的腐蝕作用：

霉菌主要通過水、氫以及氧作為養(yǎng)料，霉菌的產(chǎn)生促使車載電子系統(tǒng)顯示控制臺的物理性能發(fā)生較大程度的改變，同時還會導致設(shè)備性能受損，無法正常使用。

4）溫度對車載電子系統(tǒng)顯示控制臺的腐蝕作用：

溫度會導致元器件物理性能發(fā)生損傷、參數(shù)漂移且性能下降，它能夠改變材料的性能以及幾何尺寸。另外，化學侵蝕以及腐蝕都會因高溫而加快作用。大部分絕緣材料在高溫下會釋放出有機揮發(fā)氣氛，有效改變電氣特點，并且對元器件產(chǎn)生侵蝕作用。

5）太陽輻射對車載電子系統(tǒng)顯示控制臺的腐蝕作用：

太陽腐蝕造成的部分損傷均來自光譜的其它成分，主要是紫外部分，如果溫度增加，紫外線的反應(yīng)速度也會增加。

2.2 砂塵的影響

在大部分干熱地區(qū)空氣中均含有大量的懸浮砂塵，另外部分地區(qū)也存在季節(jié)性的砂塵，砂塵是影響車載電子系統(tǒng)顯示控制臺環(huán)境適應(yīng)性的重要因素之一。

大部分的塵埃均出現(xiàn)在各個工業(yè)區(qū)附近，主要含有灰塵以及焦油產(chǎn)物等。

2.3 壓力的影響

車載系統(tǒng)中使用的電子設(shè)備，除了受應(yīng)力腐蝕外，一般是不存在特殊的腐蝕問題。

2.4 機械力學環(huán)境的影響

如果車載電子系統(tǒng)顯示控制臺發(fā)生振動，會引發(fā)應(yīng)力疲勞或者導線折斷等情況，促使整個控制臺的能力大幅度降低[15]，同時也容易引入噪聲或者發(fā)生瞬時斷路。

整個實驗主要劃分為三個步驟，具體如下：

1）設(shè)計高速行車條件下車載電子系統(tǒng)顯示控制臺環(huán)境適應(yīng)性分析測試方案，同時建立評估測試平臺，分別測試設(shè)備模塊以及顯示控制臺的頻率響應(yīng)曲線。

2）整理以及分析獲取的頻率響應(yīng)曲線，同時對車載電子系統(tǒng)顯示控制臺進行動力學分析。

3）分析設(shè)備對應(yīng)的模態(tài)參數(shù)，總結(jié)并且分析不同設(shè)備的動力學特性。

測試平臺主要是由電動激振器以及數(shù)據(jù)處理計算機等組成，具體如圖3所示。

圖3 振動測試平臺

通過S工MO測試方法，采用單激振器提供激力，通過激光測距儀或者壓電加速度傳感器設(shè)備或者整機的多點響應(yīng)。為了能夠獲取設(shè)備模塊和平滑模塊兩者的振型，同時也方便監(jiān)測設(shè)備印刷模塊印刷電路板上關(guān)鍵芯片的振型變化，測點布置使用網(wǎng)格化密集布點方式，網(wǎng)格的交點處為測試點位置，同時在重要元器件部分將網(wǎng)格細化處理，促使其能夠更加全面反映整個車載電子系統(tǒng)顯示控制臺的振動響應(yīng)。

為了滿足有限元的分析，需要將插箱轉(zhuǎn)換為可分析的幾何模型，在ANSYSA中必須要統(tǒng)一單位制，具體如表2所示。

結(jié)合相關(guān)規(guī)則，選用表3所示的單元以及實常數(shù)。

通過正弦掃頻分析方法對所設(shè)計的車載電子系統(tǒng)顯示控制臺進行粗略的掃描，其中頻率間隔為5，獲取如圖4所示的曲線。

為了獲取芯片表面在共振時的最大位移量，需要對兩個設(shè)定的頻點進行掃描，獲取如圖5所示的曲線。

通過分析圖4和圖5中的實驗數(shù)據(jù)能夠獲取以下結(jié)論：

1）最大位移量為0.75 mm；

2）全部固有頻率點均發(fā)生了共振，但是共振能量被設(shè)備阻尼削弱。

表2 協(xié)調(diào)單位制列表

表3 單元以及實常數(shù)表格

圖5 不同頻率下掃描曲線圖

圖6 加載位置和響應(yīng)位置關(guān)系分析

在高速行車條件下，利用圖6給出加載位置和響應(yīng)位置兩者間的位移差。

分析圖6中的實驗數(shù)據(jù)可知，當激勵消失以后，設(shè)備內(nèi)的阻尼自由振動，但是加速度響應(yīng)值迅速降低。

3 結(jié)束語

重點對高速行車條件下車載電子系統(tǒng)顯示控制臺環(huán)境適應(yīng)性進行分析，同時對顯示控制平臺進行設(shè)計，并且展開了有關(guān)環(huán)境適應(yīng)分析的研究。通過測試結(jié)果表明，所設(shè)計的顯示控制臺各項設(shè)計均符合設(shè)定的需求，從而也驗證了方案設(shè)計的合理性以及優(yōu)越性。