| 标题 | 一种车载中控计算机的设计 |
| 范文 | 尹申燕+黄莹莹 摘 要： 全面介绍一种车载平台的中心控制计算机的设计与实现，基于其中心控制与管理的功能需求和车载平台严酷使用环境的可靠性要求，首先论述整机电气和结构的架构设计，然后详细阐述单机内部主要电路板卡如嵌入式CPCI计算机板、KVM切换板、千兆网络交换板、多串口扩展板的电气设计要点，最后提出单机结构加固及减振散热措施。该中心控制计算处理能力强、操作便捷、接口众多、可靠性高，对同类车载平台中心控制计算机的设计具有很强的参考意义。 关键词： 中控计算机； CPCI； ATR； 多电脑控制器； 千兆网络交换； 多串口扩展 中图分类号： TN701?34 文献标识码： A 文章编号： 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 地面电子战系统主要以车载平台为基础构建，将天线、发射机、接收机、数字处理机等功能单元集成安装在车载平台之上，完成特定的战术功能。为了有效操控这一功能复杂的系统，需要设计一台车载中心控制计算机，其同车载显示器一起，提供友好的“人?机”交互接口，让操作员便捷地完成对电子战系统的管理和控制。本文详细阐述了该中心控制计算机的设计思路和实现原理，以及其散热加固措施，可用作类似车载平台中心控制计算机的设计参考。 1 应用设计要求 1.1 应用环境 电子战车载任务系统操控示意图如图1所示，由中心控制计算机和显示器及输入控制设备构成的 “人?机”交互子系统是操作员与车载任务系统的“人?机”接口，主要完成电磁频谱的态势感知和状态显示以及任务系统控制。 图1 中心控制计算机应用示意图 中心控制计算机将来自个功能单元的信息收集汇总，展现给操作员；同时将接收操作员的各种控制指令分发给任务系统各个功能单元，触发任务系统的状态改变，进而完成任务，是车载任务系统的信息采集和指令分发中心。 1.2 设计要求 车载任务系统的应用需求为中心控制计算机的设计提出了如下需求，成为单机设计的依据： （1） 中控处理：设备应处理能力强大，接口丰富，便于实现电子系统的集中管控； （2） 简化操作：设备为适应装备行进间工作的特点，应通过尽量简单的操作完成系统操控； （3） 按需配置：设备可通过配置不同的扩展板卡，适应各种电子战系统装备的不同需求； （4） 通用化、标准化：设备需满足通用化、模块化、标准化要求，便于生产、维修； （5） 环境适应能力：设备需满足车载平台设备装载、环境适应性和可靠性要求。 2 单机设计 2.1 整机架构 依据上述需求，单机采用抗振性能优良的航空运输机架（Air Transport Rack，ATR）结构形式，CPCI（Compact Peripheral Component Interconnect 紧凑型外围设备互联）总线电气架构，由4个嵌入式计算机板及其多个外围扩展板卡，键盘、视频、串口（Key Video Serial Port，KVM）切换板、千兆网络交换板和CPCI电源模块等电路模块有机组合而成，其整机架构如图2所示。 图2 中心控制计算机框图 为完成系统复杂的处理功能，单机内设计了4台嵌入式CPCI计算机板，各个计算机板可同时运行不同的软件，使整机成为一个多任务处理系统。每个计算机板再通过32位CPCI总线扩展外部接口板卡，1号计算机板PC1和2号计算机板PC2分别连接1个多串口卡，使得中控计算机可通过串口控制外部数据率较低的设备；3号计算机板PC3扩展1个4通道的视频采集卡，连接普通光学摄像头可用作密闭车载平台的普通行车监视仪，连接红外摄像头则可用作热成像监视仪；4号计算机板PC4扩展1个加密认证卡，系统只有通过专用加密认证后才可登陆，可在用于安装运行密级较高的数据库等软件，为整个车载系统提供必要的安全保证措施。 4台嵌入式CPCI计算机板的网口连接到内部12端口的千兆网络交换板，与该板卡的其余8个网口一起组成一个车载局域网。4台嵌入式CPCI计算机板KVM信号共同进入KVM切换板，经过切换后送到2个显示器输出，这使得位于2个显示器后面操作员则通过该中心控制计算机全面掌控了整个车载电子系统。单机内部设计有一个CPCI电源模块，将外部输入的+28 V直流电压转换成CPCI标准电压输出，为单机内部的众多板卡供电。 按此构建的中心控制计算机具备了车载任务系统要求的所有特性：处理能力强大、扩展接口众多、数据交换快捷、安保措施严密、操作控制方便。 2.2 母板设计 按CPCI总线构建的设备主要由系统处理板卡、外围扩展板卡和母板构成，是比桌面计算机更适合于工业现场应用的架构[1]，广泛应用于电子战系统的处理、控制设备。 中心控制计算机母板结合CPCI规范和本单机架构设计而成，共有15个槽位宽，每个CPCI槽位宽[1]20.32 mm，整个母板尺寸为310.00 mm×262.00 mm。 母板的槽位分布如图3所示， 4个系统槽位，安装4个嵌入式计算机板；5个扩展槽位，安装多串口卡、视频采集卡、加密卡等特定功能扩展板卡，扩展板卡通过母板上的32位PCI总线与对应的系统槽位计算机互联；剩余7个槽位为独立功能槽位，分别安装KVM切换板、千兆网络交换板、电源模块（2槽宽）以及用作单机信号输出的转接连接器的安装区域（3槽宽）。 图3 CPCI母板模块排布图 单机内的功能板卡除加密卡为3U板卡（100.00 mm×160.00 mm）外，其余均为6U板卡（233.35 mm×160.00 mm）[1]。母板承担了CPCI电源到负载电路的配电，KVM信号、千兆网络信号以及多条32位PCI总线信号的转接，传输信号众多，电路板厚度达到了4.00 mm。 3 模块电路设计 3.1 嵌入式计算机板 单机内部共有4个嵌入式CPCI计算机板，每个计算机板的性能和使用方法与一台普通计算机相同，每个均可通过KVM切换由操作员接管，运行系统软件，下发指令，完成相应的战术任务。板卡上侧的普通计算机接口（VGA、网口、串口、USB口），用于单板调试；32位CPCI总线信号和所有上述计算机接口信号均同时通过CPCI接头输出到母板。4个嵌入计算机板的输出信号母板的互联，构成一个功能强大的多任务处理系统。 为了适应车载平台的使用需求（尺寸小、需抗振），单机所用计算机板是在研华公司CPCI计算机板上修改结构设计而成，改进后的嵌入式ATR计算机板如图4所示，标准CPCI?6U板卡，外加盒体、提耳和锁紧条，以适应在ATR机箱内的安装，单机内所有其他6U?CPCI板卡的结构形式与图4相同。 图4 6U?CPCI ATR计算机板 3.2 KVM切换板 KVM 是计算机标准输入输出信号Key（键盘）Video（视频）Mouse（串口）的简写，特指利用一组KVM信号即可实现对多台计算控制的多电脑控制器[2]。其实质上为一个“多输入单输出”的信号切换开关，通过对多路计算机输入KVM信号的选择输出，从而实现单个操作员对多台计算机的控制，进而完成复杂系统任务的集中控制和处理，便捷操控的同时节省了空间节约了成本。 单机内部嵌入了4台嵌入式计算机板，外部又设计了2个操作席位，因此需要设计一个 “4入2出”的KVM切换板，其电气框图如图5所示。 4个嵌入式计算机板的4组KVM信号经母板引入KVM切换矩阵，KVM切换开关信号经单机面板引至操作员附近，操作员通过按切换键，由KVM输出SA1和SA2分别选择4路KVM信号中任意1路，输出到显示器，从而实现了1个操作员对单机内4台嵌入式计算机板的轮流控制。这样，车内坐在2个显示器前面2个操作员利用中控计算机的这一功能，即可完成对整个车载电子战系统的管理和控制。 图5 KVM交换板框图 3.3 千兆网络交换板 车载中控计算机内部嵌有4个计算机板，单机还连接着车载系统的其他单机或者车外的其他电子系统，这些设备之间快速数据交换是十分必要的。因此，在单机内部设计了一个嵌入式的千兆网络交换机板，由其将单机内外所有计算机和系统连接成一个局域网，可快速便捷地完成单机内外数据交换，使单机成为一个数据交换中心。网络交换板的原理框图如图6所示，1个主控芯片VSC7407完成板卡的管理控制和数据交换，外接4个VSC8664驱动芯片（每个支持4个网口），完成对外12个网络端口信号的数据链路层和物理层驱动。 图6 千兆网络交换板框图 3.4 多串口扩展板 车载系统外围单机中，高速据率的设备通过网口同中控计算机完成数据交互，但一些低数据率速设备如GPS授时设备、天线伺服设备等，通过串口进行数据交互是简易可行的方式。因此，单机内部设计了专用的多串口扩展板，用于对此类设备的连接。 多串口扩展板原理框图如图7所示，CPCI计算机板CPU的32为总线通过桥接芯片9054连接到本地的双路通用异步串口芯片ST16C552[4]，然后经过RS 232和RS 422电平转换芯片转换标准串口连接外部设备。根据系统需求定制的多串口扩展板共有12个RS 422串口、4个RS 232串口，波特率最高可达115 200 b/s。利用多串口扩展板，中控计算机可以连接众多的串口型车载外围设备。 图7 多串口扩展板框图 4 结构设计 4.1 ATR机箱 为适应车载平台在行进间工作的要求，中心控制计算机需采取必要的结构加固措施。因此，单机采用了ATR机箱设计标准，该标准为ARINC 404，定义了一系列安装于航空机架上各个单机的尺寸、安装方式、抗振措施、散热方法等，从而保证该单机能现场快速完成更换，方便使用。ATR机箱结构也广泛应用于轮式、运动、船舰等平台之中，这些平台都有着严酷的使用环境——冲击、振动、温度变化、潮湿、盐雾[3]。单机外形尺寸为400 mm×290 mm×246 mm，单机配有适用于车载平台的专用安装托架，托架配装散热风机和减振器，其内部俯视图与安装散热示意图如图8所示。 图8 中控计算机内部俯视图及安装散热示意图 4.2 散热设计 本单机内部有4个嵌入式计算机板及多个外围扩展卡，工作频率高，处理任务大，整机功耗约125 W，若无有效的散热措施，热量聚集将会导致计算板CPU温度过高，甚至超过100°，从而导致计算机死机加固计算机中散热设计主要由传导和对流两种方式，传导途径为：元器件—导热硅脂—导热板—机箱壁和机箱周围环境[5]。单机同时采用了传导和强迫风冷的散热方式：机箱左、右侧板为冷板，内钎焊有两层型材翅片，以增大散热面积并形成风道，机箱内各模块通过其金属盒体或者印制板上的金属垫条将热量传导至左、右侧板，再通过减振安装架上的直流风机形成的负气压将单机内部热量排出。 4.3 抗振设计 单机采取了以下两方面的抗振措施。其一是紧固措施：首先通过模块两侧的锁紧条将模块紧固在单机侧壁，然后通过托架上前端的快锁装置和后端的定位插销将单机紧固在安装架之上，最后单机面板采用JY27466系列的符合GJB 599A高强度抗振系列插座，保证了单机输入输出信号的可靠接触。其二是减振措施：特制的减振安装架配有4个减振器，作为单机的隔振措施，减小车载平台行进间的振动对单机内部电子器件的影响。 5 结 语 本文依据工程研制经验，论述了应用于车载平台的中心控制计算机的电气、结构设计思路，并具体阐述了其典型电路模块的设计要点。所论述的单机集成度高、处理能力强大、散热和抗振措施可靠、通用性及标准化程度高，对类似的中心控制计算机设计具有很强的指导借鉴意义。 参考文献 [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] 毕文兰.试论加固计算机[J].山西电子技术，2001（3）：47?48. [6] 王维锋，陈建明.车载计算机主板测试系统设计[J].现代电子技术，2013，36（10）：67?70. 图6 千兆网络交换板框图 3.4 多串口扩展板 车载系统外围单机中，高速据率的设备通过网口同中控计算机完成数据交互，但一些低数据率速设备如GPS授时设备、天线伺服设备等，通过串口进行数据交互是简易可行的方式。因此，单机内部设计了专用的多串口扩展板，用于对此类设备的连接。 多串口扩展板原理框图如图7所示，CPCI计算机板CPU的32为总线通过桥接芯片9054连接到本地的双路通用异步串口芯片ST16C552[4]，然后经过RS 232和RS 422电平转换芯片转换标准串口连接外部设备。根据系统需求定制的多串口扩展板共有12个RS 422串口、4个RS 232串口，波特率最高可达115 200 b/s。利用多串口扩展板，中控计算机可以连接众多的串口型车载外围设备。 图7 多串口扩展板框图 4 结构设计 4.1 ATR机箱 为适应车载平台在行进间工作的要求，中心控制计算机需采取必要的结构加固措施。因此，单机采用了ATR机箱设计标准，该标准为ARINC 404，定义了一系列安装于航空机架上各个单机的尺寸、安装方式、抗振措施、散热方法等，从而保证该单机能现场快速完成更换，方便使用。ATR机箱结构也广泛应用于轮式、运动、船舰等平台之中，这些平台都有着严酷的使用环境——冲击、振动、温度变化、潮湿、盐雾[3]。单机外形尺寸为400 mm×290 mm×246 mm，单机配有适用于车载平台的专用安装托架，托架配装散热风机和减振器，其内部俯视图与安装散热示意图如图8所示。 图8 中控计算机内部俯视图及安装散热示意图 4.2 散热设计 本单机内部有4个嵌入式计算机板及多个外围扩展卡，工作频率高，处理任务大，整机功耗约125 W，若无有效的散热措施，热量聚集将会导致计算板CPU温度过高，甚至超过100°，从而导致计算机死机加固计算机中散热设计主要由传导和对流两种方式，传导途径为：元器件—导热硅脂—导热板—机箱壁和机箱周围环境[5]。单机同时采用了传导和强迫风冷的散热方式：机箱左、右侧板为冷板，内钎焊有两层型材翅片，以增大散热面积并形成风道，机箱内各模块通过其金属盒体或者印制板上的金属垫条将热量传导至左、右侧板，再通过减振安装架上的直流风机形成的负气压将单机内部热量排出。 4.3 抗振设计 单机采取了以下两方面的抗振措施。其一是紧固措施：首先通过模块两侧的锁紧条将模块紧固在单机侧壁，然后通过托架上前端的快锁装置和后端的定位插销将单机紧固在安装架之上，最后单机面板采用JY27466系列的符合GJB 599A高强度抗振系列插座，保证了单机输入输出信号的可靠接触。其二是减振措施：特制的减振安装架配有4个减振器，作为单机的隔振措施，减小车载平台行进间的振动对单机内部电子器件的影响。 5 结 语 本文依据工程研制经验，论述了应用于车载平台的中心控制计算机的电气、结构设计思路，并具体阐述了其典型电路模块的设计要点。所论述的单机集成度高、处理能力强大、散热和抗振措施可靠、通用性及标准化程度高，对类似的中心控制计算机设计具有很强的指导借鉴意义。 参考文献 [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] 毕文兰.试论加固计算机[J].山西电子技术，2001（3）：47?48. [6] 王维锋，陈建明.车载计算机主板测试系统设计[J].现代电子技术，2013，36（10）：67?70. 图6 千兆网络交换板框图 3.4 多串口扩展板 车载系统外围单机中，高速据率的设备通过网口同中控计算机完成数据交互，但一些低数据率速设备如GPS授时设备、天线伺服设备等，通过串口进行数据交互是简易可行的方式。因此，单机内部设计了专用的多串口扩展板，用于对此类设备的连接。 多串口扩展板原理框图如图7所示，CPCI计算机板CPU的32为总线通过桥接芯片9054连接到本地的双路通用异步串口芯片ST16C552[4]，然后经过RS 232和RS 422电平转换芯片转换标准串口连接外部设备。根据系统需求定制的多串口扩展板共有12个RS 422串口、4个RS 232串口，波特率最高可达115 200 b/s。利用多串口扩展板，中控计算机可以连接众多的串口型车载外围设备。 图7 多串口扩展板框图 4 结构设计 4.1 ATR机箱 为适应车载平台在行进间工作的要求，中心控制计算机需采取必要的结构加固措施。因此，单机采用了ATR机箱设计标准，该标准为ARINC 404，定义了一系列安装于航空机架上各个单机的尺寸、安装方式、抗振措施、散热方法等，从而保证该单机能现场快速完成更换，方便使用。ATR机箱结构也广泛应用于轮式、运动、船舰等平台之中，这些平台都有着严酷的使用环境——冲击、振动、温度变化、潮湿、盐雾[3]。单机外形尺寸为400 mm×290 mm×246 mm，单机配有适用于车载平台的专用安装托架，托架配装散热风机和减振器，其内部俯视图与安装散热示意图如图8所示。 图8 中控计算机内部俯视图及安装散热示意图 4.2 散热设计 本单机内部有4个嵌入式计算机板及多个外围扩展卡，工作频率高，处理任务大，整机功耗约125 W，若无有效的散热措施，热量聚集将会导致计算板CPU温度过高，甚至超过100°，从而导致计算机死机加固计算机中散热设计主要由传导和对流两种方式，传导途径为：元器件—导热硅脂—导热板—机箱壁和机箱周围环境[5]。单机同时采用了传导和强迫风冷的散热方式：机箱左、右侧板为冷板，内钎焊有两层型材翅片，以增大散热面积并形成风道，机箱内各模块通过其金属盒体或者印制板上的金属垫条将热量传导至左、右侧板，再通过减振安装架上的直流风机形成的负气压将单机内部热量排出。 4.3 抗振设计 单机采取了以下两方面的抗振措施。其一是紧固措施：首先通过模块两侧的锁紧条将模块紧固在单机侧壁，然后通过托架上前端的快锁装置和后端的定位插销将单机紧固在安装架之上，最后单机面板采用JY27466系列的符合GJB 599A高强度抗振系列插座，保证了单机输入输出信号的可靠接触。其二是减振措施：特制的减振安装架配有4个减振器，作为单机的隔振措施，减小车载平台行进间的振动对单机内部电子器件的影响。 5 结 语 本文依据工程研制经验，论述了应用于车载平台的中心控制计算机的电气、结构设计思路，并具体阐述了其典型电路模块的设计要点。所论述的单机集成度高、处理能力强大、散热和抗振措施可靠、通用性及标准化程度高，对类似的中心控制计算机设计具有很强的指导借鉴意义。 参考文献 [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] 毕文兰.试论加固计算机[J].山西电子技术，2001（3）：47?48. [6] 王维锋，陈建明.车载计算机主板测试系统设计[J].现代电子技术，2013，36（10）：67?70. |
| 随便看 |
|
科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。