| 标题 | 基于CompactPCI的抗恶劣环境计算机设计 |
| 范文 | 翟其建 摘 要：为了解决基于CompactPCI的计算机无法适应恶劣环境的问题，提出了基于CompactPCI的抗恶劣环境计算机的设计方法。该方法中包括基于CompactPCI的抗恶劣环境计算机的设计思路和实现过程。该方法通过电气设计、热设计、电磁兼容设计等多种设计实现计算机的抗恶劣环境效果，在进行设计的过程中采用仿真、测试等多种手段对设计数据进行了验证，从而保证了设计的正确性。该方法已经投入应用，在应用过程中取得了良好的效果。 关键词：CompactPCI； 抗恶劣环境； 计算机； 热设计 中图分类号：TN876-34 文献标识码：A 文章编号：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的计算机在工业控制领域的应用非常广泛，是在某些对环境适应性要求比较高的领域，为了保证计算机性能的稳定发挥，需要针对这些计算机进行抗恶劣环境设计。 基于CompactPCI的抗恶劣环境计算机的设计主要包括几个方面：电气设计、热设计、抗振性设计、电磁兼容设计等多个。在设计中除了包含以上的设计内容外还需要考虑温度适应性和可靠性。文中以一种通用的CompactPCI抗恶劣计算机的设计过程为例，对该计算机的主要设计方面进行了介绍琜1]。 1 计算机组成原理 在本文中基于CompactPCI的抗恶劣环境计算机设计的重点在于制定一个通用的系统实现方案。如图1所示的基于CompactPCI的抗恶劣环境计算机，该系统是在参考了CompactPCI规范和国外成熟产品的基础上提出的一个系统集成方案。系统由几种典型模块组成，组成模块的功能可以根据实际的需要进行拆分、组合。 主模块是整个系统的核心，负责系统总线的初始化以及数据处理任务，从主模块引出的PCI总线可以直接连接各种CompactPCI外设模块如输入/输出(以下简称IO)模块。IO模块板基于PCI总线接口，这种模块的数据吞吐速率快，可以适用于需要大数据量传输的场合。CompactPCI背板提供各个模块之间连接的通道。 图1 基于CompactPCI的抗恶劣环境计算机组成原理框图 2 计算机设计实现 如图2所示，抗恶劣环境计算机采用密封式加固设计，计算机的组成模块通过两侧锁紧装置将盖板紧贴机箱壁,采用传导散热与强迫风冷散热相结合的设计方法进行散热。这样既可以保证在振动环境下物理连接的稳固性，也可以达到散热效果。 图2 基于CompactPCI的抗恶劣环境 计算机机箱外形图 2.1 电气设计 基于CompactPCI的抗恶劣环境计算机的电气设计主要包括主计算机模块设计、电源模块设计、组成外设模块设计等方面。由于计算机的温度适应性也是提高环境适应性的重要方面。为了保证计算机的低温性能，在进行电气设计时，需要选择低温性能好的组成模块或元器件，如电池等在选型时应该充分地考虑温度适应性。为了保证计算机设计的可靠性，集成电路、分立元器件、接插件应选用工业级或工业级以上的产品。 2.1.1 主计算机模块的实现 为了实现小体积高性能的抗恶劣环境计算机主模块设计，需要选择使用工作功耗和待机功耗低的处理器以及配套芯片组，如Intel公司的低功耗x86处理器或飞思卡尔公司的PowerPC系列处理器，同时可根据需要自行设计外围电路，因为受到空间的限制，外围电路满足使用需要即可，不需要将所有的功能都集成。 2.1.2 电源模块的实现 抗恶劣环境计算机的电源要求体积小、重量轻、功耗小。同时，电源采用模块化的设计，以方便进行替换插拔。 2.1.3 CompactPCI外设模块实现技术 抗恶劣环境CompactPCI外设模块电气设计在一般要求的基础上，主要需要考虑模块的可靠性、高低温工作性能、模块的IO设计方式。模块的可靠性、高低温工作性能主要从设计方法和器件选型方面入手。由于抗恶劣环境计算机一般采用全封闭的设计，因此一般不采用前出线的方式，模块的IO信号由与背板相连的接插件引出。 2.2 热设计 热设计方面，第一步是进行传热及流动阻力理论设计计算，在第一步完成后使用仿真软件对密封机箱散热系统进行了分析，分析条件参照一些相关的国家标准的高温试验条件。通过仿真分析，验证了系统的换热能力，论证了设计的合理性，验证了系统理论计算输出数据的可靠性。 2.2.1 热设计分析 抗恶劣环境计算机的热设计，首先从确定冷却方法开始，要有效地控制元器件或设备的温度，需要确定它们的发热量、与散热有关的结构尺寸、工作环境及其他特殊要求。在对计算机设计的过程中，基本上采用了可靠性高、成本低、不需要外部驱动装置的自然冷却法。 传热的三种基本形式包括传导换热、对流换热和辐射换热。 传导换热又称热传导,基本定律是傅里叶定律,具体如下: φ=－λ郸唱郸 (1) 式中:λ为材料的导热系数(单位：W/m?K);φ为热流密度(单位：W/m2)。 对流换热是指固体的表面与它周围接触的流体之间,由于存在温差而引起的热量的交换。对流换热可以分为两类:自然对流和强迫对流。对流换热用牛顿冷却方程来描述: φ=hA(Tw－Tf) (2) 式中:h为对流换热系数(单位：W/m2?K);A为固体壁面换热面积(单位：m2);Tw为固体表面的温度(单位：K);Tf为周围流体的温度(单位：K)。 辐射换热指物体发射电磁能,并被其他物体吸收转变为热的热量交换过程。在工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的辐射,系统中每个物体同时辐射并吸收热量。它们之间的净辐射换热量传递可以用斯蒂芬-玻尔兹曼定律来计算: φ=εσA1F12(T41－T42) (3) 式中:ε为发射率；σ为斯蒂芬玻尔兹曼常数(单位：W/m2?K4)；A1为辐射面1的面积(单位：m2)，F12为1表面对2表面的角系数；T1，T2为辐射面1，2表面的绝对温度(单位：K)琜2-3]。 本设计采用的主要散热方式是外部采用对流散热方式，内部以传导换热为主，辐射换热为辅，通过热分析研究整个循环系统对机箱内部的平均工作温度的影响同时完成循环系统关键参数的计算，确定外部热交换技术参数，优化系统热设计方案。 通过仿真与实物测试的数据分析得到抗恶劣环境计算机热量传递的路径如图3所示，整个系统的热阻主线分布成串联状态。其中发热器件到盖板的传递热阻比重大，这个方面主要是与加工精度及导热间隙填料传导率有关，其中间隙填料传导系数低所占的比重比较大，另外电子元器件的设计日趋微型化使换热面积减小，热量密集度过高且不易传递也是重要的因素。目前国内外导热间隙填料基础研究都存在局限性，已知的最好导热材料导热系数仅为10左右，但是这些材料的成本过高，而常用的材料的导热系数均停留在10以下，所以受基础材料研究的影响，提高导热材料导热率来改善传导效率，改善空间很小。通过改善其他串联热端的热传递速度成为热控制技术发展的关键。 图3 抗恶劣环境计算机热量传递路径 针对常用的抗恶劣环境计算机定位二个影响热传递的薄弱环节，模块与机箱热量之间传递不利；不同的风机对机箱的温度影响很大。 因此最终结论为：尽量减少热量传递环节；提高导热材料的传导率；合理对风机进行选型和布放。 2.2.2 热设计仿真 使用Icepak,Ansys等专业仿真分析软件进行了设计的前端仿真设计，整个仿真结论为设计提供了理论依据，对局部设计进行了优化计算，提高了设计的可靠性。仿真的效果图见图4，根据仿真的结果可以直接进行参数的反馈修改。 图4 抗恶劣环境计算机热仿真的效果图 2.3 机箱的抗振性设计 在初步设计的计算机机箱结构形式上，可采用仿真软件(如Ansys软件)进行结构应力前端仿真分析，通过分析找出了箱体的强度设计薄弱点，提高了机箱的抗振性。 抗振设计可采用的主要措施包括结构刚性化、隔离、使用、减振器等。结构刚性化只要是在薄弱的机箱壁上增加加强筋，合理布置组件的分布等。隔离措施一般用于结构紧凑、空间有限、隔振要求高而无法安装减振器的场合，主要是使用柔软材料如(海面胶板)或小型减振器件(如簧片)隔离振动。减振器一般用于整机等大型装置,不仅可以起到减振作用，对于外部撞击、跌落等意外情况也能起到很好的防护作用。 除了主要措施之外，对内部连接电缆等接插件，采用点热固胶、线缆固定架、走线槽等方式进行加固防护。对固定螺丝采取防松措施。一般均采用带弹簧垫圈和平垫圈的螺钉，无法加弹簧垫圈和平垫圈的螺钉加螺纹胶进行防松脱处理。 2.4 电磁兼容设计 在电气性能和环境适应性不断提高的同时，电磁兼容性能也越来越受重视。目前几乎所有应用均对抗恶劣环境计算机的电磁兼容性能有强制性要求琜4]。 抗恶劣环境计算机电磁兼容设计可采取的主要措施有屏蔽、接地、走线规划三个方面。 2.4.1 屏蔽技术 屏蔽技术用来抑制电磁辐射沿空间的传播，即切断辐射的途径。屏蔽的实质是将关键电路包围在一个屏蔽空间内，使耦合到个电路的电磁场通过反射和吸收被衰减。 屏蔽机箱最好采用有一定厚度的金属机箱。要想取得好的屏蔽效果，最好选用同时具有高导磁性能和高导电性能的屏蔽材料。为了改善低频磁场的屏蔽效能，应采用高磁导率材料，但磁导率高的材料通常电导率不是很好，会降低对电场的屏蔽效能。为了解决这个矛盾，最好的办法是采用镀涂方法在高磁导率(或高电导率)材料的表面增加一层高电导率(或高磁导率)材料。以不锈钢盖板为例，其按照RE102规范进行测试时的曲线见图5。 在实际的设计中，机箱都会含有一些孔洞和缝隙，这些孔洞和缝隙会引起电磁泄漏，使屏蔽效能远低于完整金属板的理论计算值。当孔洞、缝隙的尺寸大小等于半波长的整数倍时，电磁泄漏最大，一般要求缝长或孔径小于波长的1%。 图5 使用不锈钢盖板的RE102测试曲线 2.4.2 接地技术 接地技术是最廉价和最有效的方法，设计良好的地平面可以有效的减小其电磁辐射，并且可以提高设备自身的抗干扰性。具体的实现方法是在计算机内部将电源地、数字地和机壳地短接，同时控制接地线长度，增加接地线的截面积，以减小接地阻抗；另外计算机外部预留接地螺栓位置。 2.4.3 走线规划 通过走线规划保证计算机内部走线的合理性，在进行走线规划时注意电源线、信号线的分开布放，不同频率的信号线的分开布放；高频信号线和低频信号线的分开布放；强电流信号线和弱电流信号线的分开布放；高电压信号线和低电压信号线的分开布放；容易产生干扰的线缆和敏感信号电缆的分开布放。 2.5 防腐防潮设计 计算机机箱外部框架及组成模块的盖板零件应进行防腐防潮设计，具体的实现方法是在导电涂覆处理后，作外部油漆处理；所有模块盖板、计算机内部支架进行表面处理(如氧化发黑)；所有组成模块的印制电路板进行三防处理；所有插座安装面用密封衬垫密封；所有可拆卸搭接面(含面板等)采用复合材料密封。 2.6 可靠性和可维修性设计 在可靠性方面各主要功能模块所用的元器件进行检验和老化筛选试验；各主要功能模块完成调试、三防后，随整机进行环境应力筛选试验。 在可维修性方面为了保证计算机各组成模块可进行快速安装，从而方便模块的维修更换，所有功能模块在机箱中通过导轨放置，可方便、快速拉出，从而方便插拔电缆、更换元器件；同时前盖板采用不脱落锁紧螺钉，也可方便维护时快速拆装。 3 结 语 基于CompactPCI的抗恶劣环境计算机按照CompactPCI规范设计，采用热设计、抗振设计、电磁兼容设计、防腐防潮设计、可靠性设计等多种设计方法保证了计算机抗恶劣环境性能的实现。基于CompactPCI的抗恶劣环境计算机的设计方法已经成功应用，在应用过程中性能稳定，效果良好。 参考文献 ［1］邱成悌.电子设备结构设计原理［M］.南京：东南大学出版社，2007. ［2］黄冬梅.密封机箱的热设计［C］//中国电源散热器应用和技术发展研讨会论文集.北京：中国电源学会，2005：87-91. ［3］杨继深.电磁兼容技术之产品研发与认证［M］.北京：电子工业出版社，2004. ［4］陶文铨.数值传热学［M］.西安：西安交通大学出版社，1988. ［5］王刚,吴斌,郝荣荣，等.CompactPCI总线技术及系统设计[J].现代电子技术,2005,28(16):92-94. ［6］张森，程伟良，孙东红，等.太阳能供热系统储热水箱散热机理分析研究[M].电网与清洁能源，2010，26(1):73-76. ［7］季宇．VxWorks操作系统下CompactPCI总线驱动程序设计［J］．电子设计工程，2009（6）：99-101． ［8］徐立颖．加固计算机热设计［J］.现代电子技术，2009，32（2）：85-90． 注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文 |
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