基于CompactPCI的抗惡劣環境計算機設計

翟其建

摘 要：為了解決基于CompactPCI的計算機無法適應惡劣環境的問題，提出了基于CompactPCI的抗惡劣環境計算機的設計方法。該方法中包括基于CompactPCI的抗惡劣環境計算機的設計思路和實現過程。該方法通過電氣設計、熱設計、電磁兼容設計等多種設計實現計算機的抗惡劣環境效果，在進行設計的過程中采用仿真、測試等多種手段對設計數據進行了驗證，從而保證了設計的正確性。該方法已經投入應用，在應用過程中取得了良好的效果。

關鍵詞：CompactPCI； 抗惡劣環境； 計算機； 熱設計

中圖分類號：TN876-34

文獻標識碼：A

文章編號：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的計算機在工業控制領域的應用非常廣泛，是在某些對環境適應性要求比較高的領域，為了保證計算機性能的穩定發揮，需要針對這些計算機進行抗惡劣環境設計。

基于CompactPCI的抗惡劣環境計算機的設計主要包括幾個方面：電氣設計、熱設計、抗振性設計、電磁兼容設計等多個。在設計中除了包含以上的設計內容外還需要考慮溫度適應性和可靠性。文中以一種通用的CompactPCI抗惡劣計算機的設計過程為例，對該計算機的主要設計方面進行了介紹琜1]。

1 計算機組成原理

在本文中基于CompactPCI的抗惡劣環境計算機設計的重點在于制定一個通用的系統實現方案。如圖1所示的基于CompactPCI的抗惡劣環境計算機，該系統是在參考了CompactPCI規范和國外成熟產品的基礎上提出的一個系統集成方案。系統由幾種典型模塊組成，組成模塊的功能可以根據實際的需要進行拆分、組合。

主模塊是整個系統的核心，負責系統總線的初始化以及數據處理任務，從主模塊引出的PCI總線可以直接連接各種CompactPCI外設模塊如輸入/輸出(以下簡稱IO)模塊。IO模塊板基于PCI總線接口，這種模塊的數據吞吐速率快，可以適用于需要大數據量傳輸的場合。CompactPCI背板提供各個模塊之間連接的通道。

圖1 基于CompactPCI的抗惡劣環境計算機組成原理框圖

2 計算機設計實現

如圖2所示，抗惡劣環境計算機采用密封式加固設計，計算機的組成模塊通過兩側鎖緊裝置將蓋板緊貼機箱壁,采用傳導散熱與強迫風冷散熱相結合的設計方法進行散熱。這樣既可以保證在振動環境下物理連接的穩固性，也可以達到散熱效果。

圖2 基于CompactPCI的抗惡劣環境

計算機機箱外形圖

2.1 電氣設計

基于CompactPCI的抗惡劣環境計算機的電氣設計主要包括主計算機模塊設計、電源模塊設計、組成外設模塊設計等方面。由于計算機的溫度適應性也是提高環境適應性的重要方面。為了保證計算機的低溫性能，在進行電氣設計時，需要選擇低溫性能好的組成模塊或元器件，如電池等在選型時應該充分地考慮溫度適應性。為了保證計算機設計的可靠性，集成電路、分立元器件、接插件應選用工業級或工業級以上的產品。

2.1.1 主計算機模塊的實現

為了實現小體積高性能的抗惡劣環境計算機主模塊設計，需要選擇使用工作功耗和待機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，同時可根據需要自行設計外圍電路，因為受到空間的限制，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 電源模塊的實現

抗惡劣環境計算機的電源要求體積小、重量輕、功耗小。同時，電源采用模塊化的設計，以方便進行替換插拔。

2.1.3 CompactPCI外設模塊實現技術

抗惡劣環境CompactPCI外設模塊電氣設計在一般要求的基礎上，主要需要考慮模塊的可靠性、高低溫工作性能、模塊的IO設計方式。模塊的可靠性、高低溫工作性能主要從設計方法和器件選型方面入手。由于抗惡劣環境計算機一般采用全封閉的設計，因此一般不采用前出線的方式，模塊的IO信號由與背板相連的接插件引出。

2.2 熱設計

熱設計方面，第一步是進行傳熱及流動阻力理論設計計算，在第一步完成后使用仿真軟件對密封機箱散熱系統進行了分析，分析條件參照一些相關的國家標準的高溫試驗條件。通過仿真分析，驗證了系統的換熱能力，論證了設計的合理性，驗證了系統理論計算輸出數據的可靠性。

2.2.1 熱設計分析

抗惡劣環境計算機的熱設計，首先從確定冷卻方法開始，要有效地控制元器件或設備的溫度，需要確定它們的發熱量、與散熱有關的結構尺寸、工作環境及其他特殊要求。在對計算機設計的過程中，基本上采用了可靠性高、成本低、不需要外部驅動裝置的自然冷卻法。

傳熱的三種基本形式包括傳導換熱、對流換熱和輻射換熱。

傳導換熱又稱熱傳導,基本定律是傅里葉定律,具體如下:

φ=－λ鄲唱鄲

(1)

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

對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。對流換熱可以分為兩類:自然對流和強迫對流。對流換熱用牛頓冷卻方程來描述:

φ=hA(Tw－Tf)

(2)

式中:h為對流換熱系數(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)。

輻射換熱指物體發射電磁能,并被其他物體吸收轉變為熱的熱量交換過程。在工程中通常考慮兩個或兩個以上物體之間的輻射,系統中每個物體同時輻射并吸收熱量。它們之間的凈輻射換熱量傳遞可以用斯蒂芬-玻爾茲曼定律來計算:

φ=εσA1F12(T41－T42)

(3)

式中:ε為發射率；σ為斯蒂芬玻爾茲曼常數(單位：W/m2?K4)；A1為輻射面1的面積(單位：m2)，F12為1表面對2表面的角系數；T1，T2為輻射面1，2表面的絕對溫度(單位：K)琜2-3]。

本設計采用的主要散熱方式是外部采用對流散熱方式，內部以傳導換熱為主，輻射換熱為輔，通過熱分析研究整個循環系統對機箱內部的平均工作溫度的影響同時完成循環系統關鍵參數的計算，確定外部熱交換技術參數，優化系統熱設計方案。

通過仿真與實物測試的數據分析得到抗惡劣環境計算機熱量傳遞的路徑如圖3所示，整個系統的熱阻主線分布成串聯狀態。其中發熱器件到蓋板的傳遞熱阻比重大，這個方面主要是與加工精度及導熱間隙填料傳導率有關，其中間隙填料傳導系數低所占的比重比較大，另外電子元器件的設計日趨微型化使換熱面積減小，熱量密集度過高且不易傳遞也是重要的因素。目前國內外導熱間隙填料基礎研究都存在局限性，已知的最好導熱材料導熱系數僅為10左右，但是這些材料的成本過高，而常用的材料的導熱系數均停留在10以下，所以受基礎材料研究的影響，提高導熱材料導熱率來改善傳導效率，改善空間很小。通過改善其他串聯熱端的熱傳遞速度成為熱控制技術發展的關鍵。

圖3 抗惡劣環境計算機熱量傳遞路徑

針對常用的抗惡劣環境計算機定位二個影響熱傳遞的薄弱環節，模塊與機箱熱量之間傳遞不利；不同的風機對機箱的溫度影響很大。

因此最終結論為：盡量減少熱量傳遞環節；提高導熱材料的傳導率；合理對風機進行選型和布放。

2.2.2 熱設計仿真

使用Icepak,Ansys等專業仿真分析軟件進行了設計的前端仿真設計，整個仿真結論為設計提供了理論依據，對局部設計進行了優化計算，提高了設計的可靠性。仿真的效果圖見圖4，根據仿真的結果可以直接進行參數的反饋修改。

圖4 抗惡劣環境計算機熱仿真的效果圖

2.3 機箱的抗振性設計

在初步設計的計算機機箱結構形式上，可采用仿真軟件(如Ansys軟件)進行結構應力前端仿真分析，通過分析找出了箱體的強度設計薄弱點，提高了機箱的抗振性。

抗振設計可采用的主要措施包括結構剛性化、隔離、使用、減振器等。結構剛性化只要是在薄弱的機箱壁上增加加強筋，合理布置組件的分布等。隔離措施一般用于結構緊湊、空間有限、隔振要求高而無法安裝減振器的場合，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。減振器一般用于整機等大型裝置,不僅可以起到減振作用，對于外部撞擊、跌落等意外情況也能起到很好的防護作用。

除了主要措施之外，對內部連接電纜等接插件，采用點熱固膠、線纜固定架、走線槽等方式進行加固防護。對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，無法加彈簧墊圈和平墊圈的螺釘加螺紋膠進行防松脫處理。

2.4 電磁兼容設計

在電氣性能和環境適應性不斷提高的同時，電磁兼容性能也越來越受重視。目前幾乎所有應用均對抗惡劣環境計算機的電磁兼容性能有強制性要求琜4]。

抗惡劣環境計算機電磁兼容設計可采取的主要措施有屏蔽、接地、走線規劃三個方面。

2.4.1 屏蔽技術

屏蔽技術用來抑制電磁輻射沿空間的傳播，即切斷輻射的途徑。屏蔽的實質是將關鍵電路包圍在一個屏蔽空間內，使耦合到個電路的電磁場通過反射和吸收被衰減。

屏蔽機箱最好采用有一定厚度的金屬機箱。要想取得好的屏蔽效果，最好選用同時具有高導磁性能和高導電性能的屏蔽材料。為了改善低頻磁場的屏蔽效能，應采用高磁導率材料，但磁導率高的材料通常電導率不是很好，會降低對電場的屏蔽效能。為了解決這個矛盾，最好的辦法是采用鍍涂方法在高磁導率(或高電導率)材料的表面增加一層高電導率(或高磁導率)材料。以不銹鋼蓋板為例，其按照RE102規范進行測試時的曲線見圖5。

在實際的設計中，機箱都會含有一些孔洞和縫隙，這些孔洞和縫隙會引起電磁泄漏，使屏蔽效能遠低于完整金屬板的理論計算值。當孔洞、縫隙的尺寸大小等于半波長的整數倍時，電磁泄漏最大，一般要求縫長或孔徑小于波長的1%。

圖5 使用不銹鋼蓋板的RE102測試曲線

2.4.2 接地技術

接地技術是最廉價和最有效的方法，設計良好的地平面可以有效的減小其電磁輻射，并且可以提高設備自身的抗干擾性。具體的實現方法是在計算機內部將電源地、數字地和機殼地短接，同時控制接地線長度，增加接地線的截面積，以減小接地阻抗；另外計算機外部預留接地螺栓位置。

2.4.3 走線規劃

通過走線規劃保證計算機內部走線的合理性，在進行走線規劃時注意電源線、信號線的分開布放，不同頻率的信號線的分開布放；高頻信號線和低頻信號線的分開布放；強電流信號線和弱電流信號線的分開布放；高電壓信號線和低電壓信號線的分開布放；容易產生干擾的線纜和敏感信號電纜的分開布放。

2.5 防腐防潮設計

計算機機箱外部框架及組成模塊的蓋板零件應進行防腐防潮設計，具體的實現方法是在導電涂覆處理后，作外部油漆處理；所有模塊蓋板、計算機內部支架進行表面處理(如氧化發黑)；所有組成模塊的印制電路板進行三防處理；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)采用復合材料密封。

2.6 可靠性和可維修性設計

在可靠性方面各主要功能模塊所用的元器件進行檢驗和老化篩選試驗；各主要功能模塊完成調試、三防后，隨整機進行環境應力篩選試驗。

在可維修性方面為了保證計算機各組成模塊可進行快速安裝，從而方便模塊的維修更換，所有功能模塊在機箱中通過導軌放置，可方便、快速拉出，從而方便插拔電纜、更換元器件；同時前蓋板采用不脫落鎖緊螺釘，也可方便維護時快速拆裝。

3 結 語

基于CompactPCI的抗惡劣環境計算機按照CompactPCI規范設計，采用熱設計、抗振設計、電磁兼容設計、防腐防潮設計、可靠性設計等多種設計方法保證了計算機抗惡劣環境性能的實現。基于CompactPCI的抗惡劣環境計算機的設計方法已經成功應用，在應用過程中性能穩定，效果良好。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文