一種車(chē)載中控計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)

尹申燕+黃瑩瑩

摘 要： 全面介紹一種車(chē)載平臺(tái)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(chē)載平臺(tái)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(duì)同類(lèi)車(chē)載平臺(tái)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(lèi)號(hào)： TN701?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(chē)載平臺(tái)為基礎(chǔ)構(gòu)建，將天線(xiàn)、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(chē)載平臺(tái)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(tái)車(chē)載中心控制計(jì)算機(jī)，其同車(chē)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(duì)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(lèi)似車(chē)載平臺(tái)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(chē)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(chē)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(shì)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(lái)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(chē)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(chē)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(jiǎn)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(guò)盡量簡(jiǎn)單的操作完成系統(tǒng)操控；

（3） 按需配置：設(shè)備可通過(guò)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(mǎn)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(mǎn)足車(chē)載平臺(tái)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(xiàn)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(pán)、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(tái)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(guò)32位CPCI總線(xiàn)擴(kuò)展外部接口板卡，1號(hào)計(jì)算機(jī)板PC1和2號(hào)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(guò)串口控制外部數(shù)據(jù)率較低的設(shè)備；3號(hào)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(chē)載平臺(tái)的普通行車(chē)監(jiān)視儀，連接紅外攝像頭則可用作熱成像監(jiān)視儀；4號(hào)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(guò)專(zhuān)用加密認(rèn)證后才可登陸，可在用于安裝運(yùn)行密級(jí)較高的數(shù)據(jù)庫(kù)等軟件，為整個(gè)車(chē)載系統(tǒng)提供必要的安全保證措施。

4臺(tái)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(chē)載局域網(wǎng)。4臺(tái)嵌入式CPCI計(jì)算機(jī)板KVM信號(hào)共同進(jìn)入KVM切換板，經(jīng)過(guò)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(guò)該中心控制計(jì)算機(jī)全面掌控了整個(gè)車(chē)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(chē)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(xiàn)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(chǎng)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(guò)母板上的32位PCI總線(xiàn)與對(duì)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(hào)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(hào)、千兆網(wǎng)絡(luò)信號(hào)以及多條32位PCI總線(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)接，傳輸信號(hào)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(tái)普通計(jì)算機(jī)相同，每個(gè)均可通過(guò)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(xiàn)信號(hào)和所有上述計(jì)算機(jī)接口信號(hào)均同時(shí)通過(guò)CPCI接頭輸出到母板。4個(gè)嵌入計(jì)算機(jī)板的輸出信號(hào)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(chē)載平臺(tái)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(hào)Key（鍵盤(pán)）Video（視頻）Mouse（串口）的簡(jiǎn)寫(xiě)，特指利用一組KVM信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)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(hào)切換開(kāi)關(guān)，通過(guò)對(duì)多路計(jì)算機(jī)輸入KVM信號(hào)的選擇輸出，從而實(shí)現(xiàn)單個(gè)操作員對(duì)多臺(tái)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(tái)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(hào)經(jīng)母板引入KVM切換矩陣，KVM切換開(kāi)關(guān)信號(hào)經(jīng)單機(jī)面板引至操作員附近，操作員通過(guò)按切換鍵，由KVM輸出SA1和SA2分別選擇4路KVM信號(hào)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(duì)單機(jī)內(nèi)4臺(tái)嵌入式計(jì)算機(jī)板的輪流控制。這樣，車(chē)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(duì)整個(gè)車(chē)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(chē)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(chē)載系統(tǒng)的其他單機(jī)或者車(chē)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(dòng)芯片（每個(gè)支持4個(gè)網(wǎng)口），完成對(duì)外12個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口信號(hào)的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層驅(qū)動(dòng)。

圖6 千兆網(wǎng)絡(luò)交換板框圖

3.4 多串口擴(kuò)展板

車(chē)載系統(tǒng)外圍單機(jī)中，高速據(jù)率的設(shè)備通過(guò)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(xiàn)伺服設(shè)備等，通過(guò)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互是簡(jiǎn)易可行的方式。因此，單機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)了專(zhuān)用的多串口擴(kuò)展板，用于對(duì)此類(lèi)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(xiàn)通過(guò)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(guò)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(chē)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(chē)載平臺(tái)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(chǎng)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(dòng)、船艦等平臺(tái)之中，這些平臺(tái)都有著嚴(yán)酷的使用環(huán)境——沖擊、振動(dòng)、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(chē)載平臺(tái)的專(zhuān)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(wú)有效的散熱措施，熱量聚集將會(huì)導(dǎo)致計(jì)算板CPU溫度過(guò)高，甚至超過(guò)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(duì)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?chē)h(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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)托架上前端的快鎖裝置和后端的定位插銷(xiāo)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(hào)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(chē)載平臺(tái)行進(jìn)間的振動(dòng)對(duì)單機(jī)內(nèi)部電子器件的影響。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文依據(jù)工程研制經(jīng)驗(yàn)，論述了應(yīng)用于車(chē)載平臺(tái)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(duì)類(lèi)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(chē)載系統(tǒng)外圍單機(jī)中，高速據(jù)率的設(shè)備通過(guò)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(xiàn)伺服設(shè)備等，通過(guò)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互是簡(jiǎn)易可行的方式。因此，單機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)了專(zhuān)用的多串口擴(kuò)展板，用于對(duì)此類(lèi)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(xiàn)通過(guò)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(guò)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(chē)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(chē)載平臺(tái)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(chǎng)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(dòng)、船艦等平臺(tái)之中，這些平臺(tái)都有著嚴(yán)酷的使用環(huán)境——沖擊、振動(dòng)、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(chē)載平臺(tái)的專(zhuān)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(wú)有效的散熱措施，熱量聚集將會(huì)導(dǎo)致計(jì)算板CPU溫度過(guò)高，甚至超過(guò)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(duì)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?chē)h(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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)托架上前端的快鎖裝置和后端的定位插銷(xiāo)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(hào)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(chē)載平臺(tái)行進(jìn)間的振動(dòng)對(duì)單機(jī)內(nèi)部電子器件的影響。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文依據(jù)工程研制經(jīng)驗(yàn)，論述了應(yīng)用于車(chē)載平臺(tái)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(duì)類(lèi)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(chē)載計(jì)算機(jī)主板測(cè)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(chē)載系統(tǒng)外圍單機(jī)中，高速據(jù)率的設(shè)備通過(guò)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(xiàn)伺服設(shè)備等，通過(guò)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互是簡(jiǎn)易可行的方式。因此，單機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)了專(zhuān)用的多串口擴(kuò)展板，用于對(duì)此類(lèi)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(xiàn)通過(guò)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(guò)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(chē)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(chē)載平臺(tái)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(chǎng)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(dòng)、船艦等平臺(tái)之中，這些平臺(tái)都有著嚴(yán)酷的使用環(huán)境——沖擊、振動(dòng)、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(chē)載平臺(tái)的專(zhuān)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(wú)有效的散熱措施，熱量聚集將會(huì)導(dǎo)致計(jì)算板CPU溫度過(guò)高，甚至超過(guò)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(duì)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?chē)h(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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)托架上前端的快鎖裝置和后端的定位插銷(xiāo)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(hào)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(chē)載平臺(tái)行進(jìn)間的振動(dòng)對(duì)單機(jī)內(nèi)部電子器件的影響。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文依據(jù)工程研制經(jīng)驗(yàn)，論述了應(yīng)用于車(chē)載平臺(tái)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(duì)類(lèi)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(chē)載計(jì)算機(jī)主板測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（10）：67?70.