一種密封式全景智能相機的結(jié)構(gòu)設(shè)計

陳遠益 曹耀輝 劉 歡

（長沙超創(chuàng)電子科技有限公司，湖南 長沙410221）

1 概述

隨著科技的發(fā)展，人們對電子設(shè)備的可靠性、抗惡劣環(huán)境的能力提出了更高的要求。由于我國幅員遼闊、地形和地理條件極其復(fù)雜，電子設(shè)備對溫度、濕度、振動、沖擊、鹽霧、灰塵、霉菌、電磁兼容性等環(huán)境適應(yīng)性方面有較高的要求。

本文所設(shè)計的全景智能相機（以下簡稱相機）是長沙超創(chuàng)電子科技有限公司與某軍工廠合作的項目，該相機應(yīng)用于車輛、船舶等各類需要消除視覺死角的平臺，通過圓柱形視場，實現(xiàn)對平臺周邊360°范圍內(nèi)的警戒（對人、車等目標自動識別、位置信息獲取、威脅等級排序）等功能，并能與其他觀瞄設(shè)備進行聯(lián)動，完成記錄存儲。其工作指標如下：

1.1 工作溫度：-40℃～+55℃；

1.2 振動要求：在X、Y、Z 三個方向上進行，每個方向上以每分鐘1 倍頻程的速度進行10 次掃描循環(huán)。若有危險點，則在這個頻率進行2 小時抗振試驗，試驗參數(shù)是：

1.2.1 頻率：5～16Hz，位移：1mm，加速度：- m/s2；

1.2.2 頻率：16～60 Hz，位移：——mm，加速度：10m/s2。

1.3 沖擊要求：在正交軸上進行，每軸兩個方向上各進行3 次試驗，試驗參數(shù)為：

試驗波形：后峰鋸齒波；峰值加速度：40 g；持續(xù)時間: 11 ms。

1.4 防水要求：IP65；

1.5 其他要求：滿足濕熱、霉菌、鹽霧、砂塵、電磁兼容性要求。

2 相機的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 外形設(shè)計及布局

根據(jù)環(huán)境條件和使用要求，相機需要安裝在車輛、船舶等的外部，為了防止潮氣、雨水、灰塵對元器件的侵蝕，避免電磁干擾等的環(huán)境影響，又要承受一定的振動和沖擊，因此相機必須做成足夠強度的密封結(jié)構(gòu)。

相機采用模塊化設(shè)計，模塊劃分時考慮了模塊的獨立功能和預(yù)防級間耦合，同時也考慮了單元模塊的密封、散熱、屏蔽、抗振設(shè)計，在設(shè)計中貫徹標準化、通用化、系列化，提高單元模塊的抗惡劣環(huán)境能力。另外相機采用低重心原則、質(zhì)量中心和幾何中心一致的原則、剛性好和差的模塊或器件分布應(yīng)按從外到內(nèi)的原則。

相機主要由上殼體、鏡頭組件、核心圖像處理板組件、下殼體組件等組成，其外形尺寸為φ280mm×118mm（不含連接器）。鏡頭組件包括底板、模組安裝座、隔板（6 個）、鏡頭（6 個）、接口板（6 個）、核心板（6 個）等；核心處理板組件包括核心圖像處理板、處理板蓋板、電源等；下殼體組件包括下殼體、濾波器屏蔽蓋板、濾波器、連接器、K9 光學(xué)玻璃（6 塊）、橡膠墊圈（12 個）、玻璃壓板（6 塊）等。其中模組安裝座采用整體式加工，模組部分（包括接口板、核心板、鏡頭等）沿圓周均勻布置（共6 個），與水平面成30°。

圖1 相機結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 抗惡劣環(huán)境設(shè)計

抗惡劣環(huán)境設(shè)計主要內(nèi)容包括仿霉菌、防鹽霧、防潮濕、防砂塵設(shè)計等。

根據(jù)抗惡劣環(huán)境設(shè)計要求，相機上下殼體采用防銹鋁材料（5A06）制成。13 塊印制電路板上的焊點、元器件等對潮熱和霉菌敏感的組件、零件的暴露表面均涂覆三防漆，上下殼體整體做導(dǎo)電氧化后，在外表面噴涂軍綠色油漆。

為了防止雨水及沙塵，上殼體與下殼體之間加裝導(dǎo)電密封條，光學(xué)玻璃與結(jié)構(gòu)件之間增加密封墊圈，縫隙填充GD414 硅橡膠，外部連接器在加裝密封橡膠墊之后與下殼體固定，選用的連接器的防水等級為IP68。

為了防止相機內(nèi)部受溫度變化影響而出現(xiàn)潮濕現(xiàn)象，根據(jù)內(nèi)部空間大小放置適量的干燥劑。

2.3 熱設(shè)計

相機總的功耗為80W，熱穩(wěn)態(tài)下散熱表面的熱流密度的計算為

式中，A 為相機散熱總面積，單位cm2，A=7389cm2。相機穩(wěn)態(tài)下的熱流密度計算如下：

相機的最高環(huán)境溫度為55℃，考慮到其內(nèi)部模塊、器件的耐高溫性能（不超過95℃～125℃），當發(fā)熱表面溫升為40℃或更高時，如果熱流密度小于0.04W/cm2（根據(jù)經(jīng)驗），則一般可以通過自然對流的方式冷卻，不必使用風扇。0.01W/cm2＜0.04W/cm2，設(shè)備在空氣自然對流情況下，通過自然散熱完全可以滿足散熱要求。

為了降低印制電路板上元器件到機殼之間的熱阻，在元器件、芯片與結(jié)構(gòu)件之間增加導(dǎo)熱墊。在滿足功能的前提下，印制電路板上的高功耗芯片盡量靠近殼體，熱量大的模塊、器件分布于上部，熱量少和熱敏元件置于下部，以便熱量盡快導(dǎo)出。

最后采用Icepak 進行熱仿真分析，分析結(jié)果顯示，在最惡劣環(huán)境下（55℃）、一個標準大氣壓下設(shè)備通過自然對流及輻射散熱滿足各芯片結(jié)溫要求，能正常工作。

2.4 抗振動沖擊設(shè)計

由于在戶外環(huán)境，相機可能受到各種形式的機械力、車載的振動沖擊等的影響，這就要求設(shè)備有足夠的強度和抗振動、沖擊的能力。設(shè)計時在滿足重量要求的前提下，我們采用將上下外殼四周適當增加厚度（最小壁厚為5mm），并采用M5 的螺釘進行固定；內(nèi)部采用M3 的螺釘將印制電路板安裝在結(jié)構(gòu)件上，并對螺釘涂螺紋緊固膠，印制電路板上的所有連接器進行打膠固定（GD414）；另外核心圖像處理板模塊上的硬盤進行了加固處理（采用2 個M2.5 的螺釘進行固定）；通過這些處理方式來增加印制電路板、結(jié)構(gòu)外殼的抗沖擊和振動的能力。

2.5 電磁兼容設(shè)計

通過對相機的電磁分析及其外部電磁環(huán)境分析，該相機的對外發(fā)射頻率主要包括24MHz 、30MHz、130MHz、400MHz 及其多次諧波。外部設(shè)備對相機的敏感部件產(chǎn)生的電磁干擾，主要是通過輻射、傳導(dǎo)等方式進行的。

2.5.1 電磁干擾濾波器

濾波是抑制傳導(dǎo)干擾最直接有效的方法。同時，由于良好的濾波能夠很好的抑制干擾源的泄漏，因此對輻射干擾的抑制也會起到非常好的效果。相機電源干擾濾波器緊靠電源入口，并予以屏蔽，屏蔽體（采用鋁合金材料）與機殼接觸，這樣可以抑制外界電子設(shè)備和相機之間的傳導(dǎo)干擾。

相機電源布置在濾波器附近，可以減少電磁干擾，電源線采用多股絞線。電源干擾濾波器的輸出線盡量遠離輸入線纜，絕對禁止輸入輸出線纜交叉，與機殼接地電阻不得大于2mΩ。

電源干擾濾波器選用電源開關(guān)制成一體的濾波器。另外，電源部分與鏡頭組件部分也采用鋁合金底板進行屏蔽，分成上下2 個腔體，同時電源與核心圖像處理板之間也采用鋁合金板隔開，以減少相機內(nèi)部的電磁干擾。

2.5.2 接地

接地屬于電路設(shè)計領(lǐng)域，對產(chǎn)品電磁兼容性具有重要意義。可以說，合理的接地是最經(jīng)濟有效的電磁兼容設(shè)計技術(shù)。

相機的電源地與機殼地相隔離，系統(tǒng)基準地與大地相連，外殼直接接大地，一方面防止電磁干擾，另一方面防止靜電現(xiàn)象積累。

由于系統(tǒng)工作頻率在10MHz 以上，地線阻抗變得很大，此時需要降低地線阻抗，應(yīng)就近采用多點接地。印制電路板采用“完全接地”，把電路板上沒被占用的所有面積都作為接地線，使器件更好地就近接地，這樣可以有效降低寄生電感。同時，大面積的地線能有力減少噪聲輻射。

2.5.3 外界的電磁屏蔽

屏蔽能有效的抑制輻射干擾，使用時應(yīng)注意，屏蔽措施需要與接地一起使用才能發(fā)揮更有效的作用。

相機整體為鋁合金機殼，在有縫隙的地方利用電磁屏蔽材料對外界干擾進行電磁屏蔽。

在上下殼體之間使用導(dǎo)電密封條（具有屏蔽功能）。安裝時導(dǎo)電密封條需預(yù)壓緊，以保證在振動沖擊中仍形成電磁屏蔽。螺釘?shù)拈_孔處涂上密封膠，通過以上的措施可以減少外界電磁屏蔽干擾。

2.5.4 接縫設(shè)計

2.5.4.1 根據(jù)公司多年的設(shè)計經(jīng)驗，上下殼體之間的安裝螺釘應(yīng)滿足：螺釘間距＜λ/4（λ 表示波長，跟頻率相關(guān)）；當螺釘間距＞λ/4 時，縫隙將會成為一個輻射器。

相機的頻率主要包括24MHz 、30MHz、130MHz、400MHz 及其多次諧波，通過計算λ/4≥137.5mm，相機的螺釘間距設(shè)計值為135mm，滿足要求。

2.5.4.2 導(dǎo)電密封條的選用綜合考慮了屏蔽、三防和可維性。

在縫隙內(nèi)填入導(dǎo)電密封條，因有氣密、水密要求，采用復(fù)合型襯墊（水密、氣密襯墊在外，導(dǎo)電襯墊在內(nèi)）。

3 試驗結(jié)果

相機的初樣加工完成并組裝之后，我們進行了一系列的試驗，試驗的結(jié)果如表1 所示，試驗結(jié)果滿足技術(shù)協(xié)議要求，并通過了相關(guān)的技術(shù)鑒定。

表1 相機試驗結(jié)果

4 結(jié)論

這臺密封相機，如果實施批量生產(chǎn)時應(yīng)采用壓鑄模機殼，并按要求進行減重，通過對全景智能相機的抗惡劣環(huán)境設(shè)計、熱設(shè)計、抗振動沖擊設(shè)計、電磁兼容設(shè)計等，在生產(chǎn)樣機后通過試驗得以驗證，最終滿足各項指標的要求，該類密封式相機在車輛、船舶等外部環(huán)境的成功應(yīng)用，為其它類似環(huán)境使用的電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一種很好的解決方案。