智能終端機電接口的研制

鄭藝揚，來 曉

（1.浙江高速信息工程技術有限公司，浙江杭州，310000；2.浙江中控技術股份有限公司，浙江杭州，310053）

1 引言

近年來，隨著智慧高速建設步伐的加快，桿上智能終端種類和數量不斷增加。桿上智能終端是一類嵌入式計算機系統設備，主要包括智能設備、感知設備和監控設備等。桿上異構智能終端機電接口類型各異，導致安裝、維護和擴展費時費力。智能終端機電接口的標準化、通用化和模塊化已經成為亟待解決的問題，研制集電源、通訊、機械掛載等功能為一體的機電接口迫在眉睫。

2 總體方案

2.1 需求分析

通過對桿上智能終端的調研，主要桿上智能終端的技術參數如下：

1）主要供電類型為：AC24V、DC12V、POE、AC220V；

2）主要通訊類型為：網絡、光纖、485；

3）重量15kg以內；

4）單個設備功率60W 以內。

2.1.1 電氣連接接口功能需求

電氣連接接口功能需要實現傳輸和接口擴展功能。

1）傳輸功能

（1）電力傳輸：實現低壓交直流供電功能。供電采用集中供電方式；

（2）數據傳輸：實現以太網數據傳輸，預留485接口。

2）接口擴展功能

通過1對多的擴展模塊實現接口的擴展功能。

2.1.2 機械掛載接口功能需求

機械掛載接口可掛載15kg重量內智能終端。

2.2 技術指標

主要技術指標分為機械性能、電氣性能和環境性能三個方面，具體如下：

1）機械性能

（1）掛載最大重量：15kg；

（2）總插入力及拔出力：＜200N；

（3）振動沖擊：按GB／T 5095.4－1997中試驗6d的規定進行，試驗過程中按GB／T 5095.2－1997中試驗2e的規定檢測接觸故障；

（4）機械插拔壽命：500次；

（5）接觸件固定性：供電接觸件：50N；其他：100N。

2）電氣性能

（1）接觸電阻：供電接觸件：≤3mΩ；其他：≤35mΩ；

（2）絕緣電阻：常態條件下≥1000mΩ；

（3）絕緣強度：常態條件下1000VAC，保持60s±5s而無擊穿及飛弧現象。

3）環境性能

（1）工作溫度：－45℃～80℃；

（2）工作電流：40A；

（3）工作電壓：48V；

（4）鹽霧：96h；

（5）防護等級：IP66。

2.3 結構組成

機電接口由接觸件、外殼、邊框和導向柱、絕緣安裝板、掛載法蘭、附件等組成，如圖1所示。

圖1 機電接口總體結構示意圖

2.3.1 接觸件

接觸件分為供電接觸件、以太網接口接觸件和通訊接口接觸件。供電接觸件由插針和插孔兩部分組成。插孔采用切槽開孔式，插針采用圓柱形剛性針。以太網接口接觸件由六類RJ45直通模塊（RJ45母）和RJ45水晶頭（RJ45公）組成。通訊接口接觸件由圓形8芯公頭和母頭組成。

2.3.2 絕緣安裝板

絕緣安裝板起到固定、支撐和定位接觸件的作用，并起到接觸件間電絕緣、隔離的作用。絕緣安裝板應選擇絕緣性能好，抗電強度高、溫度指標能滿足要求具有一定強度的材料。

3 關鍵技術方案

3.1 固定結構

3.1.1 供電接觸件固定結構

在機電接口的結構中，使用固定爪結構將供電插針和插孔接觸件固定在絕緣安裝板中，固定爪結構相對于傳統的尾端加蓋板的結構有結構緊湊、方便拆卸等優點。本接口采用后裝后取式結構，接觸件在電纜壓接完成后可以直接推入絕緣固定板，要求推入力在10±5N，推入后固定力≥50N。

3.1.2 以太網接口接觸件固定結構

在機電接口的結構中，使用固定爪結構將以太網接口接觸件固定在絕緣安裝板中。本接口采用后裝后取式結構，接觸件在電纜壓接完成后可以直接推入絕緣固定板，要求推入力在20±5N，推入后固定力≥80N。

3.1.3 通訊接口接觸件固定結構

在機電接口的結構中，使用固定爪結構將通訊接口接觸件固定在絕緣安裝板中。本接口采用后裝后取式結構，接觸件在電纜焊接完成后可以直接推入絕緣固定板，要求推入力在10±5N，推入后固定力≥50N。

3.1.4 絕緣安裝板與框架的固定結構

框架是安裝固定絕緣安裝板和導向柱的零件?？蚣苡煽蚣茼敯搴涂蚣軅劝褰M成，由螺釘固定連接。通過框架側板的凹槽和絕緣固定板的凸塊完成絕緣安裝板的夾緊固定。

3.2 導向對準結構

機電接口插頭插座對接過程中，通過三個導向柱保證順利插合，同時可防止誤插，如圖2所示。

圖2 導向對準結構圖

3.3 防水密封結構設計

防水密封結構分為尾部電纜與外殼的防水密封和插頭插座對接端密封，須達到IP66的防水等級。

3.3.1 尾部電纜與外殼的防水密封

尾部電纜密封結構采用防水PG頭與防水橡膠圈壓緊電纜保證尾部密封防水可靠性。［1］。尾部迫緊螺帽旋緊時，其錐面擠壓夾緊爪與防水橡膠圈，夾緊爪與受外力收緊向內壓緊防水橡膠圈，從而鎖緊電纜達到防水效果。

3.3.2 插頭插座對接端密封

密封圈安裝在插頭插座對接端，插頭座連接后，通過密封圈的壓縮來實現軸向的密封功能。密封圈壓縮量控制在15%～30%范圍內時密封效果最佳。密封圈材料選擇硅橡膠6151。

3.3.3 其他防水工藝

采用灌封工藝可進一步提升機電接口的防水等級。灌封是將有一定黏度的液態復合物采用一定的工藝方法灌入有需要的元器件內，在一定溫度條件下固定，以實現元器件的防水和防潮性能。

3.4 智能終端掛載方式

15kg以內智能終端通過標準螺釘與掛載法蘭連接。機械掛載法蘭通過連接件與桿體連接，連接件使用滑槽或標準連接件的方式，滿足穩固、耐用、易裝的要求。

3.5 機電接口擴展模塊

當機電接口數量不足時，可通過擴展模塊擴展機電接口數量，將1路機電接口擴展為4路，原理圖如圖3所示。擴展模塊主要由機電接口、外殼、電源擴展板，以太網擴展板和485擴展板組成，如圖4和所示。

圖3 機電接口擴展模塊原理圖

圖4 機電接口擴展模塊結構圖

4 測試

試驗樣品實測數據對照表見表1。

表1 試驗樣品實測數據對照表

5 結論

本文針對桿上異構智能終端的機械和電氣連接需求，研制了一種集機械和電氣連接一體化的機電接口。該機電接口具有模塊化、可擴展、連接方便的特點，可為桿上智能終端提供快速、可靠的機電連接。