一種接口板可更換模塊化儀器結構設計

摘" 要：該文設計一種接口板可更換模塊化儀器。模塊結構靈活，可適配不同種類接口板安裝。整機結構通用性好，可同時滿足4種模塊插拔安裝需要。儀器通過產品環境試驗并批量供貨，較好地滿足用戶多場景使用需求。

關鍵詞：可更換；模塊化；機箱；接口板；模塊化儀器

中圖分類號：TN41""""" 文獻標志碼：A""""""""" 文章編號：2095-2945（2025）04-0034-05

Abstract： This paper designs a modular instrument with replaceable interface boards. The module structure is flexible and can be adapted to different types of interface boards. The structure of the whole machine is universal and can meet the plug-in and installation needs of four modules at the same time. The instrument has passed product environmental tests and is supplied in batches， which better meets users' needs for multiple scenarios.

Keywords： replaceable; modular; chassis; interface board; modular instrument

電子測量儀器主要結構形式包括臺式結構、手持式結構、便攜式結構、標準總線模塊化結構、USB模塊化結構和定制模塊化結構等類型。近年來，隨著用戶需求的個性化要求越來越多，定制類模塊化電子測量儀器受到更多用戶青睞。定制類模塊化電子測量儀器結構設計的優劣直接影響到用戶的使用體驗，因此模塊化電子測量儀器結構設計必須從用戶需求出發，結合行業標準、國家標準精心設計，重點解決模塊及儀器的易用性。本文基于某用戶特殊需求，介紹一種接口板可更換模塊化儀器的結構設計。

1" 儀器組成及要求

某用戶根據測試要求提出一種模塊化儀器產品需求，主要用于多種光模塊的測試。儀器主要由3部分組成，第一部分為適應不同種類光模塊測試用的接口板（圖1），第二部分為用于接口板控制的功能板（圖2），第三部分為主機機箱。功能板需滿足適配多種接口板（14種）要求，可以為接口板提供電源、控制。單個接口板和功能板可以組合成一個模塊，模塊提供供電接口和程控測試測口，可以獨立測試使用。接口板更換時間少于20 min。另外，主機機箱需提供多個模塊安裝位，以提高光模塊測試效率；主機機箱外形尺寸盡量小并滿足19英寸機柜上架安裝要求；整機工作溫度0～40 ℃；整機主要使用場景為生產線，無振動、沖擊環境適應性要求。

2" 整機結構設計一般原則

為保證整機結構設計有效滿足用戶需求，降低整機生產成本，提高整機生產效率，整機結構設計一般需遵循一定的設計原則。

2.1" 平臺化原則

根據任務要求，在保證滿足整機結構設計要求的前提下，應盡量選擇在已有結構平臺或相近似結構平臺基礎上進行設計。

2.2" 繼承性原則

在滿足任務要求前提下，充分考慮后續產品繼承性應用的可能性。

2.3" 通用性原則

在滿足任務要求的前提下，鼓勵借用現有成熟的零部件。

2.4" 標準化原則

整機外形尺寸應滿足GJB 100-86《面板、機架和機柜的基本尺寸系列》要求；印制板外形尺寸、連接器型號及位置等應保持一致；功能模塊盡量選擇現有通用產品；信號輸入、輸出接頭應盡量選擇通用產品。

2.5" 優化設計原則

對技術指標、生產成本、研制進度、加工難度等制約因素進行全面分析，綜合權衡，選擇性能和可靠性最佳，并具有一定先進水平的設計方案。

2.6" 成熟度原則

在設計中，盡量采用經過論證、鑒定、試驗的技術、工藝和材料。

2.7" 簡化原則

在滿足功能和性能要求下，整機零部件結構形式及表面涂覆要求等應盡量簡化、螺釘種類盡量減少、材料種類盡量減少等，以提高整機可生產性。

2.8" 維修性原則

整機結構設計時，要根據產品使用環境、模塊更換維修頻次和環境，充分考慮整機可維修性和可調試性。

2.9" 安全性原則

整機結構設計時，要充分考慮整機生產安全性、調試維修安全性、使用安全性、環保要求。

2.10" 經濟性原則

應努力降低設計成本、材料成本、生產成本和管理成本，使設計的產品經濟效益最大化。

2.11" 可靠性原則

綜合權衡可靠性要求、技術基礎和保障資源，以確定合理的可靠性設計方案；在必須采用新技術時，對可靠性應有必要的保證，必須有充分的試驗驗證；優先采用符合標準的、通用的材料，在必須采用新材料時，其可靠性應有必要的保證；優先采用成熟的工藝，在必須采用新工藝時，其可靠性應有必要的保證；可靠性設計應綜合考慮產品的公益性、安全性；對全壽命周期內規定的環境條件作全面分析，并留有足夠的裕度；充分、正確地運用可靠性設計技術。

3" 儀器結構設計

儀器結構設計主要包括接口板結構設計、模塊結構設計、儀器總體結構設計和儀器熱設計。

3.1" 接口板結構設計

用戶待測光模塊主要包括CFP、SFP、XFP、CFP2、CXP和DSEP等14種，對應各光模塊的測試接口尺寸見表1，其長度尺寸相差較多。接口板結構設計考慮兩點要求，一是讓單個接口板布設較多的測試接口，二是考慮接口板控制芯片布局統一性以及與功能板互連接口統一性。綜合考慮，接口板結構尺寸設計見表2，14種接口板簡化為3種結構尺寸，有效提高接口板互換性，并可簡化模塊結構設計。

為了實現接口板快速更換，接口板與功能板之間的連接采用可插拔設計，電源接口、控制接口、高速數據接口采用不同的連接器分開設計，可以保證信號傳輸質量，避免信號串擾。所有接口板面板外形尺寸、工作狀態指示燈位置、與功能板互聯的連接器位置一致；面板外側采用啞光PC薄膜制作貼膜用以絲印字符，保證字符清晰、不易刮傷。接口板兩側預留8 mm寬器件禁布區，安裝孔按50 mm等間距設計，保證接口板可在導軌中滑動安裝。

3.2" 模塊結構設計

模塊安裝有接口板、功能板和轉接板，具備獨立的供電接口和程控接口，可以獨立完成光模塊的測試。多個模塊也可以同時插入主機機箱，完成多端口多種類光模塊測試。模塊外形尺寸（寬×高×深）為：210 mm×38 mm×480 mm。

為滿足模塊在主機機箱中的安裝要求，各模塊外形尺寸保持一致，具備統一的安裝托板、左右導軌和轉接板。安裝托板前部設置有模塊助拔器，可以幫助模塊在主機機箱插槽內順利插入和拔出。安裝托板除了承擔各電路板、左右導軌、轉接板的支撐作用外，還兼具模塊滑軌作用。接口板裝有獨立的面板，采用螺釘安裝于左右導軌前部位置。功能板可以和接口直接對插，并采用螺釘固定于左右導軌中部位置。轉接板具備供電接口和程控接口，位于安裝托板尾部位置。為適應不同接口板深度要求，功能板可以沿左右導軌滑動，左右導軌上具有多個螺釘連接安裝位。功能板和轉接板之間通過軟線線纜連接。為方便接口板更換，左右導軌設置有接口板助拔器。

模塊結構如圖3所示。

接口板和功能板與導軌之間固定螺釘數量為12個，每個螺釘拆除、安裝一次時間約1 min，螺釘拆裝時間12 min。接口板和功能板之間可通過助拔器快速插拔，分離后重新安裝一次時間約5 min。更換一塊接口板共耗時17 min，滿足更換接口板操作時間小于20 min的要求。

3.3" 儀器總體結構設計

綜合考慮儀器使用環境要求和標準化、通用化要求，主機機箱外形尺寸（寬×高×深）確定為：482.6 mm

×88.1 mm×500 mm。機箱面板預留標準上架孔位，機箱后部寬度為449 mm，小于上架安裝寬度限制500 mm要求，滿足19英寸機柜上架安裝要求。

為簡化儀器主機機箱結構設計，機箱主框架由上、下蓋板和圍框組成。內設左導軌、中導軌、右導軌，為模塊提供滑道和支撐。機箱后部安裝有綜合背板，為各個模塊提供供電和網絡控制。機箱前框零件采用鋁合金板銑加工制作，為模塊面板提供安裝接口，也為模塊助拔器提供支撐點。機箱左側前后均布5個風扇，采用右側進風、左側出風的風道設計，中導軌適當開孔，調節冷風流向，有效滿足不同模塊在主機機箱中的散熱要求。

機箱面板采用淺灰色噴塑處理，上下蓋板采用黑色噴塑處理，整體給人一種穩重感、科技感和專業感。內部結構件采用鋁合金銑加工后表面導電氧化處理，保證各結構件之間電導通連續性。

主機機箱結構（去除上蓋板）如圖4所示。

3.4" 儀器熱設計

隨著集成電路的快速發展，集成電路功能越來越復雜，其功耗也越來越大。為保證儀器可靠工作，必須對儀器開展熱設計。另外，隨著數字仿真技術的發展，采用熱仿真軟件進行虛擬仿真設計逐漸成為一種節約設計成本、提高設計精度的好方法。由于在開展測試時光模塊本身也具有較大的功耗，所以光模塊功率也是熱設計時必須考慮的重要因素。由于CFP光模塊工作功耗為32 W，在所有光模塊中功耗最大，因此，本文選擇儀器開展熱設計的初始條件為：主機箱滿載4個CFP測試模塊。

儀器主要集成電路功耗見表3。

熱仿真初始條件設置：儀器工作環境溫度設置為40 ℃，流體介質為空氣，不考慮熱輻射的穩態計算。求解域在儀器進出風方向距離機箱500 m，其他方向距離機箱100 mm。經計算，初步熱仿真溫度云圖如圖5所示。

由圖5分析可知，此熱仿真結果存在2個問題：一是功能板電源管理芯片溫度達到118 ℃，雖然滿足芯片工作環境溫度小于120 ℃要求，但其長期工作可靠性降低，需要改進。二是CFP光模塊溫度達到78 ℃，滿足其工作環境溫度小于100 ℃的要求，但由于測試時光模塊直接和操作者接觸，過高溫度會灼傷操作者，此問題也需要改進設計。

產生問題一的原因為芯片功率密度高、強迫風冷下散熱面積不夠，因此采取增加散熱器設計；產生問題二的原因為前部CFP光模塊與散熱器組件體積較大，風阻大，流經該區域的冷風流量較少，而模塊中后部器件高度低，風阻小，冷風流量大。冷風流量分配不合理導致CFP光模塊散熱不理想。解決措施為中導軌開孔優化設計，適當改變機箱內部冷空氣流向，達到降低CFP光模塊溫度的目的。按上述條件設置邊界條件進行熱仿真計算，第二次熱仿真結果溫度云圖如圖6所示。

從圖6可得出，功能板電源管理芯片工作溫度95 ℃，下降23 ℃，芯片工作可靠性大大提高；CFP光模塊溫度54 ℃，下降24 ℃，滿足操作者快速操作需要。另外，儀器內部最高溫度為115 ℃，位于電源管理芯片2殼體，下降14 ℃，查資料可知該芯片耐溫溫度為150 ℃，滿足工作溫度要求。另外，由圖7可知，冷空氣流向得到有效控制，低風阻、低功耗區域氣流減少，高風阻、高功耗區域氣流增加。因此，通過開孔優化設計調節冷空氣流向的設計方法有效，值得其他儀器熱設計時參考借鑒。

4" 典型結構設計

模塊助拔器和接口板助拔器是用戶在儀器使用過程中頻繁操作的部件，因此，其結構設計好壞直接影響用戶對儀器的使用體驗，必須精心、合理設計。

4.1" 模塊助拔器結構設計

模塊助拔器的主要作用是幫助使用者可以輕松地將模塊從主機機箱中拔出。模塊在拔出時主要阻力為模塊與綜合背板之間插拔力、模塊托板和導軌之間的摩擦力。

查模塊與綜合背板間公頭連接器型號為：054087，其與母頭連接器之間插拔力為

F1=0.75×55+1.5×3=45.75 N。

模塊托板和導軌之間的摩擦力為

F2=μ×N=0.3×0.9×9.8=2.65 N。

模塊拔出時單個助拔器需克服的阻力

F=（F1+F2）/2=24.2 N。

顯然，若直接插拔模塊，操作者易疲勞，測試效率變低。因此本文利用杠桿原理設計了一種模塊助拔器如圖8所示。操作者所需插拔力：F拔=（Fx7）/28=6.05 N，操作者勞動強度大幅降低。

另外，為防止助拔器旋轉角度過大，模塊托板設計了限位柱，如圖9所示。為保證助拔器旋轉時可以任意位置停止，助拔器和托板之間安裝有彈性鞍型墊圈，如圖10所示。

4.2" 接口板助拔器結構設計

接口板助拔器的主要作用是方便用戶快速、省力地拆卸接口板，其主要由固定到模塊導軌上的提把和固定到接口板上的固定塊組成，如圖11所示。接口板助拔器結構設計時除關注插拔力的計算外，還需考慮助拔器要滿足接口板和功能板分離行程要求，全行程都要提供一定助拔力；接口板安裝時自動帶動助拔器復位，助拔器復位后的高度不應超出模塊面板高度。

5" 結論

本文根據用戶需求設計了一種接口板可更換模塊化儀器。模塊可以單獨提供光模塊測試能力，多種模塊也可同時插入主機機箱內形成光模塊綜合測試能力。模塊結構靈活，可適配不同種類接口板。整機結構通用性好，可同時滿足4種模塊插拔安裝需要。儀器通過了產品環境試驗并批量供貨，較好滿足了用戶需求。

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