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车载加固机的特点与应用

作者:Plytech

1 综述

电子技术和信息技术的发展,不仅使计算机内在的数据处理能力日新月异,同时也使计算机的外部形式与应用形态产生了极大改变,从而产生了能够抵御恶劣环境的新的计算机门类。

加固型计算机——从应用形态上,有一体式、嵌入式、便携式、手持式等;从使用功能上,可以是台式、机架、平板、移动等;从加固的深度上,有初级加固型、加固型、全加固型等结构形式;从应用功能上,可以是个人机动背负、车载、机载、舰载等。其中尤以车载加固机的应用,无论在品种、数量与使用的技术上更为普及。

1.1 应用

车载加固机目前广泛应用于国防、交通、新闻、地质、医疗、采矿、消防、救援等领域。车载加固机应该是诸多特殊用途的特种计算机的一个独立门类,随着计算机应用需求的不断普及,车载加固机势必会有更加广阔的应用市场。在医疗与救援中,急救处理车、紧急救援车,消防指挥车;在传媒与新闻行业,采访车、转播车、信号发射车;在地勘与采矿领域,勘测车、采集车等等;在国防与军事领域中车载加固机应用更为普及,无论是指挥、通信、监控、导航、火控、勤务等等,无论何种车载系统都要以车载加固机为核心。

车载加固机不同于在一部移动车辆中通过一部便携计算机外加一部手机所实现的简单的通信连接,车载加固机的功能是作为一套完整的车载系统的核心,是车内的一切电子设备的中枢平台,实现数据采集、数据处理、数据通信、系统监控、导航定位、过程控制、故障诊断等复杂操作。

1.2 概念

对于车载加固机而言,虽然看上去只是应用场所的改变,但对于计算机的要求却有了本质的变化,为实现这种变化,一方面是车载加固机的外部,体现出比普通计算机要高得多的结构的密封性和坚固性,使其具有防尘、防潮、防盐雾和抗振动、抗冲击、抗电磁干扰等特性,另一方面是对内在部件鲁棒性提出的更高要求,如部件的耐热、抗疲劳,抗电磁浪涌冲击以电源波动适应性等。

1.3 规范

车载加固机在军事与国防中应用最为广泛,军事电子和信息技术由于其特殊的应用属性,在现代战争的武器控制平台、战地指挥平台和中央指挥信息链交互平台中处于愈发重要的地位。正是因为军用计算机的重要性,国家为此制定了国家军用标准GJB322A-98《军用计算机通用规范》。

GJB322A-98中,军用计算机从性能上分为:服务器工作站、个人计算机、嵌入式计算机和其他。而从类型上分为:普通型、初级加固型、加固型、全加固型,车载加固机在应用时即可单机独立,亦可以多级级联或并行使用。

2 技术特征

2.1性能特性

车载加固机的实现目前主要有如下几种方式:

1、把优选的计算组合平台封装到特制的加固机箱内;

2、基于优化平台内核的自定义扩展功能重设计的单板计算机加固;

3、基于板级和部件级加固的系统级加固。

2.1.1 需求特点

车载加固型计算机一般工作在沙尘飞扬、颠簸振动、高温严寒、强电磁干扰等恶劣的野外环境,而且使用频繁,甚至全天运行,通过油机或电池电。因此较之于通用计算机有下述区别。

2.1.2 结构形式

车载加固机机型分类:台式、机柜式、独立一体式、便携式。

结构形式的重要性在于根据使用环境决定装载空间、安装方式电缆接要求。现在越来越多的车载加固机采用开放的体系结构,使之能够在配件的性能和加固特性上具有更多的选择,顺应主流的通用的计算平台。

2.2 技术特点

2.2.1核心技术

目前最普遍使用的车载加固计算机技术平台为:CPCIVMEETXSTXPCI04等。

2.2.2 CPCI计算技术平台

CPCICompact PCI的简称,是一种基于标准PCI总线的小巧紧凑而又坚固可靠的高性能总线技术。它将VME密集坚固的封装和极佳的冷却效能与通用廉价、技术发展迅速的PC资源高度融合,定义了更加坚固耐用的PCI版本。在电气、逻辑软件方面,它与PCI标准完全兼容。使用标准的Eurocard外型插卡,安装于固定支架上。

2.2.2.1 CPCI规格

·              业界标准PCI芯片组,以低价格提供高性能

·              单总线8个槽,可通过PCI桥扩展

·              欧式插卡结构

·              高密度气密2mm针孔接头

·              前面板安装和拆卸

·              板卡垂直安装利于冷却

·              强抗冲击和振动特性

2.2.2.2 CPCI的结构

CPCI板遵从Eurocard工业标准,定义了3U100mm×160mm)和6U233.35mm×160mm)两种板尺寸,其具体形状如图所示。3U高度是满足64CPCI总线要求的最小尺寸;6U的尺寸是为了满足信号线外扩的需要以及板上器件空间外扩的需要。CPCI背板连接器共有5个插座,J1J5。规范只定义了J1J2的信号线管脚,3UCPCI板包括了J1J2的插座,J3J5插座包含在6UCompact PCI板上,J3J5的信号定义保留。

CPCI系统由一个或一个以上的CPCI段组成,每一个段包括1块系统板(System Slot)和7块外围板(Peripheral Slot),板与板中心的间距为20.32mm。系统板为所有在段内的板提供仲裁、时钟分配和复位功能。系统板负责执行系统的初始化,管理每一个本地板的IDSEL信号。

CPCI虽然与标准PCI属同一标准,二者还是有很大的不同。与传统商用PC和工控机相比,CPCI具有如下优点:

1、系统抗振性强

CPCI板卡上下有导轨固定,板卡的前端通过气密性的针孔连接器和背板相连,每个接头具有10kg的结合力。板卡可以通过面板螺丝固定在机箱上。CPCI板卡的前后上下都被固定,因此系统抗振性大大提高。

2、支持带电拔插

CPCI的背板使用长中短插针结构,其中PowerGround针脚最长,可以保证板卡安全的带电插入拔出。此外板选信号IDSEL,BD_SEL#针脚最短,系统借由此信号可以得知板卡是在插入过程或是拔出过程。另外,CPCI制定了热插拔的硬件过程和软件管理接口,保证了板卡热插拔过程的有效性。

3、支持后走线,便于方便配线

CPCI的板卡的信号线不用从板卡前面板引出,可以通过背板将信号线用转接板从后端引出。当更换板卡时,不需要更换信号线,这样减少了更换板卡的工作量并减少因更换信号线而引起的出错概率。此外信号线从后端引出,设备前端也会比较美观。

4、板卡垂直安装,有利于散热

CPCI板卡采用欧规卡结构,板卡垂直安装,系统的散热气流从下而上吹,符合空气对流原理,散热效果好。

5CPCI板卡具有更好的电气特性

CPCI背板插针和接头全部镀金,并严格定义了信号线的最长长度,PCB板的阻抗、去偶电容、PCI上拉电阻阻值等电气参数,因此CPCI的电气特性要优于普通PCI工控机。

6、防腐和电磁屏蔽性好

CPCI使用2mm气密性针孔总线连接器,盐雾、酸雾和带电粉尘不能腐蚀总线。同时,CPCI的全铝合金机箱外壳和板卡的U型弹簧片能给系统提供良好的电磁屏蔽保护。

7、抗静电好

CPCI板卡下端具有3段静电导出条,可以静电导出到大地。另外CPCI规定系统的逻辑地和机箱地隔离,保持系统不受外界干扰。基于PICMG1.0的工控机无法做到机箱地和逻辑地隔离。

8、机箱深度浅,便于机柜安装

CPCI的机箱深度只有258mm,大大短于普通工控机的机箱深度400450mm,给机柜安装留下了更大空间,便于用户安装其它配线设备。

2.3 关键技术

为适应在恶劣环境中工作,车载加固机必须在设计与制造过程中采用许多特殊的技术措施,以此保证使用要求。最为常用的技术措施有以下三项:

1、抗强电磁干扰设计;

2、抗恶劣环境能力设计;

3、可靠性设计。

2.3.1 电磁兼容性

GJB322A-98中规定了车载加固机的电磁兼容性要求,一般应符合GJB151A-97《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》相应类别的有关规定。这表明车载加固机应在以下方面达到GJB151A-97的相关要求,并且按照GJB152A-97《军用设备和分系统电磁发射和敏感测量》所规定的测量方法通过测试。

1RE102 电场辐射发射试验;

2CE102 电源线传导发射试验;

3RS103 电场辐射敏感度试验;

4CS101 电源线传导发射敏感度试验;

5CS114 电缆束注入传导敏感度试验;

6CS115 电缆束注入脉冲激励传导敏感度试验;

7CS116 电缆和电源线阻尼正弦瞬变传导敏感度试验;

8ESD   静电放电试验。

为达到GJB151A-97的相关要求,通常车载加固机必须采取多种技术措施。

2.3.1.1 屏蔽措施

不同类型的车载加固机所采用的屏蔽措施各不相同,当采用全封闭整体焊接,热传导设计的机箱时,屏蔽措施仅仅限于机箱结合部位,而对于采用风冷的非封闭机箱,电磁屏蔽的处理就将复杂很多。

通常电磁屏蔽的基本措施为:

1、机箱结合缝隙:选用铍铜合金簧片或导电泡棉;

2、风冷通道:选用蜂巢式屏蔽通风波导网;

3、显示屏正面:选用高目防数信息泄漏电磁屏蔽玻璃(两层干法玻璃夹层中镶嵌250目金属电磁屏蔽网);

4、连接端口:选用军用航空插座,带屏蔽层导线并在导线两端增加磁环;

5、电源:引线输入端增加低通滤波器,尽可能缩短入线长度并接地;

6、对非金属外壳应在内壁涂覆性能良好的导电涂层。

2.3.1.2 屏蔽方法

1、电磁屏蔽的方法较为复杂,往往会因为部件变化、结构外形与材料变化或电磁材料的变化使整机的电磁兼容性能产生波动,因此稳定的生产工艺与质量检验决定了整机的电磁兼容指标。

2、对测试的频段进行具有针对性的有效屏蔽是提高整机电磁兼容指标的良好方法。对于频段的高低两端的屏蔽可以适当放松,而针对含有有效信息的频段采用卓有功效的屏蔽。

2.3.2 环境适应性

2.3.2.1 部件处理

直接选择电磁兼容性符合要求的显示器、硬盘、光驱、键盘、鼠标等产品是最理想的方法,但是由于此类产品价格甚高,一般价格是同类商用产品的十数倍或数十倍,很多时候出于产品成本的考虑,往往需要制造者自己完成部件的抗恶劣环境加工,使部件达到预期要求。

通常的抗恶劣环境加工包括:提高环境适应能力,提高抗冲击振动能力,提高电磁屏蔽能力。

抗恶劣环境加工的方法一般为:

1、选择经过质量认证的部件产品;

2、进行测试、筛选与老化;

3、进行多方面抗恶劣环境处理。

2.3.2.2 结构设计

2.3.2.2.1 机箱

车载加固机要承受载体行进带来的振动和颠簸所造成的扭力与冲击,而保证整机的正常完好,同时应能够满足GJB322A-98规定的相应要求。通常全加固型车载加固机采用导冷技术与全封闭机箱,而初级加固型车载加固机多采用风冷机箱。

整体焊接或铸造的封闭机箱坚固、密封性好;一般无风道设计,通过箱体散热,箱体材料多为铝或其它质量较轻合金材料,使用时可安装于19″标准机柜或直接固定于车壁,适用于履带式或重型车辆。

非封闭型机箱通过风机冷却,由此带来了电磁屏蔽与三防处理问题,且因风机为机械部件,需要维护保养。但由于造价较低,应用广泛,一般普通车辆装载的车载加固机多为此类机箱。

在非封闭型机箱类型中的双层机箱是一种有创意的设计,该机箱分为内外两层,外机箱箱壁上安装航空连接器、电源与显示器等外部设备并通过减振器支撑内机箱,而内机箱中安装CPU、硬盘等核心部件。内外机箱的结合,既提高了电磁屏蔽的性能,又起到了与外界隔离的作用;既降低了外部环境对加固机的影响,又保持较低的机箱造价。

2.3.2.2.2 减振

车载加固机为满足GJB322A-983.9.43.9.8规定的要求必须采取减振措施缓冲。常用的减振的方式为:


材质

作用部位

金属簧

拉簧

三维减振弹簧

无谐振峰避振器

机箱

胶圈

胶柱

胶球

机箱部件

工程塑料

衬垫

垫圈

部件

2.3.3 稳定性

为使车载加固机能够稳定工作,除了在可靠性与安全性应满足GJB322A-98规定的相应要求,还需要针对其在车辆上工作的特点,加以注意。

2.3.3.1 电源

大多数车载加固机对电源均有一些独特的处理方式。

2.3.3.1.1 供电方式

车载加固机因其工作环境的特点,一般不使用交流供电方式,而是使用直流。直流供电,无论是借助汽车电瓶或是便携发电机供电都很方便。

2.3.3.1.2 三地分离

很多车载加固机以三地分离方式进行设计与生产。在加固机内部将直流地(GND)、交流零线(Null)、机壳(Ground)严格区分开,统称三地。产品交付用户后,在安装或连接整车系统时,最终按照用户的要求接地。机壳地或搭铁或由整车系统接大地,随系统要求而定。在直流供电的系统中,交流零线对应于直流端,其余关系不变。

3 结束语

随着计算机应用的不断普及,车载加固机会有良好的发展前景,特别是初级机固型加固机,因其价格的低廉,应用将更加广泛。嵌入式技术是未来车载加固机的方向,今后车载加固机会更多采用嵌入式技术,缩小加固机体积,逐渐降低产品成本,在计算机应用领域占有更多的份额。



文章分类: 技术文章
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