VPX總線模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范研究*

宋 敏，張亞玎

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

VPX總線模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范研究*

宋 敏，張亞玎

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

文中結(jié)合設(shè)計(jì)師在雷達(dá)VPX總線模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研發(fā)過程中積累的經(jīng)驗(yàn)，吸收采納了相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)指南，建立了一套VPX總線模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。規(guī)范從VPX總線模塊的分類、各相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要素、連接器及導(dǎo)套的選型、面板的元器件布局、模塊的加工工藝等方面對VPX總線模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了規(guī)定。為更好地指導(dǎo)今后VPX總線模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，文中還推薦了導(dǎo)引模塊和一些電子器件。

VPX；模塊；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；通用性

引 言

VPX總線是在VME工業(yè)總線的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，是新一代嵌入式總線標(biāo)準(zhǔn)，采用了最新的連接器技術(shù)和高速串行接口技術(shù)。與同類總線相比，它在數(shù)據(jù)傳輸帶寬和結(jié)構(gòu)性能方面有較大優(yōu)勢，更加適應(yīng)現(xiàn)代雷達(dá)領(lǐng)域處理功能繁多、運(yùn)算復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大及高速實(shí)時(shí)處理的要求，所以基于VPX總線的高性能電子模塊將在現(xiàn)代雷達(dá)產(chǎn)品中獲得更加廣泛的運(yùn)用。目前，我國雷達(dá)領(lǐng)域推廣使用VPX總線，同時(shí)VPX模塊的高集成度和高可靠度使其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在散熱和加固等方面需要投入更多更新的考量，因此制定一部VPX總線模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范顯得十分必要。

1 模塊的定義及分類

1.1 模塊的定義

模塊是指在雷達(dá)不同預(yù)定應(yīng)用范圍內(nèi)功能相對獨(dú)立、結(jié)構(gòu)明晰完整、具有標(biāo)準(zhǔn)接口或聯(lián)結(jié)要素、可供組合使用的硬件和(或)軟件單元。

VPX總線模塊(以下簡稱為模塊)是基于VPX總線的一類模塊，模塊標(biāo)準(zhǔn)包含VITA46、VITA48、VITA62、VITA65等一系列標(biāo)準(zhǔn)，分別規(guī)定了模塊的結(jié)構(gòu)封裝、網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議和電訊接口形式等。

1.2 模塊的分類

模塊按照功能可分為數(shù)字模塊、數(shù)?；旌夏K、射頻模塊和電源模塊。數(shù)字模塊是由數(shù)字電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的具有特定獨(dú)立功能的模塊，按功能可分為DBF處理模塊、DSP處理模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊等；數(shù)?；旌夏K是由數(shù)模混合電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的具有特定獨(dú)立功能的模塊，一般可分為波形產(chǎn)生模塊、數(shù)字采樣模塊等；射頻模塊是由射頻電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的具有特定獨(dú)立功能的模塊，按功能可分為頻率基準(zhǔn)模塊、頻率合成模塊、激勵(lì)產(chǎn)生模塊等[1]；電源模塊是為上述各模塊提供電源的模塊，一般分為數(shù)字電源模塊和射頻電源模塊。

2 設(shè)計(jì)依據(jù)

在規(guī)范編制初始階段,首先確定VPX總線模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要依據(jù),即VPX需要實(shí)現(xiàn)的特定目標(biāo)及其輸入條件，一般包括VPX總線模塊的用途、功能要求及構(gòu)成、性能的具體指標(biāo)，電訊接口要求、印制板布線基本布局、關(guān)鍵元器件熱耗、耐受溫度及封裝形式，模塊外形尺寸及對外結(jié)構(gòu)接口要求、模塊的環(huán)境條件要求、三防要求以及可靠性、維修性、電磁兼容性要求等。

3 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足GJB 3760的一般要求，貫徹國家標(biāo)準(zhǔn)、國家軍用標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(規(guī)范)，推廣和貫徹通用化、系列化、模塊化設(shè)計(jì)原則。模塊的可靠性、測試性、維修性、安全性、保障性和電磁兼容性等要求應(yīng)滿足軍用地面雷達(dá)產(chǎn)品規(guī)范[2]。設(shè)計(jì)中選用的元器件應(yīng)滿足裝備的技術(shù)性能指標(biāo)和質(zhì)量等級，優(yōu)先選用經(jīng)實(shí)踐證明質(zhì)量穩(wěn)定、可靠性高和有發(fā)展前途的元器件。在滿足質(zhì)量要求的前提下，性價(jià)比相當(dāng)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用國產(chǎn)元器件。此外，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)的良好工藝性及經(jīng)濟(jì)性。

4 設(shè)計(jì)步驟

VPX總線模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的流程如圖1所示。設(shè)計(jì)流程從模塊封裝形式及對外結(jié)構(gòu)接口設(shè)計(jì)開始，其后進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并同步進(jìn)行連接器及導(dǎo)套選型、電路設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行模塊各結(jié)構(gòu)要素的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

圖1 地面雷達(dá)VPX總線模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟

5 設(shè)計(jì)內(nèi)容

地面雷達(dá)VPX總線模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容包括模塊結(jié)構(gòu)形式及外形尺寸設(shè)計(jì)、印制板機(jī)加工設(shè)計(jì)、連接器及導(dǎo)套選型、冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、面板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及與模塊配合的印制背板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

5.1 模塊結(jié)構(gòu)形式及外形尺寸設(shè)計(jì)

模塊的結(jié)構(gòu)形式按照冷卻方式的不同可分為風(fēng)冷形式、液冷形式和導(dǎo)冷形式。模塊的風(fēng)冷形式分為直接風(fēng)冷和間接風(fēng)冷2種。直接風(fēng)冷指冷風(fēng)直接經(jīng)過模塊的電子元器件表面，將熱量帶走。間接風(fēng)冷指冷風(fēng)不直接經(jīng)過模塊的電子元器件表面，而是經(jīng)過電子元器件表面上的散熱翅片(即冷板)將熱量帶走。圖2為風(fēng)冷形式模塊的結(jié)構(gòu)三維示意圖。

圖2 風(fēng)冷形式模塊的結(jié)構(gòu)三維示意圖

確定模塊的冷卻方式后，再依據(jù)模塊的具體類型來設(shè)計(jì)確定模塊的外形尺寸，常用的數(shù)字模塊(前插)的外形尺寸如圖3所示。

圖3 數(shù)字模塊(前插)外形尺寸

5.2 印制板機(jī)加工設(shè)計(jì)

印制板(也稱PCB線路板)是模塊的核心部件之一。在進(jìn)行印制板的機(jī)加工設(shè)計(jì)時(shí),需綜合考慮印制板在模塊中的安裝位置、安裝方式和安裝尺寸，印制板上元器件的布局、元器件的封裝形式、外形尺寸等[3]。為了保證模塊的通用性，首先對印制板的外形尺寸、結(jié)構(gòu)安裝孔(用于印制板在模塊中的安裝固定)、禁布區(qū)(或表層禁布區(qū))、導(dǎo)向銷安裝孔、板后元器件的安裝位置、板前元器件最外輪廓基準(zhǔn)線等進(jìn)行強(qiáng)制或半強(qiáng)制的規(guī)定，如圖4所示。在此基礎(chǔ)上，電訊人員根據(jù)電路邏輯關(guān)系將相關(guān)元器件初步布局在印制板上，并依據(jù)此布局以及主要發(fā)熱元器件的外形尺寸、發(fā)熱量和耐受溫度，對印制板進(jìn)行熱仿真計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對元器件的位置進(jìn)行調(diào)整，直至主要發(fā)熱元器件的布局滿足散熱要求。最后由電訊人員開展布板工作。

圖4 數(shù)字模塊(前插)印制板I(板厚δ≤2.0 mm)

5.3 導(dǎo)套及連接器選型

為了保證模塊的通用性和性能的穩(wěn)定性，避免不同廠家的元器件在裝配時(shí)出現(xiàn)問題，需對模塊的導(dǎo)套和部分連接器進(jìn)行選型推薦。模塊上導(dǎo)套與印制背板上帶防錯(cuò)插定位面的導(dǎo)銷配合使用。為了防止錯(cuò)插，導(dǎo)套分為無定位面以及5 種方位角度：0°、45°、90°、270°和315°，印制背板上的導(dǎo)銷定位面角度應(yīng)與模塊相應(yīng)位置上的導(dǎo)套定位面角度相對應(yīng)。

此外，需要選型推薦的連接器主要包括數(shù)字前插模塊連接器、數(shù)字后插模塊連接器、數(shù)?；旌夏K和射頻模塊連接器、電源模塊連接器以及模塊板前連接器和板后連接器等。

5.4 冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對常見的間接風(fēng)冷模塊，需設(shè)計(jì)冷板結(jié)構(gòu)。冷板外側(cè)為密排的翅片狀散熱結(jié)構(gòu)，翅片走向與風(fēng)向平行，內(nèi)側(cè)排布有若干導(dǎo)熱凸臺，與印制板元器件緊貼，元器件的熱量通過導(dǎo)熱凸臺(器件和凸臺間貼有導(dǎo)熱襯墊)傳導(dǎo)到散熱翅片[4]。單根翅片的寬度、高度和翅片間距需結(jié)合模塊熱設(shè)計(jì)，通過熱學(xué)仿真計(jì)算得出。冷板上下兩端為板條狀導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，用于整個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)支撐以及模塊在機(jī)箱中的導(dǎo)向。

冷板需同時(shí)兼顧模塊的散熱、結(jié)構(gòu)支撐、印制板的保護(hù)和導(dǎo)向等作用，因而結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。為了保證冷板的通用性，降低加工工藝重復(fù)性，先設(shè)計(jì)如圖5所示的冷板毛坯件，再針對特定模塊的結(jié)構(gòu)和散熱要求進(jìn)行二次減材加工。

圖5 冷板結(jié)構(gòu)通用性設(shè)計(jì)

5.5 面板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

面板上通常印有模塊名稱，并且為前插模塊連接器和指示燈、復(fù)位鈕等元器件留有通過口。面板的一般意義在于方便對不同模塊的識別，保護(hù)前插連接器，同時(shí)兼具裝飾和一定的電磁屏蔽作用[5]。

數(shù)字模塊、數(shù)?；旌夏K的面板布局分為模塊名稱、指示燈、連接器、復(fù)位鍵4個(gè)區(qū)域，按從上向下的順序排列，如圖6所示；射頻模塊的面板從上向下分為模塊名稱、指示燈和連接器3個(gè)區(qū)域；電源模塊面板布局從上向下分為模塊名稱和指示燈2個(gè)區(qū)域。除模塊名稱區(qū)和指示燈外，各區(qū)域可以不安裝元器件而空缺，但各區(qū)域排列順序不能改變，同時(shí)，為了保證模塊的通用性，需明確各區(qū)域在面板上的具體位置和大小。

圖6 數(shù)字模塊、數(shù)?；旌夏K面板布局示意圖

為了簡化加工工藝，提高通用性，模塊面板使用熱擠壓成型的鋁型材，再經(jīng)簡單切削加工而成，因而材料推薦選用3A21-O鋁板。面板推薦采用拉絲工藝，然后進(jìn)行本色氧化。拉絲處理完成后，需對拉絲面進(jìn)行貼膜保護(hù)。此外，為了易于識別，面板上的模塊名稱不得超過4個(gè)漢字或9個(gè)英文字符，且推薦字高5 mm，線寬0.5 mm，黑色。

5.6 與模塊配合的印制背板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.6.1 印制背板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)字印制背板推薦14+2槽(用于24 inch插箱)和10+2槽(用于19 inch和24 inch插箱)2種型式，這里的插槽數(shù)量不含電源插槽。印制背板的槽間距為25.4 mm，參考設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 印制背板外形圖

5.6.2 模塊與印制背板的配合尺寸

為保證信號之間高速連接的可靠性，規(guī)定模塊與印制背板之間的配合尺寸如圖8所示。

圖8 模塊印制背板外形圖

6 結(jié)束語

該VPX總線模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對雷達(dá)電子設(shè)備的模塊設(shè)計(jì)流程、方法和內(nèi)容進(jìn)行了規(guī)范，在本領(lǐng)域內(nèi)具有引領(lǐng)作用?；谠撘?guī)范的若干VPX模塊已研制成功并投入使用，實(shí)踐表明，其散熱性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、加工工藝等相比之前都有了較大提高。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了一些可以改進(jìn)的空間，如板條狀導(dǎo)軌可以與冷板分離，單獨(dú)使用，以方便調(diào)試時(shí)模塊頻繁的拔插，這些將在后續(xù)研究中繼續(xù)探討?？傊?，該規(guī)范通過對VPX總線模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行頂層模塊化設(shè)計(jì)，對提高VPX產(chǎn)品的“六性”要求、加快產(chǎn)品研制進(jìn)度、控制生產(chǎn)成本等都具有十分重要的作用。

[1] SKOLNIK M I. 雷達(dá)系統(tǒng)導(dǎo)論[M]. 左群聲, 徐國良, 馬林, 譯. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2010.

[2] 邱成悌. 電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M]. 南京: 東南大學(xué)出版社, 2001.

[3] 張潤逵, 平麗浩. 雷達(dá)結(jié)構(gòu)與工藝[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007.

[4] 楊世銘. 傳熱學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 1997.

[5] 宋敏, 程翔宇. 某型號雷達(dá)室外密封插箱研制綜述[J]. 電子機(jī)械工程, 2008, 24(3): 47-49.

宋 敏 (1970-)，女，高級工程師, 主要從事雷達(dá)總體結(jié)構(gòu)研究工作。

張亞玎 (1987-)，男，工程師, 主要從事雷達(dá)總體結(jié)構(gòu)及人機(jī)工程研究工作。

Research on Structure Design Specification of VPX Bus Module

SONG Min，ZHANG Ya-ding

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

Based on the experiences accumulated by designers in structure design of the VPX bus module and some correlative design standards & directories, a structure design specification of the VPX bus module is established in this paper. The VPX module classification, the key points of structure design, selection of the connectors and guide sleeve, the layout of electronic components on the panel and the processing technics of the module are specified in this specification. Furthermore, the guide module and some electronic components are recommended so as to give better guidance for structure design of the VPX bus module in the future.

VPX; module; structure design; universality

2015-12-14

TP336

A

1008-5300(2016)01-0024-04