高速行車條件下車載電子系統(tǒng)顯示控制臺(tái)環(huán)境適應(yīng)性分析

陳建波

（杭州彥菁電子科技有限公司，杭州 310000）

引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步以及科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，車載電子系統(tǒng)顯示控制臺(tái)在各種工程以及軍事車輛中得到十分廣泛的應(yīng)用[1,2]。和固定的工業(yè)計(jì)算機(jī)相比，車載計(jì)算機(jī)處于相對(duì)封閉的工作環(huán)境中，整體的散熱環(huán)境十分差。同時(shí)，還會(huì)承受來自路面不平帶來的振動(dòng)和沖擊。車載電子系統(tǒng)顯示控制臺(tái)主要負(fù)責(zé)電子設(shè)備的監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、分析以及存儲(chǔ)等工作，如果在實(shí)際條件下無法正常工作，將會(huì)帶來十分嚴(yán)重的后果以及損失。因此，如何在惡劣的環(huán)境下，確保車載電子系統(tǒng)顯示控制臺(tái)的正常工作成為現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn)話題[3]。以下主要針對(duì)在高速行車條件下車載電子系統(tǒng)顯示控制臺(tái)環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行分析和研究，通過具體的實(shí)驗(yàn)測(cè)試全面驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)顯示控制平臺(tái)的有效性和適用性。

1 車載電子系統(tǒng)顯示控制臺(tái)設(shè)計(jì)

1）高處理性能：

為了有效滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)計(jì)算和存儲(chǔ)，車載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)顯示控制臺(tái)需要具有較高的計(jì)算性能。

2）小型化：

為了滿足機(jī)動(dòng)性需求[4,5]，系統(tǒng)的體系需要小型化，確保攜帶方便。

3）模塊化和積木化：

為了方便車載計(jì)算機(jī)在前線部署、按需求配置以及維護(hù)等相關(guān)工作，需要采取全模塊化以及積木化設(shè)計(jì)。這樣能夠確?？刂婆_(tái)全部、準(zhǔn)確地完成不同計(jì)算需求，方便現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)工作。

4）安全性、適應(yīng)性：

為了確保系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行，整個(gè)系統(tǒng)需要具有抗震、抗終極、防水等特性。

5）接口智能化以及統(tǒng)一化：

整機(jī)的“兩抗”“四防”需求，同時(shí)前端信息獲取設(shè)備以及外圍設(shè)備的多樣性特點(diǎn)，促使接口系統(tǒng)和主機(jī)之間只能有一個(gè)物理連接。

6）高校散熱：

高性能的設(shè)備在處理較大運(yùn)行軟件時(shí)，具有負(fù)載功能強(qiáng)大以及功耗高等特點(diǎn)。

車載電子系統(tǒng)顯示控制臺(tái)是一個(gè)具有高可靠性以及高計(jì)算性能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，主要通過工業(yè)級(jí)板卡進(jìn)行加固，在確保系統(tǒng)具有良好拓展能力以及運(yùn)行能力的基礎(chǔ)上，有效實(shí)現(xiàn)高存儲(chǔ)密度和高拓展性[6]，同時(shí)具有強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)處理能力。

車載電子系統(tǒng)顯示控制臺(tái)主要是由圖1中的幾個(gè)部分組成。

利用表1給出車載電子系統(tǒng)顯示控制臺(tái)的具體組成。

車載電子系統(tǒng)顯示控制臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，分別由計(jì)算機(jī)模塊、擴(kuò)展模塊等組成。

為了滿足控制平臺(tái)的分析處理需求，車載計(jì)算機(jī)最多只能支持6塊業(yè)務(wù)卡，加上系統(tǒng)必須的顯卡以及采集卡等，系統(tǒng)需要較強(qiáng)的PCI擴(kuò)展能力。為此，需要進(jìn)行大量的計(jì)算以及模擬實(shí)驗(yàn)，選取合適的PCI總線規(guī)范，利用PCI擴(kuò)展模塊進(jìn)行整體設(shè)計(jì)[7,8]，綜合使用擴(kuò)展槽位以及板卡改造等技術(shù)完成。

智能溫控系統(tǒng)主要使用獨(dú)立的電源進(jìn)行供電，溫度開關(guān)附帶傳感器，將監(jiān)測(cè)特定點(diǎn)的溫度和設(shè)定的臨界值進(jìn)行對(duì)比，有效實(shí)現(xiàn)環(huán)境變動(dòng)自動(dòng)開關(guān)加熱膜以及散熱風(fēng)扇，確?？刂婆_(tái)的正常運(yùn)行。

表1 車載電子系統(tǒng)顯示控制臺(tái)的組成

圖1 車載電子系統(tǒng)顯示控制臺(tái)組成圖

圖2 車載電子系統(tǒng)顯示控制臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)

散熱系統(tǒng)是顯示控制平臺(tái)設(shè)計(jì)的另一個(gè)難題，需要組建系統(tǒng)得到發(fā)熱模型以及散熱數(shù)據(jù)模型[9]，利用一系列的熱模擬實(shí)驗(yàn)以及實(shí)物散熱實(shí)驗(yàn)，在有限的空間內(nèi)以及發(fā)熱部件等多個(gè)條件下，合理進(jìn)行熱源分散，科學(xué)設(shè)計(jì)散熱通道以及散熱組件，確保顯示控制臺(tái)具有高溫特性。

為了滿足環(huán)境需求，模擬實(shí)驗(yàn)過程中需要選取合適的減震器，內(nèi)部散件主要根據(jù)結(jié)構(gòu)支架，將部件以及整體經(jīng)過固化為一體。

車載電子系統(tǒng)顯示控制臺(tái)的全部模塊需要放置在兩個(gè)工作機(jī)柜上，同時(shí)在機(jī)柜的頂部安裝軸流風(fēng)機(jī)，加快機(jī)柜內(nèi)部熱量的散射[10,11]。

1）熱設(shè)計(jì)：

在車載電子系統(tǒng)顯示控制臺(tái)的總體設(shè)計(jì)中，快速散熱以及小型化是一對(duì)矛盾體，在有效的空間內(nèi)如何快速實(shí)現(xiàn)散熱是一個(gè)難以解決的問題。在總體設(shè)計(jì)中，熱設(shè)計(jì)顯得的十分重要。由于車載計(jì)算機(jī)顯示控制臺(tái)要求設(shè)計(jì)小巧精致，但是各個(gè)模塊排列緊密，一定會(huì)影響不同模塊的散熱效果。為了更好進(jìn)行散熱，主要使用強(qiáng)迫風(fēng)冷加熱管散熱。

2）抗振動(dòng)以及沖擊設(shè)計(jì)：

車載電子系統(tǒng)顯示控制臺(tái)的工作環(huán)境主要為車載環(huán)境，為了降低振動(dòng)沖擊對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，需要全面提升電子設(shè)備的可靠性[12]，在其底部安裝減震緩沖系統(tǒng)，其中印制板使用橡膠減震加固措施，硬盤使用獨(dú)立的減震系統(tǒng)，在惡劣環(huán)境下確保顯示控制臺(tái)的穩(wěn)定性和可靠性。

3）抗干擾設(shè)計(jì)：

全面考慮環(huán)境的復(fù)雜性，所以要求車載電子系統(tǒng)顯示控制臺(tái)具有良好的抗干擾性能，全面提升設(shè)備對(duì)電磁環(huán)境的適應(yīng)能力，其中主要包含電磁輻射的屏蔽、噪聲源的控制等。由于整個(gè)顯示控制臺(tái)內(nèi)部集成度較高且體積較小，十分容易出現(xiàn)較大的電磁干擾。為了全面提升設(shè)備的通風(fēng)散熱性能，一定會(huì)在機(jī)殼上開設(shè)通風(fēng)窗以及通風(fēng)孔。針對(duì)通風(fēng)孔的設(shè)計(jì)原則是盡量降低導(dǎo)磁的截面積以及導(dǎo)磁回路長(zhǎng)度，同時(shí)對(duì)大空洞使用金屬網(wǎng)罩進(jìn)行屏蔽。

4）三防設(shè)計(jì)：

野外環(huán)境的嚴(yán)酷一定會(huì)引發(fā)金屬材料以及非金屬材料的腐蝕和老化等，從而導(dǎo)致設(shè)備的綜合性能下降。所以需要結(jié)合所處環(huán)境以及影響因素等類型對(duì)不同設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)地防護(hù)。

2 高速行車條件下車載電子系統(tǒng)顯示控制臺(tái)環(huán)境適應(yīng)性分析

結(jié)合環(huán)境主要因素進(jìn)行劃分，具體如表2所示。

環(huán)境條件是指產(chǎn)品在制造以及存儲(chǔ)等過程中可能遇到的一切外界影響因素，環(huán)境條件主要包含自然條件、誘發(fā)條件或者是兩者的結(jié)合。自然條件主要是指自然界自身存在的條件，主要包含氣候條件以及輻射條件；誘發(fā)條件主要是指人為因素，例如運(yùn)輸或者裝卸過程中形成的沖擊以及輻射等[13]。

在不同類型的環(huán)境下，車載電子系統(tǒng)顯示控制臺(tái)以及所使用的的材料以及零部件均有可能發(fā)生腐蝕或者由于其他環(huán)境效應(yīng)，導(dǎo)致設(shè)備的可靠性降低。隨著各種電子設(shè)備開始逐漸向集成化以及高密度等方面發(fā)展，金屬稍微有腐蝕，會(huì)對(duì)車載電子系統(tǒng)顯示控制臺(tái)的性能產(chǎn)生十分明顯的影響，以下詳細(xì)給出環(huán)境因素對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的影響：

表2 環(huán)境分類

2.1 腐蝕環(huán)境的影響

車載電子系統(tǒng)顯示控制臺(tái)腐蝕因素主要有溫濕度以及太陽(yáng)輻射等，以下給出具體的輻射機(jī)理：

1）濕熱對(duì)車載電子系統(tǒng)顯示控制臺(tái)的腐蝕作用：

通常情況，金屬發(fā)生腐蝕的主要原因就是潮濕，不論是蒸汽還是濕氣，均會(huì)造成金屬腐蝕，并且還會(huì)加快微生物的成長(zhǎng)[14]。

當(dāng)溫度和濕度兩者共同作用時(shí)，在干凈的空氣內(nèi)，金屬腐蝕與溫度、濕度間的關(guān)系為：

式中：

Ψ—大氣相對(duì)濕度；

t—大氣溫度。

當(dāng)大氣中的相對(duì)濕度低于或者等于65 %時(shí)，在任何條件下金屬都不容易發(fā)生腐蝕；當(dāng)濕度高于65 %時(shí)，即使在干凈的空氣中金屬也會(huì)生銹。

2）鹽霧對(duì)車載電子系統(tǒng)顯示控制臺(tái)的腐蝕作用：

鹽霧也是加速車載電子系統(tǒng)顯示控制臺(tái)腐蝕的一個(gè)重要因素，尤其是沿海地區(qū)以及海洋環(huán)境，具體的嚴(yán)酷程度能夠高達(dá)200 mg/m2。

3）霉菌對(duì)產(chǎn)品的腐蝕作用：

霉菌主要通過水、氫以及氧作為養(yǎng)料，霉菌的產(chǎn)生促使車載電子系統(tǒng)顯示控制臺(tái)的物理性能發(fā)生較大程度的改變，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致設(shè)備性能受損，無法正常使用。

4）溫度對(duì)車載電子系統(tǒng)顯示控制臺(tái)的腐蝕作用：

溫度會(huì)導(dǎo)致元器件物理性能發(fā)生損傷、參數(shù)漂移且性能下降，它能夠改變材料的性能以及幾何尺寸。另外，化學(xué)侵蝕以及腐蝕都會(huì)因高溫而加快作用。大部分絕緣材料在高溫下會(huì)釋放出有機(jī)揮發(fā)氣氛，有效改變電氣特點(diǎn)，并且對(duì)元器件產(chǎn)生侵蝕作用。

5）太陽(yáng)輻射對(duì)車載電子系統(tǒng)顯示控制臺(tái)的腐蝕作用：

太陽(yáng)腐蝕造成的部分損傷均來自光譜的其它成分，主要是紫外部分，如果溫度增加，紫外線的反應(yīng)速度也會(huì)增加。

2.2 砂塵的影響

在大部分干熱地區(qū)空氣中均含有大量的懸浮砂塵，另外部分地區(qū)也存在季節(jié)性的砂塵，砂塵是影響車載電子系統(tǒng)顯示控制臺(tái)環(huán)境適應(yīng)性的重要因素之一。

大部分的塵埃均出現(xiàn)在各個(gè)工業(yè)區(qū)附近，主要含有灰塵以及焦油產(chǎn)物等。

2.3 壓力的影響

車載系統(tǒng)中使用的電子設(shè)備，除了受應(yīng)力腐蝕外，一般是不存在特殊的腐蝕問題。

2.4 機(jī)械力學(xué)環(huán)境的影響

如果車載電子系統(tǒng)顯示控制臺(tái)發(fā)生振動(dòng)，會(huì)引發(fā)應(yīng)力疲勞或者導(dǎo)線折斷等情況，促使整個(gè)控制臺(tái)的能力大幅度降低[15]，同時(shí)也容易引入噪聲或者發(fā)生瞬時(shí)斷路。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)主要?jiǎng)澐譃槿齻€(gè)步驟，具體如下：

1）設(shè)計(jì)高速行車條件下車載電子系統(tǒng)顯示控制臺(tái)環(huán)境適應(yīng)性分析測(cè)試方案，同時(shí)建立評(píng)估測(cè)試平臺(tái)，分別測(cè)試設(shè)備模塊以及顯示控制臺(tái)的頻率響應(yīng)曲線。

2）整理以及分析獲取的頻率響應(yīng)曲線，同時(shí)對(duì)車載電子系統(tǒng)顯示控制臺(tái)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。

3）分析設(shè)備對(duì)應(yīng)的模態(tài)參數(shù)，總結(jié)并且分析不同設(shè)備的動(dòng)力學(xué)特性。

測(cè)試平臺(tái)主要是由電動(dòng)激振器以及數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)等組成，具體如圖3所示。

圖3 振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)

通過S工MO測(cè)試方法，采用單激振器提供激力，通過激光測(cè)距儀或者壓電加速度傳感器設(shè)備或者整機(jī)的多點(diǎn)響應(yīng)。為了能夠獲取設(shè)備模塊和平滑模塊兩者的振型，同時(shí)也方便監(jiān)測(cè)設(shè)備印刷模塊印刷電路板上關(guān)鍵芯片的振型變化，測(cè)點(diǎn)布置使用網(wǎng)格化密集布點(diǎn)方式，網(wǎng)格的交點(diǎn)處為測(cè)試點(diǎn)位置，同時(shí)在重要元器件部分將網(wǎng)格細(xì)化處理，促使其能夠更加全面反映整個(gè)車載電子系統(tǒng)顯示控制臺(tái)的振動(dòng)響應(yīng)。

為了滿足有限元的分析，需要將插箱轉(zhuǎn)換為可分析的幾何模型，在ANSYSA中必須要統(tǒng)一單位制，具體如表2所示。

結(jié)合相關(guān)規(guī)則，選用表3所示的單元以及實(shí)常數(shù)。

通過正弦掃頻分析方法對(duì)所設(shè)計(jì)的車載電子系統(tǒng)顯示控制臺(tái)進(jìn)行粗略的掃描，其中頻率間隔為5，獲取如圖4所示的曲線。

為了獲取芯片表面在共振時(shí)的最大位移量，需要對(duì)兩個(gè)設(shè)定的頻點(diǎn)進(jìn)行掃描，獲取如圖5所示的曲線。

通過分析圖4和圖5中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠獲取以下結(jié)論：

1）最大位移量為0.75 mm；

2）全部固有頻率點(diǎn)均發(fā)生了共振，但是共振能量被設(shè)備阻尼削弱。

表2 協(xié)調(diào)單位制列表

表3 單元以及實(shí)常數(shù)表格

圖5 不同頻率下掃描曲線圖

圖6 加載位置和響應(yīng)位置關(guān)系分析

在高速行車條件下，利用圖6給出加載位置和響應(yīng)位置兩者間的位移差。

分析圖6中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)激勵(lì)消失以后，設(shè)備內(nèi)的阻尼自由振動(dòng)，但是加速度響應(yīng)值迅速降低。

3 結(jié)束語

重點(diǎn)對(duì)高速行車條件下車載電子系統(tǒng)顯示控制臺(tái)環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)顯示控制平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且展開了有關(guān)環(huán)境適應(yīng)分析的研究。通過測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的顯示控制臺(tái)各項(xiàng)設(shè)計(jì)均符合設(shè)定的需求，從而也驗(yàn)證了方案設(shè)計(jì)的合理性以及優(yōu)越性。