一種接口板可更換模塊化儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘" 要：該文設(shè)計(jì)一種接口板可更換模塊化儀器。模塊結(jié)構(gòu)靈活，可適配不同種類接口板安裝。整機(jī)結(jié)構(gòu)通用性好，可同時(shí)滿足4種模塊插拔安裝需要。儀器通過產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)并批量供貨，較好地滿足用戶多場景使用需求。

關(guān)鍵詞：可更換；模塊化；機(jī)箱；接口板；模塊化儀器

中圖分類號：TN41""""" 文獻(xiàn)標(biāo)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(jié)構(gòu)形式包括臺式結(jié)構(gòu)、手持式結(jié)構(gòu)、便攜式結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)總線模塊化結(jié)構(gòu)、USB模塊化結(jié)構(gòu)和定制模塊化結(jié)構(gòu)等類型。近年來，隨著用戶需求的個(gè)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響到用戶的使用體驗(yàn)，因此模塊化電子測量儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須從用戶需求出發(fā)，結(jié)合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)精心設(shè)計(jì)，重點(diǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1" 儀器組成及要求

某用戶根據(jù)測試要求提出一種模塊化儀器產(chǎn)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(yīng)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(jī)機(jī)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(gè)接口板和功能板可以組合成一個(gè)模塊，模塊提供供電接口和程控測試測口，可以獨(dú)立測試使用。接口板更換時(shí)間少于20 min。另外，主機(jī)機(jī)箱需提供多個(gè)模塊安裝位，以提高光模塊測試效率；主機(jī)機(jī)箱外形尺寸盡量小并滿足19英寸機(jī)柜上架安裝要求；整機(jī)工作溫度0～40 ℃；整機(jī)主要使用場景為生產(chǎn)線，無振動、沖擊環(huán)境適應(yīng)性要求。

2" 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般原則

為保證整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效滿足用戶需求，降低整機(jī)生產(chǎn)成本，提高整機(jī)生產(chǎn)效率，整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般需遵循一定的設(shè)計(jì)原則。

2.1" 平臺化原則

根據(jù)任務(wù)要求，在保證滿足整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的前提下，應(yīng)盡量選擇在已有結(jié)構(gòu)平臺或相近似結(jié)構(gòu)平臺基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2" 繼承性原則

在滿足任務(wù)要求前提下，充分考慮后續(xù)產(chǎn)品繼承性應(yīng)用的可能性。

2.3" 通用性原則

在滿足任務(wù)要求的前提下，鼓勵(lì)借用現(xiàn)有成熟的零部件。

2.4" 標(biāo)準(zhǔn)化原則

整機(jī)外形尺寸應(yīng)滿足GJB 100-86《面板、機(jī)架和機(jī)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(yīng)保持一致；功能模塊盡量選擇現(xiàn)有通用產(chǎn)品；信號輸入、輸出接頭應(yīng)盡量選擇通用產(chǎn)品。

2.5" 優(yōu)化設(shè)計(jì)原則

對技術(shù)指標(biāo)、生產(chǎn)成本、研制進(jìn)度、加工難度等制約因素進(jìn)行全面分析，綜合權(quán)衡，選擇性能和可靠性最佳，并具有一定先進(jìn)水平的設(shè)計(jì)方案。

2.6" 成熟度原則

在設(shè)計(jì)中，盡量采用經(jīng)過論證、鑒定、試驗(yàn)的技術(shù)、工藝和材料。

2.7" 簡化原則

在滿足功能和性能要求下，整機(jī)零部件結(jié)構(gòu)形式及表面涂覆要求等應(yīng)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(jī)可生產(chǎn)性。

2.8" 維修性原則

整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)產(chǎn)品使用環(huán)境、模塊更換維修頻次和環(huán)境，充分考慮整機(jī)可維修性和可調(diào)試性。

2.9" 安全性原則

整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮整機(jī)生產(chǎn)安全性、調(diào)試維修安全性、使用安全性、環(huán)保要求。

2.10" 經(jīng)濟(jì)性原則

應(yīng)努力降低設(shè)計(jì)成本、材料成本、生產(chǎn)成本和管理成本，使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益最大化。

2.11" 可靠性原則

綜合權(quán)衡可靠性要求、技術(shù)基礎(chǔ)和保障資源，以確定合理的可靠性設(shè)計(jì)方案；在必須采用新技術(shù)時(shí)，對可靠性應(yīng)有必要的保證，必須有充分的試驗(yàn)驗(yàn)證；優(yōu)先采用符合標(biāo)準(zhǔn)的、通用的材料，在必須采用新材料時(shí)，其可靠性應(yīng)有必要的保證；優(yōu)先采用成熟的工藝，在必須采用新工藝時(shí)，其可靠性應(yīng)有必要的保證；可靠性設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮產(chǎn)品的公益性、安全性；對全壽命周期內(nèi)規(guī)定的環(huán)境條件作全面分析，并留有足夠的裕度；充分、正確地運(yùn)用可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)。

3" 儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括接口板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、儀器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和儀器熱設(shè)計(jì)。

3.1" 接口板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

用戶待測光模塊主要包括CFP、SFP、XFP、CFP2、CXP和DSEP等14種，對應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮兩點(diǎn)要求，一是讓單個(gè)接口板布設(shè)較多的測試接口，二是考慮接口板控制芯片布局統(tǒng)一性以及與功能板互連接口統(tǒng)一性。綜合考慮，接口板結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)見表2，14種接口板簡化為3種結(jié)構(gòu)尺寸，有效提高接口板互換性，并可簡化模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

為了實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)，電源接口、控制接口、高速數(shù)據(jù)接口采用不同的連接器分開設(shè)計(jì)，可以保證信號傳輸質(zhì)量，避免信號串?dāng)_。所有接口板面板外形尺寸、工作狀態(tài)指示燈位置、與功能板互聯(lián)的連接器位置一致；面板外側(cè)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(cè)預(yù)留8 mm寬器件禁布區(qū)，安裝孔按50 mm等間距設(shè)計(jì)，保證接口板可在導(dǎo)軌中滑動安裝。

3.2" 模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模塊安裝有接口板、功能板和轉(zhuǎn)接板，具備獨(dú)立的供電接口和程控接口，可以獨(dú)立完成光模塊的測試。多個(gè)模塊也可以同時(shí)插入主機(jī)機(jī)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(jī)機(jī)箱中的安裝要求，各模塊外形尺寸保持一致，具備統(tǒng)一的安裝托板、左右導(dǎo)軌和轉(zhuǎn)接板。安裝托板前部設(shè)置有模塊助拔器，可以幫助模塊在主機(jī)機(jī)箱插槽內(nèi)順利插入和拔出。安裝托板除了承擔(dān)各電路板、左右導(dǎo)軌、轉(zhuǎn)接板的支撐作用外，還兼具模塊滑軌作用。接口板裝有獨(dú)立的面板，采用螺釘安裝于左右導(dǎo)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(dǎo)軌中部位置。轉(zhuǎn)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(yīng)不同接口板深度要求，功能板可以沿左右導(dǎo)軌滑動，左右導(dǎo)軌上具有多個(gè)螺釘連接安裝位。功能板和轉(zhuǎn)接板之間通過軟線線纜連接。為方便接口板更換，左右導(dǎo)軌設(shè)置有接口板助拔器。

模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

接口板和功能板與導(dǎo)軌之間固定螺釘數(shù)量為12個(gè)，每個(gè)螺釘拆除、安裝一次時(shí)間約1 min，螺釘拆裝時(shí)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(shí)間約5 min。更換一塊接口板共耗時(shí)17 min，滿足更換接口板操作時(shí)間小于20 min的要求。

3.3" 儀器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合考慮儀器使用環(huán)境要求和標(biāo)準(zhǔn)化、通用化要求，主機(jī)機(jī)箱外形尺寸（寬×高×深）確定為：482.6 mm

×88.1 mm×500 mm。機(jī)箱面板預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)上架孔位，機(jī)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(jī)柜上架安裝要求。

為簡化儀器主機(jī)機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)箱主框架由上、下蓋板和圍框組成。內(nèi)設(shè)左導(dǎo)軌、中導(dǎo)軌、右導(dǎo)軌，為模塊提供滑道和支撐。機(jī)箱后部安裝有綜合背板，為各個(gè)模塊提供供電和網(wǎng)絡(luò)控制。機(jī)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(diǎn)。機(jī)箱左側(cè)前后均布5個(gè)風(fēng)扇，采用右側(cè)進(jìn)風(fēng)、左側(cè)出風(fēng)的風(fēng)道設(shè)計(jì)，中導(dǎo)軌適當(dāng)開孔，調(diào)節(jié)冷風(fēng)流向，有效滿足不同模塊在主機(jī)機(jī)箱中的散熱要求。

機(jī)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(wěn)重感、科技感和專業(yè)感。內(nèi)部結(jié)構(gòu)件采用鋁合金銑加工后表面導(dǎo)電氧化處理，保證各結(jié)構(gòu)件之間電導(dǎo)通連續(xù)性。

主機(jī)機(jī)箱結(jié)構(gòu)（去除上蓋板）如圖4所示。

3.4" 儀器熱設(shè)計(jì)

隨著集成電路的快速發(fā)展，集成電路功能越來越復(fù)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(shè)計(jì)。另外，隨著數(shù)字仿真技術(shù)的發(fā)展，采用熱仿真軟件進(jìn)行虛擬仿真設(shè)計(jì)逐漸成為一種節(jié)約設(shè)計(jì)成本、提高設(shè)計(jì)精度的好方法。由于在開展測試時(shí)光模塊本身也具有較大的功耗，所以光模塊功率也是熱設(shè)計(jì)時(shí)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(shè)計(jì)的初始條件為：主機(jī)箱滿載4個(gè)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(shè)置：儀器工作環(huán)境溫度設(shè)置為40 ℃，流體介質(zhì)為空氣，不考慮熱輻射的穩(wěn)態(tài)計(jì)算。求解域在儀器進(jìn)出風(fēng)方向距離機(jī)箱500 m，其他方向距離機(jī)箱100 mm。經(jīng)計(jì)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(jié)果存在2個(gè)問題：一是功能板電源管理芯片溫度達(dá)到118 ℃，雖然滿足芯片工作環(huán)境溫度小于120 ℃要求，但其長期工作可靠性降低，需要改進(jìn)。二是CFP光模塊溫度達(dá)到78 ℃，滿足其工作環(huán)境溫度小于100 ℃的要求，但由于測試時(shí)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(jìn)設(shè)計(jì)。

產(chǎn)生問題一的原因?yàn)樾酒β拭芏雀?、?qiáng)迫風(fēng)冷下散熱面積不夠，因此采取增加散熱器設(shè)計(jì)；產(chǎn)生問題二的原因?yàn)榍安緾FP光模塊與散熱器組件體積較大，風(fēng)阻大，流經(jīng)該區(qū)域的冷風(fēng)流量較少，而模塊中后部器件高度低，風(fēng)阻小，冷風(fēng)流量大。冷風(fēng)流量分配不合理導(dǎo)致CFP光模塊散熱不理想。解決措施為中導(dǎo)軌開孔優(yōu)化設(shè)計(jì)，適當(dāng)改變機(jī)箱內(nèi)部冷空氣流向，達(dá)到降低CFP光模塊溫度的目的。按上述條件設(shè)置邊界條件進(jìn)行熱仿真計(jì)算，第二次熱仿真結(jié)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(nèi)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(fēng)阻、低功耗區(qū)域氣流減少，高風(fēng)阻、高功耗區(qū)域氣流增加。因此，通過開孔優(yōu)化設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)冷空氣流向的設(shè)計(jì)方法有效，值得其他儀器熱設(shè)計(jì)時(shí)參考借鑒。

4" 典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)好壞直接影響用戶對儀器的使用體驗(yàn)，必須精心、合理設(shè)計(jì)。

4.1" 模塊助拔器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jī)機(jī)箱中拔出。模塊在拔出時(shí)主要阻力為模塊與綜合背板之間插拔力、模塊托板和導(dǎo)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(dǎo)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(shí)單個(gè)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(shè)計(jì)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(qiáng)度大幅降低。

另外，為防止助拔器旋轉(zhuǎn)角度過大，模塊托板設(shè)計(jì)了限位柱，如圖9所示。為保證助拔器旋轉(zhuǎn)時(shí)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(dǎo)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)除關(guān)注插拔力的計(jì)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(shí)自動帶動助拔器復(fù)位，助拔器復(fù)位后的高度不應(yīng)超出模塊面板高度。

5" 結(jié)論

本文根據(jù)用戶需求設(shè)計(jì)了一種接口板可更換模塊化儀器。模塊可以單獨(dú)提供光模塊測試能力，多種模塊也可同時(shí)插入主機(jī)機(jī)箱內(nèi)形成光模塊綜合測試能力。模塊結(jié)構(gòu)靈活，可適配不同種類接口板。整機(jī)結(jié)構(gòu)通用性好，可同時(shí)滿足4種模塊插拔安裝需要。儀器通過了產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)并批量供貨，較好滿足了用戶需求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐麗媛.電子設(shè)備散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用技術(shù)，2015（4）：217.

[2] 藍(lán)軍，舒茜.電子儀器設(shè)備機(jī)箱的可靠性設(shè)計(jì)[J].中國教育技術(shù)裝備，2007（1）：51-53.

[3] 王建國.儀器產(chǎn)品的人機(jī)硬界面關(guān)系設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動化，2004（5）：59-60，63.

[4] 畢勝.試論印制電路板（PCB）散熱方案的優(yōu)化[J].制造業(yè)自動化，2011，33（4）：126-128.