高速行車條件下車載電子系統顯示控制臺環境適應性分析

陳建波

（杭州彥菁電子科技有限公司，杭州 310000）

引言

隨著社會的進步以及科學技術的不斷發展，車載電子系統顯示控制臺在各種工程以及軍事車輛中得到十分廣泛的應用[1,2]。和固定的工業計算機相比，車載計算機處于相對封閉的工作環境中，整體的散熱環境十分差。同時，還會承受來自路面不平帶來的振動和沖擊。車載電子系統顯示控制臺主要負責電子設備的監控、數據采集、分析以及存儲等工作，如果在實際條件下無法正常工作，將會帶來十分嚴重的后果以及損失。因此，如何在惡劣的環境下，確保車載電子系統顯示控制臺的正常工作成為現階段研究的熱點話題[3]。以下主要針對在高速行車條件下車載電子系統顯示控制臺環境適應性進行分析和研究，通過具體的實驗測試全面驗證了所設計顯示控制平臺的有效性和適用性。

1 車載電子系統顯示控制臺設計

1）高處理性能：

為了有效滿足大規模數據計算和存儲，車載計算機系統顯示控制臺需要具有較高的計算性能。

2）小型化：

為了滿足機動性需求[4,5]，系統的體系需要小型化，確保攜帶方便。

3）模塊化和積木化：

為了方便車載計算機在前線部署、按需求配置以及維護等相關工作，需要采取全模塊化以及積木化設計。這樣能夠確?？刂婆_全部、準確地完成不同計算需求，方便現場維護工作。

4）安全性、適應性：

為了確保系統在惡劣環境下的穩定運行，整個系統需要具有抗震、抗終極、防水等特性。

5）接口智能化以及統一化：

整機的“兩抗”“四防”需求，同時前端信息獲取設備以及外圍設備的多樣性特點，促使接口系統和主機之間只能有一個物理連接。

6）高校散熱：

高性能的設備在處理較大運行軟件時，具有負載功能強大以及功耗高等特點。

車載電子系統顯示控制臺是一個具有高可靠性以及高計算性能的計算機系統，主要通過工業級板卡進行加固，在確保系統具有良好拓展能力以及運行能力的基礎上，有效實現高存儲密度和高拓展性[6]，同時具有強大的計算機處理能力。

車載電子系統顯示控制臺主要是由圖1中的幾個部分組成。

利用表1給出車載電子系統顯示控制臺的具體組成。

車載電子系統顯示控制臺的總體結構如圖2所示，分別由計算機模塊、擴展模塊等組成。

為了滿足控制平臺的分析處理需求，車載計算機最多只能支持6塊業務卡，加上系統必須的顯卡以及采集卡等，系統需要較強的PCI擴展能力。為此，需要進行大量的計算以及模擬實驗，選取合適的PCI總線規范，利用PCI擴展模塊進行整體設計[7,8]，綜合使用擴展槽位以及板卡改造等技術完成。

智能溫控系統主要使用獨立的電源進行供電，溫度開關附帶傳感器，將監測特定點的溫度和設定的臨界值進行對比，有效實現環境變動自動開關加熱膜以及散熱風扇，確保控制臺的正常運行。

表1 車載電子系統顯示控制臺的組成

圖1 車載電子系統顯示控制臺組成圖

圖2 車載電子系統顯示控制臺的總體結構

散熱系統是顯示控制平臺設計的另一個難題，需要組建系統得到發熱模型以及散熱數據模型[9]，利用一系列的熱模擬實驗以及實物散熱實驗，在有限的空間內以及發熱部件等多個條件下，合理進行熱源分散，科學設計散熱通道以及散熱組件，確保顯示控制臺具有高溫特性。

為了滿足環境需求，模擬實驗過程中需要選取合適的減震器，內部散件主要根據結構支架，將部件以及整體經過固化為一體。

車載電子系統顯示控制臺的全部模塊需要放置在兩個工作機柜上，同時在機柜的頂部安裝軸流風機，加快機柜內部熱量的散射[10,11]。

1）熱設計：

在車載電子系統顯示控制臺的總體設計中，快速散熱以及小型化是一對矛盾體，在有效的空間內如何快速實現散熱是一個難以解決的問題。在總體設計中，熱設計顯得的十分重要。由于車載計算機顯示控制臺要求設計小巧精致，但是各個模塊排列緊密，一定會影響不同模塊的散熱效果。為了更好進行散熱，主要使用強迫風冷加熱管散熱。

2）抗振動以及沖擊設計：

車載電子系統顯示控制臺的工作環境主要為車載環境，為了降低振動沖擊對系統產生的影響，需要全面提升電子設備的可靠性[12]，在其底部安裝減震緩沖系統，其中印制板使用橡膠減震加固措施，硬盤使用獨立的減震系統，在惡劣環境下確保顯示控制臺的穩定性和可靠性。

3）抗干擾設計：

全面考慮環境的復雜性，所以要求車載電子系統顯示控制臺具有良好的抗干擾性能，全面提升設備對電磁環境的適應能力，其中主要包含電磁輻射的屏蔽、噪聲源的控制等。由于整個顯示控制臺內部集成度較高且體積較小，十分容易出現較大的電磁干擾。為了全面提升設備的通風散熱性能，一定會在機殼上開設通風窗以及通風孔。針對通風孔的設計原則是盡量降低導磁的截面積以及導磁回路長度，同時對大空洞使用金屬網罩進行屏蔽。

4）三防設計：

野外環境的嚴酷一定會引發金屬材料以及非金屬材料的腐蝕和老化等，從而導致設備的綜合性能下降。所以需要結合所處環境以及影響因素等類型對不同設備進行相應地防護。

2 高速行車條件下車載電子系統顯示控制臺環境適應性分析

結合環境主要因素進行劃分，具體如表2所示。

環境條件是指產品在制造以及存儲等過程中可能遇到的一切外界影響因素，環境條件主要包含自然條件、誘發條件或者是兩者的結合。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；誘發條件主要是指人為因素，例如運輸或者裝卸過程中形成的沖擊以及輻射等[13]。

在不同類型的環境下，車載電子系統顯示控制臺以及所使用的的材料以及零部件均有可能發生腐蝕或者由于其他環境效應，導致設備的可靠性降低。隨著各種電子設備開始逐漸向集成化以及高密度等方面發展，金屬稍微有腐蝕，會對車載電子系統顯示控制臺的性能產生十分明顯的影響，以下詳細給出環境因素對設備產生的影響：

表2 環境分類

2.1 腐蝕環境的影響

車載電子系統顯示控制臺腐蝕因素主要有溫濕度以及太陽輻射等，以下給出具體的輻射機理：

1）濕熱對車載電子系統顯示控制臺的腐蝕作用：

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

當溫度和濕度兩者共同作用時，在干凈的空氣內，金屬腐蝕與溫度、濕度間的關系為：

式中：

Ψ—大氣相對濕度；

t—大氣溫度。

當大氣中的相對濕度低于或者等于65 %時，在任何條件下金屬都不容易發生腐蝕；當濕度高于65 %時，即使在干凈的空氣中金屬也會生銹。

2）鹽霧對車載電子系統顯示控制臺的腐蝕作用：

鹽霧也是加速車載電子系統顯示控制臺腐蝕的一個重要因素，尤其是沿海地區以及海洋環境，具體的嚴酷程度能夠高達200 mg/m2。

3）霉菌對產品的腐蝕作用：

霉菌主要通過水、氫以及氧作為養料，霉菌的產生促使車載電子系統顯示控制臺的物理性能發生較大程度的改變，同時還會導致設備性能受損，無法正常使用。

4）溫度對車載電子系統顯示控制臺的腐蝕作用：

溫度會導致元器件物理性能發生損傷、參數漂移且性能下降，它能夠改變材料的性能以及幾何尺寸。另外，化學侵蝕以及腐蝕都會因高溫而加快作用。大部分絕緣材料在高溫下會釋放出有機揮發氣氛，有效改變電氣特點，并且對元器件產生侵蝕作用。

5）太陽輻射對車載電子系統顯示控制臺的腐蝕作用：

太陽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，紫外線的反應速度也會增加。

2.2 砂塵的影響

在大部分干熱地區空氣中均含有大量的懸浮砂塵，另外部分地區也存在季節性的砂塵，砂塵是影響車載電子系統顯示控制臺環境適應性的重要因素之一。

大部分的塵埃均出現在各個工業區附近，主要含有灰塵以及焦油產物等。

2.3 壓力的影響

車載系統中使用的電子設備，除了受應力腐蝕外，一般是不存在特殊的腐蝕問題。

2.4 機械力學環境的影響

如果車載電子系統顯示控制臺發生振動，會引發應力疲勞或者導線折斷等情況，促使整個控制臺的能力大幅度降低[15]，同時也容易引入噪聲或者發生瞬時斷路。

整個實驗主要劃分為三個步驟，具體如下：

1）設計高速行車條件下車載電子系統顯示控制臺環境適應性分析測試方案，同時建立評估測試平臺，分別測試設備模塊以及顯示控制臺的頻率響應曲線。

2）整理以及分析獲取的頻率響應曲線，同時對車載電子系統顯示控制臺進行動力學分析。

3）分析設備對應的模態參數，總結并且分析不同設備的動力學特性。

測試平臺主要是由電動激振器以及數據處理計算機等組成，具體如圖3所示。

圖3 振動測試平臺

通過S工MO測試方法，采用單激振器提供激力，通過激光測距儀或者壓電加速度傳感器設備或者整機的多點響應。為了能夠獲取設備模塊和平滑模塊兩者的振型，同時也方便監測設備印刷模塊印刷電路板上關鍵芯片的振型變化，測點布置使用網格化密集布點方式，網格的交點處為測試點位置，同時在重要元器件部分將網格細化處理，促使其能夠更加全面反映整個車載電子系統顯示控制臺的振動響應。

為了滿足有限元的分析，需要將插箱轉換為可分析的幾何模型，在ANSYSA中必須要統一單位制，具體如表2所示。

結合相關規則，選用表3所示的單元以及實常數。

通過正弦掃頻分析方法對所設計的車載電子系統顯示控制臺進行粗略的掃描，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的最大位移量，需要對兩個設定的頻點進行掃描，獲取如圖5所示的曲線。

通過分析圖4和圖5中的實驗數據能夠獲取以下結論：

1）最大位移量為0.75 mm；

2）全部固有頻率點均發生了共振，但是共振能量被設備阻尼削弱。

表2 協調單位制列表

表3 單元以及實常數表格

圖5 不同頻率下掃描曲線圖

圖6 加載位置和響應位置關系分析

在高速行車條件下，利用圖6給出加載位置和響應位置兩者間的位移差。

分析圖6中的實驗數據可知，當激勵消失以后，設備內的阻尼自由振動，但是加速度響應值迅速降低。

3 結束語

重點對高速行車條件下車載電子系統顯示控制臺環境適應性進行分析，同時對顯示控制平臺進行設計，并且展開了有關環境適應分析的研究。通過測試結果表明，所設計的顯示控制臺各項設計均符合設定的需求，從而也驗證了方案設計的合理性以及優越性。