某监控设备主控计算机的结构设计

张建（中国兵器工业第58研究所，四川 绵阳　621000）

某监控设备主控计算机的结构设计

张建
（中国兵器工业第58研究所，四川 绵阳621000）

论文就某监控设备主控计算机的结构组成、电磁兼容设计、热设计、“三防”设计等做了详细论述。通过制造验证，该机顺利通过了振动、冲击、低温、高温、湿热以及电磁兼容等试验，具有结构紧凑，携带方便，散热高效，电磁屏蔽效果良好等特点，各项指标均满足要求。

加固计算机；结构设计；电磁兼容；热设计；三防

0　引言

结构设计作为产品设计的一部分，对产品功能的实现起着至关重要的作用。某监控设备主控计算机为可靠性极高的一体化加固计算机，主要技术指标要求如下：

贮存温度：-40℃～60℃；工作温度：-10℃～45℃；湿热试验：40℃，相对湿度90%～98%，48h；电磁兼容性：满足 GJB151A-2003中关于地面设备对 CE102、CS101、CS106、CS114、CS115、CS116、RE102、RS103的极限制要求；可靠性：一次连续工作时间不小于1a；累计工作时间不小于5a；整机设备MTBF不低于24000h；热待机一年的工作可靠度为0.991；维修性：平均维修时间不大于15min；维修度不小于0.9。

要达到上述技术要求，在结构设计时，须综合考虑整机结构、电磁兼容性设计、热设计和“三防”设计等。

图1　监控设备主控计算机外形图Fig.1 Dimension of the rugged computer of monitoring equipment

1　整机结构组成

为使监控设备主控计算机便于维护、通用性强，本机采用便携式一体化结构，模块化、分体式设计。监控设备主控计算机整机结构包括箱体、显示屏、键盘以及各功能插件，其外形如图1所示

箱体由硬铝加工后真空钎焊而成，是监控设备计算机机箱的主体部分，其8个角上装有橡胶护角。显示器固定在机箱正前方，是该机的主要显示部分，包括液晶显示屏、指示灯、开关以及屏蔽玻璃等。键盘通过阻尼铰链与箱体连接，主要包括防水键盘、鼠标触摸板，使用时为下翻状态，运输时可翻起收拢。功能插件从箱体右侧插入背板，通过楔形锁紧装置进行紧固。外部信号及电源接口位于箱体左侧面。

2　电磁兼容（EMC）设计

电磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）是指电气和电子设备或系统在包围它的电磁环境中能正常工作，不因电磁干扰而降低工作性能，且它们本身所发射的电磁能量不足以恶化环境和影响其他设备或系统的正常工作。在进行电子设备设计时，通常采用电磁屏蔽、滤波和接地等措施使设备或系统具备良好的电磁兼容性。本文着重从缝隙、显示屏、键盘等位置的处理论述机箱的电磁屏蔽性。

2.1缝隙的屏蔽设计

由电磁理论可知，影响屏蔽完整性的主要因素是屏蔽体上的接缝，故机箱主体上的各可拆卸盖板成为影响机箱电磁屏蔽完整性的主要因素。缝隙的传输损耗受缝隙深度及缝隙长度的影响，为了提高屏蔽效能，需要增加缝隙的深度，减小缝隙的长度。

因此，在进行结构设计时，在不影响机箱强度、维修性、美观性的前提下，各盖板尽量设计成凸起结构，伸入箱体内；缩短安装螺钉的孔间距以减小缝隙长度；在安装面的沟槽里装导电衬垫，如导电橡胶条、指形簧片等，进一步填充结合面处的缝隙，增强板件的导电性。

图2　缝隙设计示意图Fig.2 Gap design

2.2显示器的屏蔽设计

为减少外部干扰对监控设备主控计算机液晶显示屏的影响，同时，防止液晶屏电磁辐射外泄，本机设计时，在液晶屏与面板之间加装夹金属丝网屏蔽玻璃。安装时，屏蔽玻璃四周金属裙边用导电胶与面板牢固粘接，屏蔽玻璃采用压框紧固。面板内伸凸起处安装一金属罩，可防止内部功能插件电磁辐射对液晶显示屏的影响。

此外，面板上安装的开关和指示灯都具有屏蔽功能，在安装前，应装导电橡胶衬垫。面板与箱体结合面处设计一导槽，用导电胶粘贴导电橡胶圈。

图3　显示器设计示意图Fig.3 LCD design

2.3键盘的屏蔽设计

为使键盘部分具备良好的电磁屏蔽性，设计时，选用防水加固键盘。安装时，在加固键盘底部与键盘托架结合面处装导电衬垫，使之电连接充分。键盘控制线用屏蔽线缆引入主机，屏蔽层一端与机箱主体搭接，另一端与键盘托架搭接。

3　热设计

监控设备主控计算机的主要热源为电源模块和CPU插件，发热功耗约200W。通过计算，该机的表面散热功率密度约0.03W/cm2，体积散热功率密度约0.006W/ cm3。由热设计理论可知，该机可通过自然冷却散热。电源和CPU印制板上的发热器件大部分热量通过腔体和锁紧条传递至密闭的机箱主体，机箱主体上的热量通过与桌面的热传导、与周围空气的热对流和向空间的热辐射散去。其热流路径如图4所示。

图4　热流路径图Fig.4 Heat-flow path

由于监控设备主控计算机8个角上都装有橡胶护角，机箱主体向桌面传导的热量极为有限，这里主要考虑对流和辐射散热。由密封机箱散热公式：

式中：WT—密闭机箱表面的散热量（W）；Ss—机箱侧面内壁的有效面积（m2）；St—机箱顶部的表面积（m2）；Sb—机箱的底面积（m2）；△t—机箱的温升值（℃）；σ—斯忒

监控设备主控计算机的散热主要取决于机箱主体的表面积，因此，在设计时，尽可能的在各面开设沟槽，可大大增加散热面积。

4　“三防”设计

在现代电子设备的实际应用环境中，潮湿、盐雾和霉菌对电子设备的侵蚀十分普遍。工作的气候因素和环境条件非常复杂，既能单独影响，又能同时作用，从而加速对器件和设备的损害。因此在考虑电子设备可靠性和稳定性时，要根据不同环境条件采取相应的防护措施，也就是说，三防技术在实际应用中具有广泛且重要的意义。

为提高监控设备主控计算机的可靠性，在材料选择、结构设计和工艺防护等方面作了充分考虑，使之能满足生产、调试、运输、工作、存储等过程所处环境的防护要求。

4.1合理选用材料

材料选用的合理性不但影响装备的耐候性，还影响装备的制造成本和使用。在设计时，监控设备主控计算机机箱体选用铝镁系防锈铝；阻尼器、搭扣、标准件等关键器件选用防护等级较高的奥氏体不锈钢材质；包角、护线圈等非金属材料吸湿性低、耐霉菌，不挥发腐蚀性气体，与金属无接触腐蚀；尽量选用一类金属材料，或者选用电位差较小的不同类金属材料。

4.2合理的结构设计

结构形式对装备耐候性的影响非常大，不良的结构形式是一种先天性缺陷，很难在以后弥补。监控设备主控计算机结构设计时，充分考虑了以下细节：①机箱表面结构简洁、连续、流畅、过渡圆滑，尽量避免缝隙、孔隙、尖角，使腐蚀性介质不易滞留和聚集；②机箱各面开设长条凹槽，使之易于散热；③在合适位置安装防水透气阀，使箱体内外气压保持平衡，可防止因温度骤变产生凝露和水汽密封胶条损坏的现象发生；④箱体采用真空钎焊技术成型，搭接可靠。

4.3合理的工艺防护措施

合理的工艺防护措施是提高装备抗恶劣环境能力的重要手段，主要有表面处理、灌封处理、绝缘处理、防霉处理、包装防护等。监控设备主控计算机箱体整体导电氧化，除导电面外，表面涂覆耐腐蚀聚氨酯漆，里面喷涂三防清漆；非导电部件作阳极氧化后喷聚氨酯漆。

5　结束语

按照上述设计制造，监控设备主控计算机结构紧凑，携带方便，散热高效，电磁屏蔽效果良好，顺利通过了振动、冲击、低温、高温、湿热以及电磁兼容性等试验，产品各项指标均满足要求。

［1］袁丽.便携式加固计算机结构综合防护设计研究［J］.现代制造工程，2015，2.

［2］王从思，等.电子设备的现代防护技术［J］.电子机械工程，2005，3.

［3］电子科学研究院.电子设备三防技术手册［M］.北京：兵器工业出版社，2000.

［4］中华人民共和国航天工业部部标准，QJ 1474-88，电子设备热设计规范［S］.北京：中华人民共和国航天工业部，1988-04-08：24-25.

Structure Design of a Certain Rugged Computer of Monitoring Equipment

ZHANG Jian
（No.58 Research Institute of China Ordnance Industries，Mianyang Sichuan 621000，China）

Structure，electromagnetic compatibility，thermal design，three-proof design etc.in a certain rugged computer of monitoring equipment are discussed in detail in this paper.The rugged computer of monitoring equipment passed vibration test，shock test，low temperature test，high temperature test，damp heat test，and EMC test successfully after the completion of manufacture.It's compact and easy to carry.The effects of cooling and electromagnetic shielding are good.All the parameters can meet the requirements.

rugged computer；structure design；electromagnetic compatibility（EMC）；thermal design；three-proofing design

TB47

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.038

1002-6673（2015）05-102-03

2015-07-30

张建（1983-），男，工学学士，助理工程师。主要从事电子设备结构设计及工艺技术研究等工作。