高速行车条件下车载电子系统显示控制台环境适应性分析

陈建波

（杭州彦菁电子科技有限公司，杭州 310000）

引言

随着社会的进步以及科学技术的不断发展，车载电子系统显示控制台在各种工程以及军事车辆中得到十分广泛的应用[1,2]。和固定的工业计算机相比，车载计算机处于相对封闭的工作环境中，整体的散热环境十分差。同时，还会承受来自路面不平带来的振动和冲击。车载电子系统显示控制台主要负责电子设备的监控、数据采集、分析以及存储等工作，如果在实际条件下无法正常工作，将会带来十分严重的后果以及损失。因此，如何在恶劣的环境下，确保车载电子系统显示控制台的正常工作成为现阶段研究的热点话题[3]。以下主要针对在高速行车条件下车载电子系统显示控制台环境适应性进行分析和研究，通过具体的实验测试全面验证了所设计显示控制平台的有效性和适用性。

1 车载电子系统显示控制台设计

1）高处理性能：

为了有效满足大规模数据计算和存储，车载计算机系统显示控制台需要具有较高的计算性能。

2）小型化：

为了满足机动性需求[4,5]，系统的体系需要小型化，确保携带方便。

3）模块化和积木化：

为了方便车载计算机在前线部署、按需求配置以及维护等相关工作，需要采取全模块化以及积木化设计。这样能够确保控制台全部、准确地完成不同计算需求，方便现场维护工作。

4）安全性、适应性：

为了确保系统在恶劣环境下的稳定运行，整个系统需要具有抗震、抗终极、防水等特性。

5）接口智能化以及统一化：

整机的“两抗”“四防”需求，同时前端信息获取设备以及外围设备的多样性特点，促使接口系统和主机之间只能有一个物理连接。

6）高校散热：

高性能的设备在处理较大运行软件时，具有负载功能强大以及功耗高等特点。

车载电子系统显示控制台是一个具有高可靠性以及高计算性能的计算机系统，主要通过工业级板卡进行加固，在确保系统具有良好拓展能力以及运行能力的基础上，有效实现高存储密度和高拓展性[6]，同时具有强大的计算机处理能力。

车载电子系统显示控制台主要是由图1中的几个部分组成。

利用表1给出车载电子系统显示控制台的具体组成。

车载电子系统显示控制台的总体结构如图2所示，分别由计算机模块、扩展模块等组成。

为了满足控制平台的分析处理需求，车载计算机最多只能支持6块业务卡，加上系统必须的显卡以及采集卡等，系统需要较强的PCI扩展能力。为此，需要进行大量的计算以及模拟实验，选取合适的PCI总线规范，利用PCI扩展模块进行整体设计[7,8]，综合使用扩展槽位以及板卡改造等技术完成。

智能温控系统主要使用独立的电源进行供电，温度开关附带传感器，将监测特定点的温度和设定的临界值进行对比，有效实现环境变动自动开关加热膜以及散热风扇，确保控制台的正常运行。

表1 车载电子系统显示控制台的组成

图1 车载电子系统显示控制台组成图

图2 车载电子系统显示控制台的总体结构

散热系统是显示控制平台设计的另一个难题，需要组建系统得到发热模型以及散热数据模型[9]，利用一系列的热模拟实验以及实物散热实验，在有限的空间内以及发热部件等多个条件下，合理进行热源分散，科学设计散热通道以及散热组件，确保显示控制台具有高温特性。

为了满足环境需求，模拟实验过程中需要选取合适的减震器，内部散件主要根据结构支架，将部件以及整体经过固化为一体。

车载电子系统显示控制台的全部模块需要放置在两个工作机柜上，同时在机柜的顶部安装轴流风机，加快机柜内部热量的散射[10,11]。

1）热设计：

在车载电子系统显示控制台的总体设计中，快速散热以及小型化是一对矛盾体，在有效的空间内如何快速实现散热是一个难以解决的问题。在总体设计中，热设计显得的十分重要。由于车载计算机显示控制台要求设计小巧精致，但是各个模块排列紧密，一定会影响不同模块的散热效果。为了更好进行散热，主要使用强迫风冷加热管散热。

2）抗振动以及冲击设计：

车载电子系统显示控制台的工作环境主要为车载环境，为了降低振动冲击对系统产生的影响，需要全面提升电子设备的可靠性[12]，在其底部安装减震缓冲系统，其中印制板使用橡胶减震加固措施，硬盘使用独立的减震系统，在恶劣环境下确保显示控制台的稳定性和可靠性。

3）抗干扰设计：

全面考虑环境的复杂性，所以要求车载电子系统显示控制台具有良好的抗干扰性能，全面提升设备对电磁环境的适应能力，其中主要包含电磁辐射的屏蔽、噪声源的控制等。由于整个显示控制台内部集成度较高且体积较小，十分容易出现较大的电磁干扰。为了全面提升设备的通风散热性能，一定会在机壳上开设通风窗以及通风孔。针对通风孔的设计原则是尽量降低导磁的截面积以及导磁回路长度，同时对大空洞使用金属网罩进行屏蔽。

4）三防设计：

野外环境的严酷一定会引发金属材料以及非金属材料的腐蚀和老化等，从而导致设备的综合性能下降。所以需要结合所处环境以及影响因素等类型对不同设备进行相应地防护。

2 高速行车条件下车载电子系统显示控制台环境适应性分析

结合环境主要因素进行划分，具体如表2所示。

环境条件是指产品在制造以及存储等过程中可能遇到的一切外界影响因素，环境条件主要包含自然条件、诱发条件或者是两者的结合。自然条件主要是指自然界自身存在的条件，主要包含气候条件以及辐射条件；诱发条件主要是指人为因素，例如运输或者装卸过程中形成的冲击以及辐射等[13]。

在不同类型的环境下，车载电子系统显示控制台以及所使用的的材料以及零部件均有可能发生腐蚀或者由于其他环境效应，导致设备的可靠性降低。随着各种电子设备开始逐渐向集成化以及高密度等方面发展，金属稍微有腐蚀，会对车载电子系统显示控制台的性能产生十分明显的影响，以下详细给出环境因素对设备产生的影响：

表2 环境分类

2.1 腐蚀环境的影响

车载电子系统显示控制台腐蚀因素主要有温湿度以及太阳辐射等，以下给出具体的辐射机理：

1）湿热对车载电子系统显示控制台的腐蚀作用：

通常情况，金属发生腐蚀的主要原因就是潮湿，不论是蒸汽还是湿气，均会造成金属腐蚀，并且还会加快微生物的成长[14]。

当温度和湿度两者共同作用时，在干净的空气内，金属腐蚀与温度、湿度间的关系为：

式中：

Ψ—大气相对湿度；

t—大气温度。

当大气中的相对湿度低于或者等于65 %时，在任何条件下金属都不容易发生腐蚀；当湿度高于65 %时，即使在干净的空气中金属也会生锈。

2）盐雾对车载电子系统显示控制台的腐蚀作用：

盐雾也是加速车载电子系统显示控制台腐蚀的一个重要因素，尤其是沿海地区以及海洋环境，具体的严酷程度能够高达200 mg/m2。

3）霉菌对产品的腐蚀作用：

霉菌主要通过水、氢以及氧作为养料，霉菌的产生促使车载电子系统显示控制台的物理性能发生较大程度的改变，同时还会导致设备性能受损，无法正常使用。

4）温度对车载电子系统显示控制台的腐蚀作用：

温度会导致元器件物理性能发生损伤、参数漂移且性能下降，它能够改变材料的性能以及几何尺寸。另外，化学侵蚀以及腐蚀都会因高温而加快作用。大部分绝缘材料在高温下会释放出有机挥发气氛，有效改变电气特点，并且对元器件产生侵蚀作用。

5）太阳辐射对车载电子系统显示控制台的腐蚀作用：

太阳腐蚀造成的部分损伤均来自光谱的其它成分，主要是紫外部分，如果温度增加，紫外线的反应速度也会增加。

2.2 砂尘的影响

在大部分干热地区空气中均含有大量的悬浮砂尘，另外部分地区也存在季节性的砂尘，砂尘是影响车载电子系统显示控制台环境适应性的重要因素之一。

大部分的尘埃均出现在各个工业区附近，主要含有灰尘以及焦油产物等。

2.3 压力的影响

车载系统中使用的电子设备，除了受应力腐蚀外，一般是不存在特殊的腐蚀问题。

2.4 机械力学环境的影响

如果车载电子系统显示控制台发生振动，会引发应力疲劳或者导线折断等情况，促使整个控制台的能力大幅度降低[15]，同时也容易引入噪声或者发生瞬时断路。

整个实验主要划分为三个步骤，具体如下：

1）设计高速行车条件下车载电子系统显示控制台环境适应性分析测试方案，同时建立评估测试平台，分别测试设备模块以及显示控制台的频率响应曲线。

2）整理以及分析获取的频率响应曲线，同时对车载电子系统显示控制台进行动力学分析。

3）分析设备对应的模态参数，总结并且分析不同设备的动力学特性。

测试平台主要是由电动激振器以及数据处理计算机等组成，具体如图3所示。

图3 振动测试平台

通过S工MO测试方法，采用单激振器提供激力，通过激光测距仪或者压电加速度传感器设备或者整机的多点响应。为了能够获取设备模块和平滑模块两者的振型，同时也方便监测设备印刷模块印刷电路板上关键芯片的振型变化，测点布置使用网格化密集布点方式，网格的交点处为测试点位置，同时在重要元器件部分将网格细化处理，促使其能够更加全面反映整个车载电子系统显示控制台的振动响应。

为了满足有限元的分析，需要将插箱转换为可分析的几何模型，在ANSYSA中必须要统一单位制，具体如表2所示。

结合相关规则，选用表3所示的单元以及实常数。

通过正弦扫频分析方法对所设计的车载电子系统显示控制台进行粗略的扫描，其中频率间隔为5，获取如图4所示的曲线。

为了获取芯片表面在共振时的最大位移量，需要对两个设定的频点进行扫描，获取如图5所示的曲线。

通过分析图4和图5中的实验数据能够获取以下结论：

1）最大位移量为0.75 mm；

2）全部固有频率点均发生了共振，但是共振能量被设备阻尼削弱。

表2 协调单位制列表

表3 单元以及实常数表格

图5 不同频率下扫描曲线图

图6 加载位置和响应位置关系分析

在高速行车条件下，利用图6给出加载位置和响应位置两者间的位移差。

分析图6中的实验数据可知，当激励消失以后，设备内的阻尼自由振动，但是加速度响应值迅速降低。

3 结束语

重点对高速行车条件下车载电子系统显示控制台环境适应性进行分析，同时对显示控制平台进行设计，并且展开了有关环境适应分析的研究。通过测试结果表明，所设计的显示控制台各项设计均符合设定的需求，从而也验证了方案设计的合理性以及优越性。