一种接口板可更换模块化仪器结构设计

摘" 要：该文设计一种接口板可更换模块化仪器。模块结构灵活，可适配不同种类接口板安装。整机结构通用性好，可同时满足4种模块插拔安装需要。仪器通过产品环境试验并批量供货，较好地满足用户多场景使用需求。

关键词：可更换；模块化；机箱；接口板；模块化仪器

中图分类号：TN41""""" 文献标志码：A""""""""" 文章编号：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

电子测量仪器主要结构形式包括台式结构、手持式结构、便携式结构、标准总线模块化结构、USB模块化结构和定制模块化结构等类型。近年来，随着用户需求的个性化要求越来越多，定制类模块化电子测量仪器受到更多用户青睐。定制类模块化电子测量仪器结构设计的优劣直接影响到用户的使用体验，因此模块化电子测量仪器结构设计必须从用户需求出发，结合行业标准、国家标准精心设计，重点解决模块及仪器的易用性。本文基于某用户特殊需求，介绍一种接口板可更换模块化仪器的结构设计。

1" 仪器组成及要求

某用户根据测试要求提出一种模块化仪器产品需求，主要用于多种光模块的测试。仪器主要由3部分组成，第一部分为适应不同种类光模块测试用的接口板（图1），第二部分为用于接口板控制的功能板（图2），第三部分为主机机箱。功能板需满足适配多种接口板（14种）要求，可以为接口板提供电源、控制。单个接口板和功能板可以组合成一个模块，模块提供供电接口和程控测试测口，可以独立测试使用。接口板更换时间少于20 min。另外，主机机箱需提供多个模块安装位，以提高光模块测试效率；主机机箱外形尺寸尽量小并满足19英寸机柜上架安装要求；整机工作温度0～40 ℃；整机主要使用场景为生产线，无振动、冲击环境适应性要求。

2" 整机结构设计一般原则

为保证整机结构设计有效满足用户需求，降低整机生产成本，提高整机生产效率，整机结构设计一般需遵循一定的设计原则。

2.1" 平台化原则

根据任务要求，在保证满足整机结构设计要求的前提下，应尽量选择在已有结构平台或相近似结构平台基础上进行设计。

2.2" 继承性原则

在满足任务要求前提下，充分考虑后续产品继承性应用的可能性。

2.3" 通用性原则

在满足任务要求的前提下，鼓励借用现有成熟的零部件。

2.4" 标准化原则

整机外形尺寸应满足GJB 100-86《面板、机架和机柜的基本尺寸系列》要求；印制板外形尺寸、连接器型号及位置等应保持一致；功能模块尽量选择现有通用产品；信号输入、输出接头应尽量选择通用产品。

2.5" 优化设计原则

对技术指标、生产成本、研制进度、加工难度等制约因素进行全面分析，综合权衡，选择性能和可靠性最佳，并具有一定先进水平的设计方案。

2.6" 成熟度原则

在设计中，尽量采用经过论证、鉴定、试验的技术、工艺和材料。

2.7" 简化原则

在满足功能和性能要求下，整机零部件结构形式及表面涂覆要求等应尽量简化、螺钉种类尽量减少、材料种类尽量减少等，以提高整机可生产性。

2.8" 维修性原则

整机结构设计时，要根据产品使用环境、模块更换维修频次和环境，充分考虑整机可维修性和可调试性。

2.9" 安全性原则

整机结构设计时，要充分考虑整机生产安全性、调试维修安全性、使用安全性、环保要求。

2.10" 经济性原则

应努力降低设计成本、材料成本、生产成本和管理成本，使设计的产品经济效益最大化。

2.11" 可靠性原则

综合权衡可靠性要求、技术基础和保障资源，以确定合理的可靠性设计方案；在必须采用新技术时，对可靠性应有必要的保证，必须有充分的试验验证；优先采用符合标准的、通用的材料，在必须采用新材料时，其可靠性应有必要的保证；优先采用成熟的工艺，在必须采用新工艺时，其可靠性应有必要的保证；可靠性设计应综合考虑产品的公益性、安全性；对全寿命周期内规定的环境条件作全面分析，并留有足够的裕度；充分、正确地运用可靠性设计技术。

3" 仪器结构设计

仪器结构设计主要包括接口板结构设计、模块结构设计、仪器总体结构设计和仪器热设计。

3.1" 接口板结构设计

用户待测光模块主要包括CFP、SFP、XFP、CFP2、CXP和DSEP等14种，对应各光模块的测试接口尺寸见表1，其长度尺寸相差较多。接口板结构设计考虑两点要求，一是让单个接口板布设较多的测试接口，二是考虑接口板控制芯片布局统一性以及与功能板互连接口统一性。综合考虑，接口板结构尺寸设计见表2，14种接口板简化为3种结构尺寸，有效提高接口板互换性，并可简化模块结构设计。

为了实现接口板快速更换，接口板与功能板之间的连接采用可插拔设计，电源接口、控制接口、高速数据接口采用不同的连接器分开设计，可以保证信号传输质量，避免信号串扰。所有接口板面板外形尺寸、工作状态指示灯位置、与功能板互联的连接器位置一致；面板外侧采用哑光PC薄膜制作贴膜用以丝印字符，保证字符清晰、不易刮伤。接口板两侧预留8 mm宽器件禁布区，安装孔按50 mm等间距设计，保证接口板可在导轨中滑动安装。

3.2" 模块结构设计

模块安装有接口板、功能板和转接板，具备独立的供电接口和程控接口，可以独立完成光模块的测试。多个模块也可以同时插入主机机箱，完成多端口多种类光模块测试。模块外形尺寸（宽×高×深）为：210 mm×38 mm×480 mm。

为满足模块在主机机箱中的安装要求，各模块外形尺寸保持一致，具备统一的安装托板、左右导轨和转接板。安装托板前部设置有模块助拔器，可以帮助模块在主机机箱插槽内顺利插入和拔出。安装托板除了承担各电路板、左右导轨、转接板的支撑作用外，还兼具模块滑轨作用。接口板装有独立的面板，采用螺钉安装于左右导轨前部位置。功能板可以和接口直接对插，并采用螺钉固定于左右导轨中部位置。转接板具备供电接口和程控接口，位于安装托板尾部位置。为适应不同接口板深度要求，功能板可以沿左右导轨滑动，左右导轨上具有多个螺钉连接安装位。功能板和转接板之间通过软线线缆连接。为方便接口板更换，左右导轨设置有接口板助拔器。

模块结构如图3所示。

接口板和功能板与导轨之间固定螺钉数量为12个，每个螺钉拆除、安装一次时间约1 min，螺钉拆装时间12 min。接口板和功能板之间可通过助拔器快速插拔，分离后重新安装一次时间约5 min。更换一块接口板共耗时17 min，满足更换接口板操作时间小于20 min的要求。

3.3" 仪器总体结构设计

综合考虑仪器使用环境要求和标准化、通用化要求，主机机箱外形尺寸（宽×高×深）确定为：482.6 mm

×88.1 mm×500 mm。机箱面板预留标准上架孔位，机箱后部宽度为449 mm，小于上架安装宽度限制500 mm要求，满足19英寸机柜上架安装要求。

为简化仪器主机机箱结构设计，机箱主框架由上、下盖板和围框组成。内设左导轨、中导轨、右导轨，为模块提供滑道和支撑。机箱后部安装有综合背板，为各个模块提供供电和网络控制。机箱前框零件采用铝合金板铣加工制作，为模块面板提供安装接口，也为模块助拔器提供支撑点。机箱左侧前后均布5个风扇，采用右侧进风、左侧出风的风道设计，中导轨适当开孔，调节冷风流向，有效满足不同模块在主机机箱中的散热要求。

机箱面板采用浅灰色喷塑处理，上下盖板采用黑色喷塑处理，整体给人一种稳重感、科技感和专业感。内部结构件采用铝合金铣加工后表面导电氧化处理，保证各结构件之间电导通连续性。

主机机箱结构（去除上盖板）如图4所示。

3.4" 仪器热设计

随着集成电路的快速发展，集成电路功能越来越复杂，其功耗也越来越大。为保证仪器可靠工作，必须对仪器开展热设计。另外，随着数字仿真技术的发展，采用热仿真软件进行虚拟仿真设计逐渐成为一种节约设计成本、提高设计精度的好方法。由于在开展测试时光模块本身也具有较大的功耗，所以光模块功率也是热设计时必须考虑的重要因素。由于CFP光模块工作功耗为32 W，在所有光模块中功耗最大，因此，本文选择仪器开展热设计的初始条件为：主机箱满载4个CFP测试模块。

仪器主要集成电路功耗见表3。

热仿真初始条件设置：仪器工作环境温度设置为40 ℃，流体介质为空气，不考虑热辐射的稳态计算。求解域在仪器进出风方向距离机箱500 m，其他方向距离机箱100 mm。经计算，初步热仿真温度云图如图5所示。

由图5分析可知，此热仿真结果存在2个问题：一是功能板电源管理芯片温度达到118 ℃，虽然满足芯片工作环境温度小于120 ℃要求，但其长期工作可靠性降低，需要改进。二是CFP光模块温度达到78 ℃，满足其工作环境温度小于100 ℃的要求，但由于测试时光模块直接和操作者接触，过高温度会灼伤操作者，此问题也需要改进设计。

产生问题一的原因为芯片功率密度高、强迫风冷下散热面积不够，因此采取增加散热器设计；产生问题二的原因为前部CFP光模块与散热器组件体积较大，风阻大，流经该区域的冷风流量较少，而模块中后部器件高度低，风阻小，冷风流量大。冷风流量分配不合理导致CFP光模块散热不理想。解决措施为中导轨开孔优化设计，适当改变机箱内部冷空气流向，达到降低CFP光模块温度的目的。按上述条件设置边界条件进行热仿真计算，第二次热仿真结果温度云图如图6所示。

从图6可得出，功能板电源管理芯片工作温度95 ℃，下降23 ℃，芯片工作可靠性大大提高；CFP光模块温度54 ℃，下降24 ℃，满足操作者快速操作需要。另外，仪器内部最高温度为115 ℃，位于电源管理芯片2壳体，下降14 ℃，查资料可知该芯片耐温温度为150 ℃，满足工作温度要求。另外，由图7可知，冷空气流向得到有效控制，低风阻、低功耗区域气流减少，高风阻、高功耗区域气流增加。因此，通过开孔优化设计调节冷空气流向的设计方法有效，值得其他仪器热设计时参考借鉴。

4" 典型结构设计

模块助拔器和接口板助拔器是用户在仪器使用过程中频繁操作的部件，因此，其结构设计好坏直接影响用户对仪器的使用体验，必须精心、合理设计。

4.1" 模块助拔器结构设计

模块助拔器的主要作用是帮助使用者可以轻松地将模块从主机机箱中拔出。模块在拔出时主要阻力为模块与综合背板之间插拔力、模块托板和导轨之间的摩擦力。

查模块与综合背板间公头连接器型号为：054087，其与母头连接器之间插拔力为

F1=0.75×55+1.5×3=45.75 N。

模块托板和导轨之间的摩擦力为

F2=μ×N=0.3×0.9×9.8=2.65 N。

模块拔出时单个助拔器需克服的阻力

F=（F1+F2）/2=24.2 N。

显然，若直接插拔模块，操作者易疲劳，测试效率变低。因此本文利用杠杆原理设计了一种模块助拔器如图8所示。操作者所需插拔力：F拔=（Fx7）/28=6.05 N，操作者劳动强度大幅降低。

另外，为防止助拔器旋转角度过大，模块托板设计了限位柱，如图9所示。为保证助拔器旋转时可以任意位置停止，助拔器和托板之间安装有弹性鞍型垫圈，如图10所示。

4.2" 接口板助拔器结构设计

接口板助拔器的主要作用是方便用户快速、省力地拆卸接口板，其主要由固定到模块导轨上的提把和固定到接口板上的固定块组成，如图11所示。接口板助拔器结构设计时除关注插拔力的计算外，还需考虑助拔器要满足接口板和功能板分离行程要求，全行程都要提供一定助拔力；接口板安装时自动带动助拔器复位，助拔器复位后的高度不应超出模块面板高度。

5" 结论

本文根据用户需求设计了一种接口板可更换模块化仪器。模块可以单独提供光模块测试能力，多种模块也可同时插入主机机箱内形成光模块综合测试能力。模块结构灵活，可适配不同种类接口板。整机结构通用性好，可同时满足4种模块插拔安装需要。仪器通过了产品环境试验并批量供货，较好满足了用户需求。

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