一种车载中控计算机的设计(2)

　　2.2 母板设计 

　　按CPCI总线构建的设备主要由系统处理板卡、外围扩展板卡和母板构成，是比桌面计算机更适合于工业现场应用的架构[1]，广泛应用于电子战系统的处理、控制设备。 

　　中心控制计算机母板结合CPCI规范和本单机架构设计而成，共有15个槽位宽，每个CPCI槽位宽[1]20.32 mm，整个母板尺寸为310.00 mm×262.00 mm。 

　　母板的槽位分布如图3所示， 4个系统槽位，安装4个嵌入式计算机板；5个扩展槽位，论文网站安装多串口卡、视频采集卡、加密卡等特定功能扩展板卡，扩展板卡通过母板上的32位PCI总线与对应的系统槽位计算机互联；剩余7个槽位为独立功能槽位，分别安装KVM切换板、千兆网络交换板、电源模块（2槽宽）以及用作单机信号输出的转接连接器的安装区域（3槽宽）。 

　　图3 CPCI母板模块排布图 

　　单机内的功能板卡除加密卡为3U板卡（100.00 mm×160.00 mm）外，其余均为6U板卡（233.35 mm×160.00 mm）[1]。母板承担了CPCI电源到负载电路的配电，KVM信号、千兆网络信号以及多条32位PCI总线信号的转接，传输信号众多，电路板厚度达到了4.00 mm。 

　　3 模块电路设计 

　　3.1 嵌入式计算机板 

　　单机内部共有4个嵌入式CPCI计算机板，每个计算机板的性能和使用方法与一台普通计算机相同，每个均可通过KVM切换由操作员接管，运行系统软件，下发指令，完成相应的战术任务。板卡上侧的普通计算机接口（VGA、网口、串口、USB口），用于单板调试；32位CPCI总线信号和所有上述计算机接口信号均同时通过CPCI接头输出到母板。4个嵌入计算机板的输出信号母板的互联，构成一个功能强大的多任务处理系统。 

　　为了适应车载平台的使用需求（尺寸小、需抗振），单机所用计算机板是在研华公司CPCI计算机板上修改结构设计而成，改进后的嵌入式ATR计算机板如图4所示，标准CPCI?6U板卡，外加盒体、提耳和锁紧条，以适应在ATR机箱内的安装，单机内所有其他6U?CPCI板卡的结构形式与图4相同。 

　　图4 6U?CPCI ATR计算机板 

　　3.2 KVM切换板 

　　KVM 是计算机标准输入输出信号Key（键盘）Video（视频）Mouse（串口）的简写，特指利用一组KVM信号即可实现对多台计算控制的多电脑控制器[2]。其实质上为一个“多输入单输出”的信号切换开关，通过对多路计算机输入KVM信号的选择输出，从而实现单个操作员对多台计算机的控制，进而完成复杂系统任务的集中控制和处理，便捷操控的同时节省了空间节约了成本。 

　　单机内部嵌入了4台嵌入式计算机板，外部又设计了2个操作席位，因此需要设计一个 “4入2出”的KVM切换板，其电气框图如图5所示。 

　　4个嵌入式计算机板的4组KVM信号经母板引入KVM切换矩阵，KVM切换开关信号经单机面板引至操作员附近，操作员通过按切换键，由KVM输出SA1和SA2分别选择4路KVM信号中任意1路，输出到显示器，从而实现了1个操作员对单机内4台嵌入式计算机板的轮流控制。这样，车内坐在2个显示器前面2个操作员利用中控计算机的这一功能，即可完成对整个车载电子战系统的管理和控制。 

　　图5 KVM交换板框图 

　　3.3 千兆网络交换板 

　　车载中控计算机内部嵌有4个计算机板，单机还连接着车载系统的其他单机或者车外的其他电子系统，这些设备之间快速数据交换是十分必要的。因此，在单机内部设计了一个嵌入式的千兆网络交换机板，由其将单机内外所有计算机和系统连接成一个局域网，可快速便捷地完成单机内外数据交换，使单机成为一个数据交换中心。网络交换板的原理框图如图6所示，1个主控芯片VSC7407完成板卡的管理控制和数据交换，外接4个VSC8664驱动芯片（每个支持4个网口），完成对外12个网络端口信号的数据链路层和物理层驱动。 

　　图6 千兆网络交换板框图 

　　3.4 多串口扩展板 

　　车载系统外围单机中，高速据率的设备通过网口同中控计算机完成数据交互，但一些低数据率速设备如GPS授时设备、天线伺服设备等，通过串口进行数据交互是简易可行的方式。因此，单机内部设计了专用的多串口扩展板，用于对此类设备的连接。 

　　多串口扩展板原理框图如图7所示，CPCI计算机板CPU的32为总线通过桥接芯片9054连接到本地的双路通用异步串口芯片ST16C552[4]，然后经过RS 232和RS 422电平转换芯片转换标准串口连接外部设备。根据系统需求定制的多串口扩展板共有12个RS 422串口、4个RS 232串口，波特率最高可达115 200 b/s。利用多串口扩展板，中控计算机可以连接众多的串口型车载外围设备。 

　　图7 多串口扩展板框图 

　　4 结构设计 

　　4.1 ATR机箱 

　　为适应车载平台在行进间工作的要求，中心控制计算机需采取必要的结构加固措施。因此，单机采用了ATR机箱设计标准，该标准为ARINC 404，定义了一系列安装于航空机架上各个单机的尺寸、安装方式、抗振措施、散热方法等，从而保证该单机能现场快速完成更换，方便使用。ATR机箱结构也广泛应用于轮式、运动、船舰等平台之中，这些平台都有着严酷的使用环境——冲击、振动、温度变化、潮湿、盐雾[3]。单机外形尺寸为400 mm×290 mm×246 mm，单机配有适用于车载平台的专用安装托架，托架配装散热风机和减振器，其内部俯视图与安装散热示意图如图8所示。 

　　图8 中控计算机内部俯视图及安装散热示意图 

　　4.2 散热设计 

　　本单机内部有4个嵌入式计算机板及多个外围扩展卡，工作频率高，处理任务大，整机功耗约125 W，若无有效的散热措施，热量聚集将会导致计算板CPU温度过高，甚至超过100°，从而导致计算机死机加固计算机中散热设计主要由传导和对流两种方式，传导途径为：元器件—导热硅脂—导热板—机箱壁和机箱周围环境[5]。单机同时采用了传导和强迫风冷的散热方式：机箱左、右侧板为冷板，内钎焊有两层型材翅片，以增大散热面积并形成风道，机箱内各模块通过其金属盒体或者印制板上的金属垫条将热量传导至左、右侧板，再通过减振安装架上的直流风机形成的负气压将单机内部热量排出。 

　　4.3 抗振设计 

　　单机采取了以下两方面的抗振措施。其一是紧固措施：首先通过模块两侧的锁紧条将模块紧固在单机侧壁，然后通过托架上前端的快锁装置和后端的定位插销将单机紧固在安装架之上，最后单机面板采用JY27466系列的符合GJB 599A高强度抗振系列插座，保证了单机输入输出信号的可靠接触。其二是减振措施：特制的减振安装架配有4个减振器，作为单机的隔振措施，减小车载平台行进间的振动对单机内部电子器件的影响。 

　　5 结 语 

　　本文依据工程研制经验，论述了应用于车载平台的中心控制计算机的电气、结构设计思路，并具体阐述了其典型电路模块的设计要点。所论述的单机集成度高、处理能力强大、散热和抗振措施可靠、通用性及标准化程度高，对类似的中心控制计算机设计具有很强的指导借鉴意义。 

　　参考文献 

　　[1] PICMG. Compact PCI short form specification [R]. [S.l.]： PCI Industrial Computers Manufacturers Group， 1995. 

　　[2] TERNDnet. KVM tutorial [R]. [S.l.]： TERNDnet， 2004. 

　　[3] Hartmann Electronic. Rugged COTS ATR'S（air transport rack） [R]. [S.l.]： Hartmann Electronic GmbH， 2012. 

　　[4] STARTECH. Universal asynchronous receiver/transmitter with FIFO and parallel printer port with power down capability [R]. [S.l.]： STARTECH， 1995. 

　　[5] 毕文兰.试论加固计算机[J].山西电子技术，2001（3）：47?48. 

　　[6] 王维锋，陈建明.车载计算机主板测试系统设计[J].现代电子技术，2013，36（10）：67?70.