CN106462529B - 用于电子机柜的输入/输出设备以及包括该设备的机柜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将多个诸如计算机(10a,…,10f)这样的设备聚集在一起的电气或电子机柜的输入/输出设备(22)，其特征在于，其包括：多个输入/输出通道(23a,23b,23c,23d)，转换单元(25,26,28,29)以及至少一个计算单元(27)，所述转换单元连接到输入/输出通道和计算单元；数字网络链路协议管理单元(27a)，其连接到计算单元和至少一个收发器模块(24)；以及能够实现数据的数字传输的软件，所述数据代表经由所述至少一个收发器模块(24)而来自和去往网络中的计算机(10a,…,10f)的输入/输出值。本发明还涉及一种将多个计算机聚集在一起的电气机柜，每个计算机配备有收发器模块且包括根据本发明的输入/输出设备。

Description

用于电子机柜的输入/输出设备以及包括该设备的机柜
技术领域
本发明涉及一种用于电气机柜、特别是飞行器的电气机柜或电子机柜型的电气机柜的输入/输出设备。
本发明特别应用于电气设备的机柜，例如将飞机中的计算机聚集在一起的机柜。
背景技术
在目前的飞行器中，特别是出于便于维护和便于操作的目的，计算机被聚集在电气机柜中。
机柜又称电气机架或航空电子机架，其具有三个主要功能。互连功能：在各设备之间连接聚集在机柜中的计算机并将计算机连接到这些计算机的数据交换和供电装置；机械功能：将装置的计算机保持在原位；冷却功能：将装置的冷却系统直接连接至该机柜以使得冷空气在机柜的搁板中流通，以便直接冷却计算机，而热空气也通过这些搁板排出。
用于连接的技术是借助于标准化连接器(已知的缩写为ARINC的连接器)的电布线技术，该连接器沉重且体积大。
某些链路使用光纤，然而这些连接的数量是缩减的。
每个计算机借助于例如ARINC 600型的标准连接器而连接至飞行器的各设备，ARINC 600型的连接器具有600个连接点以及点对点类型的布线。
大多数时间并没有使用连接器的全部接触点，而是使用连接器的约30％-40％的连接容量，这明显导致空间损失、重量增加以及成本过高。
另外，计算机网络构架的配置的每次改变都会导致艰难且耗时的布线修改过程。
例如对于中等的民用邮政飞机的中等大小的机柜或机架，线缆以及线缆和连接器的支承件的总重量约为80kg，而机械结构的重量接近70kg。因此，用于互连的重量在机架的总重量中所占的比例大于50％。
针对飞行器中的互连的现有解决方案因此主要在于三维布线网络，并且所有的布线都位于电气机柜中的计算机处。
试图利用波导来在多个设备之间实现无线通信设备，文献US8078215例如提出了一种包括多个连接点的波导解决方案，而文献US2010/0318243提出利用飞机结构部件—纵梁—作为波导。
发明内容
鉴于上述现有技术，本发明的设计基于将机柜的输入/输出聚集到单一设备上，该单一设备通过无线射频通信系统与机柜的其他设备相连接，本发明的设计还基于包括用于通信系统的波导的多功能结构。
为此，本发明提出了一种用于聚集诸如计算机这样的多个设备的电气或电子机柜的输入/输出设备，所述输入/输出设备包括：
-多个输入/输出通以及转换单元，至少一个计算单元，转换单元一
方面连接到输入/输出通，另一方面连接到所述计算单元，
-数字网络链路协议管理单元，其连接到计算单元和至少一个发送器
/接收器模块，以及
-能够实现以数字形式的数据传输的软件，所述数据代表经由发送器
/接收器模块而来自和去往网络计算机的输入/输出值。
软件有利地包括经由发送器/接收器模块管理信息网络的模块。
根据第一实施方式，输入/输出通道中的至少一些是模拟通道，关于所述模拟通道的转换单元是模数和/或数模转换单元。
根据替代或补充的第二实施方式，输入/输出通道中的至少一些包括网关。
根据替代或补充的第三实施方式，输入/输出通道中的至少一些包括光通道。
本发明还涉及一种将多个计算机聚集在一起的电气机柜，其中每个计算机配备有发送器/接收器模块，该机柜包括如上文定义的输入/输出设备且配备有互连系统，对于该机柜，发送器/接收器模块是射频模块并且互连系统包括局限于波导内的射频网络，该波导与机柜相关联且连接计算机和输入/输出设备的发送器/接收器模块。
或者，本发明还涉及一种将多个计算设备聚集在一起的电气机柜，其中每个计算机配备有发送器/接收器模块，该机柜包括如前文定义的输入/输出设备且配备有互连系统，对于该机柜，发送器/接收器模块是光模块并且互连系统包括在波导中传输的光网络，其中该波导与机柜相关联且连接计算机和输入/输出设备的光模块。
有利地，机柜中所接收的每个计算机包括一对发送器/接收器，以确保计算机之间的光链接。
根据一个特定的实施方式，中继器将输入/输出设备连接至机柜的多个搁板上的计算机。
根据替代或补充的实施方式，输入/输出设备包括多个发送器/接收器模块，每个模块分布在机柜中的不同搁板上。
电气或电子机柜有利地使得所述输入/输出设备构成在机柜内部的数字网络与飞行器的一个或多个数字网络之间的协议转换器。
附图说明
参考附图，通过阅读以下对本发明的非限制性实现示例的描述，本发明的其他特征和优点将变得明显，其中：
图1是通过现有技术电连接器而连接的航空电子设备机柜的后视图；
图2是现有技术电气机柜的示意图；
图3是根据本发明的机柜的第一实现示例的侧面正视示意图；
图4是图3中的机柜的侧面后视示意图；
图5是图3中的机柜的侧面正视细节图；
图6是根据本发明的变型的机柜的第二实现示例的透视示意图；
图7是图6中的机柜的横截面的透视图；
图8是图6中的机柜的侧面正视细节图；
图9是本发明的互连系统的示意图；
图10是根据本发明的输入/输出设备的示意图；
图11A和11B是具有光学链路的结构的实现示例的两个示意图。
具体实施方式
首先，本发明涉及一种基于多功能机柜的结构和无线通信的互连系统。
关于航空电子机柜的现有技术在图1和图2中展示。
图1示出了机柜的后视细节图，其中电连接器b1、b2能够将电缆股c1，c2连接至布置在机柜中的计算机。
图2示出了这种机柜的电布线的示例，容易看到与计算机d的冷却设备e，f并联的此类布线c的复杂性。
应用于例如图3和图6中所展示的机柜的本发明的多功能结构1、3的目的在于显著地简化这种机柜，并且除了确保机柜中的计算机与飞行器的其余设备之间的通信传输之外，还应确保电气或电子机柜中的设备的供电和通风。
本发明提出了在布置在机柜中的设备与所述机柜之间的不变的接口以及基于标准化拓扑和网络类型通信协议的结构。
基本原理在于通过使用在波导中传播的无线通信来简化机柜内的互连，如图10所示。
根据图10，连接至布置在飞行器中的远程设备的有线链路23被聚集到机柜的输入/输出设备22处。
该输入/输出设备将纳入从发送至机柜中的全部计算机的信息帧中接收到的数据，并将由机柜中的计算机所发送的数据引导至飞行器中的相关设备。为此，其包括从束23a和23b接收信号并向束23a和23b发送信号的多个模/数转换器25以及数/模转换器26，束23a和23b将系统连接至飞行器的致动器和传感器。输入/输出设备包括能够根据网络协议在机柜的计算机10a至10f与转换器之间传输数字数据的处理器27。
输入/输出设备还包括能够借助于波导3中的天线11来发送和接收的通信模块24，该波导将机柜的输入/输出设备连接至容置在所述机柜中的其他设备10a至10f。通信模块针对在波导中发送的网络协议而特别地作为路由器工作。
机柜内的互连使用射频无线通信，其通过波导3而在容置计算机的搁板处传输。
无线通信意味着使用远程发送器/接收器，其避免使用线缆和连接器。
有利地，发送器/接收器对于机柜中的全部设备是相同的，以使得其与网络的连接是不变的。发送器/接收器包括插入与设备10a至10f接触的波导3的开口中的天线11。
供电条71，81在机柜中分配电流以对这些设备供电。
由于机柜中的设备的位置只要保持在通信区域内即可，因此无线网络通信本质上允许通过软件简单地配置和重新配置机柜。无论其位置如何，设备仅需发送及接收信号，数据的验证和路由是通过输入/输出设备中的软件来实现的。
存在大量的无线技术和协议并可以使用，例如可以由于其设计的简便性而使用Wi-Fi通信协议。当然也可以根据所需要的性能而使用其他的协议和波长。
对用于通信的无线技术的使用要求较高的安全等级、不向外部发送干扰以及对于来自外部的干扰的强大的鲁棒性。
对具有约5GHz频率的无线通信协议Wifi 802.11a的使用，使得能够具有不重叠的24个信道，每个信道允许理论上54Mbit/s的流量。因此，24台主机可以在波导中进行数据交换而不受任何干扰。如果多个主机在同一信道上通信，则流量会被存在于所述信道上的主机数量瓜分。在标准类型的中等邮政飞机机架的情况下，最满的搁板支承9个LRU(线路可替换计算机)计算机。在最差的情况下，通过使用具有唯一波导的WiFi802.11a协议，唯一的通信信道允许每设备6Mbit/s的可用通带。
可以使用其他协议，例如UWB协议，以提高系统的性能。
本发明的互连系统能够便利在设备与输入/输出设备之间的通信，这是因为该通信是在波导3内部进行的，该波导能够使通信隔绝于外部干扰，同时避免该通信干扰其他外部设备。
在图3、图4和图5中描述了第一实现示例。
图3展示了配备有搁板101上的计算机型设备10的机柜1。根据该示例，如更具体地在图4中所展示的，垂直的波导3a，3b和3c将计算机彼此上下相连。
特别地根据图5，波导包括与设备10的后侧相对的开口5以便接纳设备的天线。
根据本发明的一个有利实施方式，其将中空的波导用作通风管道，开口5用作通风口以便将冷空气带给设备。
垂直条7和8使得能够通过电接触区域20和21而向计算机输送电力。这些导电元件与设备之间的连接例如是通过在条处的扁平接触件和在计算机后侧处的已知类型的活塞接触件来实现的，以便使得用于实现和组装结构的约束/公差最小化(不再需要对准)，因此使得能够去掉沉重且昂贵的机械元件。
例如，在机柜和计算机之间的电接触件可以例如是市售的Multi-Contact公司的薄片状的扁平接触件。
设备在机柜中的固定是通过未示出的传统手段来实现的。
金属材质的条7和8以及波导3a，3b和3c在本文中还是机柜的结构元件，该结构元件如图4所示通过被固定在供电条7，8上且搁板的侧边固定于其上的角铁102，借由以任何方式焊接或固定到波导上并用螺钉固定至搁板101后侧的固定爪103来支承搁板。
如上文所述，中空的波导3还被用作用于不同设备的通风管道。本文中水平的波导3d连接波导3a，3b，3c，并且包括送风入口V。
输入/输出设备例如是图4左上方的设备10a，其因此包括标记为104的电缆股。
在该示例中，设备的气流出口通向外部。
波导还可能被配置成用作对于与该波导相连的设备的工作电流返回元件。
在电子设备之间使用无线通信能够节省安装时间，同时由于不再存在大量的线缆和连接器，也能够显著地减少重量。波导具有布线的功能并能提供更好的防干扰性以及更强的模块性。
为了添加或从通信网络撤出计算机，除了机械固定和拆卸，唯一要做的是放置或取出波导的天线并将供电接触件贴到供电条上。
另外，由于机柜的波导中的信号仅极轻微地衰减，因此对于网络仅需很少的功率。
在一个替代实施方式中，本发明的用于电气设备的机柜是根据图6的机柜3，对于该机柜3，波导被并入支撑多排设备10的搁板40中。
该设计特别地能够实现紧凑的机柜并且优化设备10的通风。
机柜的搁板在设备下方、在机柜的总宽度上纵向地延伸。搁板被横向地分成能实现不同功能的若干区段，这些区段中的一个至少被用作波导。
根据图6至图8，实现了3个区段。中央区段4专用于冷空气的入口，无线通信以及电流返回。
围绕中央区段的区段41a，41b用于排出计算机的热空气并且为这些计算机供电。
管道4，41a，41b是电导体并且例如通过未示出的塑料杆或塑料薄片而相互绝缘。
其还可以覆盖有绝热和电绝缘材料的涂层，其包括计算机的连接区域处的开口。
根据图8，中央区段包括通向设备10下方的开口6以接纳天线11，如图7所示，以及开口61以使得冷却设备的空气通过，冷却设备在此情况下是从下方冷却的。
孔或开口6，61的尺寸小于电磁波的四分之一波长λ/4，因此电磁波不能通过这些开口。
对于2.4GHz的Wi-Fi，波长是12.5cm。孔的直径被选择为小于3cm以使得这些孔充当低通滤波器并且不允许波通过。
特别地根据图8，设备10被布置在座架106中，座架106包括开放的底部以使天线和空气在由波导4实现的中央区段处通过并且使得借助于布置在中央区段两侧的区段41a和41b上的电接触件20，21而将设备连接到电源。
根据图7，区段41a，41b在其内表面上设有设备的排气孔106，如图8所示，这些设备本身在上表面具有通风口105a，105b。
当然，形成搁板的矩形管区段是通过电绝缘的装置而组装到一起的，例如可以由不导电的复合材料制成的座架106。
回到图6，机柜的侧向端部包括连接导管107，108以用于通风，并且配备有用于在不同高度的搁板之间连接波导的装置。
例如每层具有输入/输出设备的优化机架结构可以通过减少在同一信道上通信的计算机的数量，来显著地增加单独的通带。对诸如UWB协议这样的其他协议的使用还可以增加用于整个系统的理论通带。
因此，本发明通过减少电连接点以及线缆的数量，为特别是在飞行器中的电气机柜或机架的实现提供了灵活性，这对于系统的可靠性及其重量而言是有利的。本发明还能够对航空电子设备的接口进行标准化和简化，这能够降低成本。
根据图9的本发明基于输入/输出设备22，其用于将例如计算机的多个设备聚集到一起的电气或电子机柜。
根据图10，输入/输出设备包括多个模拟输入/输出通道23a，23b以及由模数转换器25和数模转换器26构成的转换器单元，网络端口型的输入/输出通道23c以及光输入/输出通道23d。
模拟输入通道包括在模数转换器25上游的整形和/或保护级，而模拟输出通道包括在数模转换器26下游的功率级261。
转换单元连接到微型计算机型的计算单元27，其包括微处理器、大容量存储器装置、随机存取存储器(RAM)以及内部程序。
设备还包括连接到计算单元以及发送器/接收器模块24的数字网络链路协议管理单元27a。
输入/输出设备包括适于实现以数字形式的数据传输的软件，所述数据代表通过发送器/接收器模块而来自和去往网络上的计算机的输入/输出值。
该软件可以是能够进行被动发送的软件，其仅在机柜网络上发送具有输入号的输入数据并将输出数据分配给由计算机所确定的输出端，或者，该软件可以是能够发送专用于机柜的计算机的帧并且在接收到来自机柜计算机的标准化帧时重新登记输出数据的软件。
该软件特别包括通过发送器/接收器模块管理信息网络并且作为用于网络的路由器而工作的模块。
输入/输出设备还可以具有用于机柜的设备或计算机的数据服务器功能。其可以由在机柜内部的网络与飞行器的一个或多个网络之间的协议转换器构成。
机柜的互连系统可以包括限制在波导中的射频网络，该波导关联于机柜并且连接计算机及输入/输出设备的发送器/接收器模块。互连系统可以替选地包括光波导网络，其关联于机柜并且连接计算机及输入/输出设备的光模块。
图11和图12的示例是实现变型，其中在输入/输出设备222、222a或飞机机架转换器与计算机210之间的通信至少部分地是光通信。
在图11的示例中，输入/输出设备222包括端接于光发送器/接收器224的两个链路223a、223b，每个链路在本发明的机柜的层201、202上发送和接收光束。输入/输出设备在此情况下包括两个发送器/接收器225。
每个计算机210本身包括一对光发送器/接收器225a、225b，其确保机柜的每一层处的计算机之间的双向光链路230的连续性。
在图12的情况下，飞机/机架转换器的输入/输出设备通过直接输出端226来分配机柜的一个搁板203，以及通过经由双向光链路212连接到输入/输出设备的中继器211来分配两个搁板201，202。输入/输出设备在此情况下包括三个发送器/接收器226。
这样的系统使用通风管道3，3a，3b，3c来限制光信号。在此情况下，希望进行滤波以避免扰乱光发送器/接收器。
如在射频发送/接收版本中那样，计算机或设备210可以被标准化且被简单地整合在机柜中。
用于发送/接收的光束可以是可见光、红外线或紫外线。计算机的光发送/接收器就如同射频系统的天线，该天线经由其尺寸不允许环境电磁波通过的孔而插入通风管道3，3a，3b，3c中。
本发明不限于所展示的示例，例如可以在本发明的范围内将射频网络和光网络相组合。

Claims (15)

1.一种将多个计算机(10a，…,10f，210)聚集在一起的航空电子设备机柜，其中每个计算机配备有发送器/接收器模块，所述航空电子设备机柜包括：
在所述航空电子设备机柜输入端处的输入/输出设备，所述输入/输出设备包括：
-接收和发送来自和去往所述航空电子设备机柜外部的航空电子设备的信号的多个输入/输出通道(23a，23b，23c，23d)，
-所述信号的转换单元(25，26，28，29)，
-至少一个计算单元(27)，所述转换单元连接到所述输入/输出通道并且连接到所述计算单元，以便将接收的信号转换成目的地为所述多个计算机中的计算机的信息数据并且将来自所述计算机的信息数据转换成待发送的信号，
-数字网络链路协议管理单元(27a)，其连接到所述计算单元和朝向所述多个计算机中的每一个的至少一个发送器/接收器模块(24，224，226)，
-由所述计算单元执行的能够以数字形式转换和传输如下数据的软件，所述数据代表通过所述至少一个发送器/接收器模块(24，224，226)而来自和去往所述计算机(10a，…，10f)的输入/输出数据，和
-通过所述发送器/接收器模块(24，224，226)来管理计算机网络的模块；
支承所述多个计算机的多个搁板，其中，所述搁板由在所述多个计算机之间延伸的供电条支承，所述供电条被配置成通过与所述供电条上的接触区域的电接触来向所述多个计算机供电；和
波导，所述波导在所述输入/输出设备与所述多个计算机之间延伸，所述波导被配置成中继射频信号和光信号。
2.根据权利要求1所述的航空电子设备机柜，其中，所述发送器/接收器模块(24)是射频模块。
3.根据权利要求1所述的航空电子设备机柜，其中，所述发送器/接收器模块(224，226)是光模块。
4.根据权利要求3所述的航空电子设备机柜，其中，容置于所述航空电子设备机柜中的所述多个计算机中的每个计算机(210)包括确保所述多个计算机之间的光链接的一对发送器/接收器(225a，225b)。
5.根据权利要求4所述的航空电子设备机柜，还包括中继器(211)，所述中继器在所述多个搁板(201，202)中的搁板上将所述输入/输出设备连接到所述多个计算机(210)。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的航空电子设备机柜，其中，所述输入/输出设备包括多个发送器/接收器模块，每个发送器/接收器模块分布在所述航空电子设备机柜的不同的层。
7.根据权利要求1至5中的任一项所述的航空电子设备机柜，其中，所述输入/输出设备构成所述航空电子设备机柜内部的数字网络与飞行器的一个或多个数字网络之间的协议转换器。
8.根据权利要求1至5中的任一项所述的航空电子设备机柜，其中，所述输入/输出设备的输入/输出通道中的至少一些是模拟通道(23a，23b)，关联于所述模拟通道的转换单元是模数转换单元(25)和/或数模转换单元(26)。
9.根据权利要求1至5中的任一项所述的航空电子设备机柜，其中，所述输入/输出设备的输入/输出通道中的至少一些包括网络端口(23c)。
10.根据权利要求1至5中的任一项所述的航空电子设备机柜，其中，所述输入/输出设备的输入/输出通道中的至少一些包括光通道(23d)。
11.根据权利要求1至5中任一项所述的航空电子设备机柜，其中，所述波导包括中空的金属管道。
12.根据权利要求1至5中任一项所述的航空电子设备机柜，其中，所述波导包括所述航空电子设备机柜的结构元件。
13.根据权利要求1至5中任一项所述的航空电子设备机柜，其中，所述波导包括通风管道。
14.根据权利要求1至5中任一项所述的航空电子设备机柜，其中，所述波导包括多个孔。
15.根据权利要求1至5中任一项所述的航空电子设备机柜，其中，所述波导包括至少一个垂直波导和至少一个水平波导。
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