CN106570950A - 一种微型化多功能结构弹用测控仪器模块、外壳及黑匣子 - Google Patents

一种微型化多功能结构弹用测控仪器模块、外壳及黑匣子 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种微型化多功能结构弹用测控电路模块，包括采编存储组件和基于厚膜混合集成电路技术的64路时分复用模拟选择组件。本发明同时提供了一种用于承载上述测控电路的凹陷式弹载黑匣子，包括设有用于安装64路时分复用模拟选择组件和采编存储组件的2个凹槽的底壳以及底壳上方的盖板，所述底壳由从上至下相叠的蒙皮上面板、铝蜂窝夹芯层以及蒙皮下面板构成的三明治结构。本发明还提供了一种微型化多功能结构弹载黑匣子，包括由上述微型化多功能结构弹用测控仪器模块以及凹陷式弹载黑匣子外壳。本发明采用多功能结构技术突破了传统壳体与电缆的束缚，能够解决目前弹载黑匣子小型化、轻量化的迫切需求。

Description

一种微型化多功能结构弹用测控仪器模块、外壳及黑匣子
技术领域
本发明涉及一种微型化多功能结构弹用测控仪器模块、外壳及黑匣子，属于航天测控领域的存储测试仪器技术领域。
背景技术
测控系统是航天飞行器试验中不可或缺的一部分，其性能的优劣直接影响航天飞行器的研制进度及其性能的改进和提高。测控系统中的弹载黑匣子是飞行器在试验过程中获取试验数据的重要测试手段，有时甚至是唯一测试手段，在整个测试体系中占有重要的位置。它主要由采编仪器和存储仪器两个仪器构成，前者负责遥测信号的采集和数字化编码，后者负责数据的存储和读取。传统的弹载黑匣子采用机壳加电缆的连接方式将采编器和存储器构成一个系统。采编器和存储器中结构支撑的机械外壳、热控制的散热器以及相应的采集或记录电路模块用螺钉装配到一起，统一组装成具有规则几何外形的仪器，然后采编器和存储器之间的功率分配和信号传输通过连接器和成捆电缆实现。在工程应用中电缆和连接器都是由大体积包装组成，它们和黑匣子的外形箱体共同占有了飞行器宝贵的内腔尺寸，难以突破弹载黑匣子小型化和轻量化的要求。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种微型化多功能结构弹用测控仪器模块、外壳及黑匣子，采用多功能结构技术突破了传统壳体与电缆的束缚，能够解决目前弹载黑匣子小型化、轻量化的迫切需求。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种微型化多功能结构弹用测控电路模块，包括采编存储组件，还包括利用厚膜混合集成电路工艺微型化的64路时分复用模拟选择组件，所述64路时分复用模拟选择组件包括64路模拟信号输入线、多路选择开关和运放跟随器，所述64路模拟信号输入线通过并联的4片多路选择开关连接于运放跟随器的输入端，各多路选择开关分别对应16路模拟信号输入线；所述采编存储组件包括与并联的4个多路选择开关连接的FPGA逻辑控制中心以及用于供电的电源管理器，所述FPGA逻辑控制中心分别与FLASH存储器、程序存储器、模数转换器、LVDS发送器以及LVDS接收器连接，其中LVDS发送器与柔性电缆连接作为采编存储组件的输出端；所述64路时分复用模拟选择组件通过柔性电缆与采编存储组件连接，其中64路时分复用模拟选择组件的运放跟随器的输出端与采编存储组件的模数转换器连接，64路时分复用模拟选择组件的4片多路选择开关均与采编存储组件的FPGA逻辑控制中心连接；所述64路时分复用模拟选择组件和采编存储组件分别固化于柔性电路板上。
所述4片多路选择开关均采用ADG706裸芯片，所述运放跟随器采用OPA4340裸芯片。
所述FPGA逻辑控制中心采用XC3S200芯片。
所述程序存储器采用XCF02芯片。
本发明同时提供了一种用于承载所述测控电路的凹陷式弹载黑匣子外壳，包括用于安装64路时分复用模拟选择组件和采编存储组件的形状配套的凹槽的底壳以及底壳上方的盖板，所述底壳由从上至下相叠的蒙皮上面板、铝蜂窝夹芯层以及蒙皮下面板构成的三明治结构。
所述盖板通过螺钉及与其配套的螺钉套筒安装于底壳上。
所述蒙皮上面板和蒙皮上面板均采用碳纤维增强聚合物蒙皮，所述盖板采用碳纤维增强聚合物盖板。
本发明同时保护了一种微型化多功能结构弹载黑匣子，包括所述的微型化多功能结构弹用测控仪器模块以及所述的凹陷式弹载黑匣子外壳，所述微型化多功能结构弹用测控仪器的64路时分复用模拟选择组件的柔性电路板以及采编存储组件的柔性电路板通过绝缘软质粘结剂固定于凹槽底部。
本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：
(1)本发明的微型化多功能结构弹用测控电路模块中，64路时分复用模拟选择组件基于厚膜混合集成电路技术，它将构成功能电路的电阻、电容、运放芯片和多路模拟开关芯片等器件高密度地集成在一起，形成的多芯片组件在实现64路模拟信号时分选一的同时达到了功能模块微型化的目的，它与模数转换芯片共同完成采编仪器的具体电路形式，将复杂的信号采集、编码仪器简化为两个集成电路芯片的组合；
(2)本发明的微型化多功能结构弹用测控电路模块中，利用了一种基于LVDS总线回读数据的存储仪器，它主要中心逻辑控制芯片FPGA和大容量FLASH存储芯片构成。FPGA将采编仪器数字化的信号快速实时地存储在非易失FLASH存储介质上，然后利用其定义的差分接口通过LVDS总线缓冲器实现FLASH存储数据的读取与发送；
(3)本发明的用于承载测控电路的凹陷式弹载黑匣子是一种基于三明治模式的凹陷式多功能结构，用来取代采编仪器和存储仪器的外部支撑保护壳体。它采用碳纤维复合材料层合板作为支撑面板、厚而轻的铝蜂窝作为填充内芯，环氧树脂作为黏合剂，形成一定形状的碳纤维复合材料蜂窝夹层结构。分别将采编仪器和存储仪器的电路模块内嵌在蜂窝夹层面板中的2个凹陷内腔中，并通过柔性电缆将两者的电气接口相连，随后将碳纤维复合材料层合板制作的盖板通过螺钉固定在蜂窝夹层面板之上，能够形成一个完整的基于微型化多功能结构的微型化弹载黑匣子。
附图说明
图1是本发明的微型化多功能结构弹用测控电路模块结构原理示意图。
图2是本发明的微型化多功能结构弹用测控电路模块和凹陷式弹载黑匣子外壳的装配示意图。
图3是图2的AA向截面图。
图4是本发明实施例64路时分复用模拟选择组件的厚膜混合集成电路实现示意图。
图中：1-柔性连接器B、2-柔性连接器A、3-64路时分复用模拟选择组件、4-柔性电缆A、5-蒙皮上面板、6-盖板、7-64路时分复用模拟选择组件的柔性电路板、8-绝缘软质粘结剂、9-柔性电缆B、10-柔性连接器C、11-采编存储组件的柔性电路板、12采编存储组件、13-柔性连接器D、14-螺钉、15-螺钉套筒、16-柔性电缆C16、17-铝蜂窝夹芯层、18-蒙皮下面板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明提供了一种微型化多功能结构弹用测控电路模块，参照图1，包括采编存储组件，还包括利用厚膜混合集成电路工艺微型化的64路时分复用模拟选择组件，所述64路时分复用模拟选择组件包括64路模拟信号输入线、多路选择开关和运放跟随器，所述64路模拟信号输入线通过并联的4片多路选择开关连接于运放跟随器的输入端，各多路选择开关分别对应16路模拟信号输入线；所述采编存储组件包括与并联的4个多路选择开关连接的FPGA逻辑控制中心以及用于供电的电源管理器，所述FPGA逻辑控制中心分别与FLASH存储器、程序存储器、模数转换器、LVDS发送器以及LVDS接收器连接，其中LVDS发送器与柔性电缆连接作为采编存储组件的输出端；所述64路时分复用模拟选择组件通过柔性电缆与采编存储组件连接，其中64路时分复用模拟选择组件的运放跟随器的输出端与采编存储组件的模数转换器连接，64路时分复用模拟选择组件的4片多路选择开关均与采编存储组件的FPGA逻辑控制中心连接；所述64路时分复用模拟选择组件和采编存储组件分别固化于柔性电路板上。
所述4片多路选择开关均采用ADG706裸芯片，所述运放跟随器采用OPA4340裸芯片。
所述FPGA逻辑控制中心采用XC3S200芯片。
所述程序存储器采用XCF02芯片。
本发明的微型化多功能结构弹用测控电路模块由64路时分复用模拟选择组件和采编存储组件共同完成弹载黑匣子的电气功能。被采集的64路电气信号经柔性电缆接口进入一阶RC低通滤波信号处理后，汇集到4个多路选择器ADG706的输入端形成1路输出信号，随后经跟随器OPA4340输出。为了减少采编组件与存储组件的互连线，将AD转换器件集成到存储组件中。在存储组件中FPGA的通道选择控制之下，经AD转换后的数据存储在大容量非易失FLASH存储芯片中。在接收到LVDS接收器传送的有效指令后，FPGA从FLASH存储芯片中读取所存储的数据并经由LVDS发送器和柔性电缆传送出去，实现数据的读取功能。
为了实现上述电器功能的微型化，本发明同时提供了一种用于承载上述测控电路的凹陷式弹载黑匣子外壳，参照图2和图3，包括设有用于安装64路时分复用模拟选择组件3和采编存储组件12的2个凹槽的底壳以及底壳上方的盖板6，所述底壳由从上至下相叠的蒙皮上面板5、铝蜂窝夹芯层17以及蒙皮下面板18构成的三明治结构。
所述盖板通过螺钉14及与其配套的螺钉套筒15安装于底壳上。所述蒙皮上面板和蒙皮上面板均采用碳纤维增强聚合物蒙皮，所述盖板采用碳纤维增强聚合物盖板。
本发明同时提供了一种微型化多功能结构弹载黑匣子，包括所述微型化多功能结构弹用测控仪器模块以及权利要求5所述的凹陷式弹载黑匣子外壳，其中微型化多功能结构弹用测控仪器模块的64路时分复用模拟选择组件的柔性电路板7，以及采编存储组件的柔性电路板11，通过两个柔性电路板底部的绝缘软质粘结剂8固定于凹槽底部。
64路时分复用模拟选择组件的输入端采用柔性电缆A4，柔性电缆A4与64路时分复用模拟选择组件采用柔性连接器A2，64路时分复用模拟选择组件通过柔性电缆B9与采编存储组件连接，柔性电缆9与64路时分复用模拟选择组件之间通过柔性连接器B1连接，柔性电缆9与采编存储组件之间通过柔性连接器C10连接，采编存储组件的输出端采用柔性电缆C16，柔性电缆C16与采编存储组件之间通过柔性连接器D13连接。
铝蜂窝夹芯层17采用轻体高强度LF2Y型铝合金箔材料，本实施例采用以下尺寸：铝箔蜂窝格子边长设计为5mm，铝箔蜂壁厚度设计为0.05mm，高设计为20mm。多功能结构中高强度蒙皮上面板5、蒙皮下面板18采用东丽碳纤维T300J(拉伸强度210MPa，拉伸模量230GPa，密度1.78g/cm3)制作而成。具体工艺设计如下：首先，采用热熔法将HD03环氧树脂基体在热熔预浸机上对T300J铺层进行浸渍，制成片状的预浸料铺层，厚度0.125mm。然后将HD03/T300J预浸料裁剪成与蒙皮上面板5和蒙皮下面板18形状相符的模具所需尺寸,并采用非编织铺层按照0/90/90/0度的顺序铺层到模具中，获得总厚度0.5mm的预浸料。随后对铺层后的预浸料采用模压工艺进行固化成型，具体加温加压工艺设计如下：第一阶段从室温以1.5-2℃/min的升温率加热至90℃，保持恒温30分钟。通过该阶段的热平衡过程，降低了材料固化引起的温度梯度分布。第二阶段以同样的升温率加热至130℃，保持恒温30分钟。保温结束后施加10～20Mpa压力直至工艺结束。通过该阶段的加压，将层合板中处于一定粘度下的多余树脂压出，以保证复合材料达到一个合适的纤维体积分数。第三阶段以同样的升温率加热至180±5℃，保温时间150分钟。通过该阶段的加压，复合材料整体达到一个较高的固化水平。第四阶段冷却至室温脱模，蒙皮上面板5和蒙皮下面板18的制作工艺完成。进一步采用环氧树脂黏合剂将蒙皮上面板5、蒙皮下面板18和铝蜂窝夹芯层17胶接在一起，制得夹层整体结构。
参照图4，为64路时分复用模拟选择组件的厚膜混合集成电路实现版图，其中N1～N4是4个多路选择开关ADG706N5，N5是运放跟随器OPA4340，四周的长方形元件符号表示64路采集信号输入端AIN1～AIN64。该组件在厚膜混合集成制造工艺的约束下，采用低温共烧陶瓷技术将4个16路的裸芯片ADG706和厚膜烧制的电阻电容组装在一块高密度多层布线互连的LTCC基板上，工艺流程设计如下：光绘底片→制掩模版→生瓷带落片、预处理→打孔、通孔填充→网印导电带、干燥→叠片、层压、切片与共烧→通断测试→LTCC基板检验→网印、烧结电阻→网印、烧结玻璃釉→激光微调与检验→成膜检验与清洗→粘片及粘片检验→金丝键合及键合检验→衬底与金属外壳粘接→外引线键合及检验→中间测试及修片→平行缝焊。
其中生瓷材料采用DUPONT-951PT，填孔浆料采用DUPONT-6138和DUPONT-6141；导电浆料顶层采用金导体DUPONT-5742和DUPONT-6146PdAg，导电浆料内层采用DUPONT-6142D和DUPONT-6148D；上述材料均选用美国杜邦(DUPONT)公司生产。在工艺设计中选用H37MP导电环氧粘接剂作为元器件与成膜基片的粘接材料；选用Ablestik-5020环氧膜作为衬底与金属外壳底座粘接材料；选用含金量为99.99％的Φ25μm金丝作为键合引线，可以实现最大0.65A的设计电流值。
本发明提供的一种微型化多功能结构弹用测控仪器模块、外壳及黑匣子，采用多功能结构技术突破了传统壳体与电缆的束缚，能够解决目前弹载黑匣子小型化、轻量化的迫切需求。

Claims (8)

1.一种微型化多功能结构弹用测控仪器模块，包括采编存储组件，其特征在于：还包括利用厚膜混合集成电路工艺微型化的64路时分复用模拟选择组件，所述64路时分复用模拟选择组件包括64路模拟信号输入线、多路选择开关和运放跟随器，所述64路模拟信号输入线通过并联的4片多路选择开关连接于运放跟随器的输入端，各多路选择开关分别对应16路模拟信号输入线；所述采编存储组件包括与并联的4个多路选择开关连接的FPGA逻辑控制中心以及用于供电的电源管理器，所述FPGA逻辑控制中心分别与FLASH存储器、程序存储器、模数转换器、LVDS发送器以及LVDS接收器连接，其中LVDS发送器与柔性电缆连接作为采编存储组件的输出端；所述64路时分复用模拟选择组件通过柔性电缆与采编存储组件连接，其中64路时分复用模拟选择组件的运放跟随器的输出端与采编存储组件的模数转换器连接，64路时分复用模拟选择组件的4片多路选择开关均与采编存储组件的FPGA逻辑控制中心连接；所述64路时分复用模拟选择组件和采编存储组件分别固化于柔性电路板上。
2.根据权利要求1所述的微型化多功能结构弹用测控仪器模块，其特征在于：所述4片多路选择开关均采用ADG706裸芯片，所述运放跟随器采用OPA4340裸芯片。
3.根据权利要求1所述的微型化多功能结构弹用测控电路，其特征在于：所述FPGA逻辑控制中心采用XC3S200芯片。
4.根据权利要求1所述的微型化多功能结构弹用测控仪器模块，其特征在于：所述程序存储器采用XCF02芯片。
5.一种用于承载权利要求1所述测控电路的凹陷式弹载黑匣子外壳，其特征在于：包括用于安装64路时分复用模拟选择组件和采编存储组件的形状配套的凹槽的底壳以及底壳上方的盖板，所述底壳由从上至下相叠的蒙皮上面板、铝蜂窝夹芯层以及蒙皮下面板构成的三明治结构。
6.根据权利要求5所述的凹陷式弹载黑匣子外壳，其特征在于：所述盖板通过螺钉及与其配套的螺钉套筒安装于底壳上。
7.根据权利要求5所述的凹陷式弹载黑匣子外壳，其特征在于：所述蒙皮上面板和蒙皮上面板均采用碳纤维增强聚合物蒙皮，所述盖板采用碳纤维增强聚合物盖板。
8.一种微型化多功能结构弹载黑匣子，其特征在于：包括权利要求1所述的微型化多功能结构弹用测控仪器模块以及权利要求5所述的凹陷式弹载黑匣子外壳，所述微型化多功能结构弹用测控仪器的64路时分复用模拟选择组件的柔性电路板以及采编存储组件的柔性电路板通过绝缘软质粘结剂固定于凹槽底部。
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