CN109902355B - 在mcu机箱中布局载荷数据处理单元的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在MCU机箱中布局载荷数据处理单元的方法，在传统方法上增加了信号交联关系合理判断、PCB预布局、整机热仿真分析、二次电源降额估计、整机重量仿真分析、整机强度仿真分析环节，并进行1～2次迭代更改循环。用该方法设计出的载荷数据处理单元功能划分清晰、信号传输简捷，并具有较好的热平衡效果，同时满足重量最轻和强度可控的要求。

Description

在MCU机箱中布局载荷数据处理单元的方法

技术领域

本发明属于载荷数据处理领域，涉及载荷数据处理单元的总体架构设计方法，特别涉及大功耗环境下的载荷数据处理单元整机散热设计技术和重量控制技术。

背景技术

综合任务管理系统是车载电子领域、机载电子领域、舰载电子领域和星载电子等领域中一项重要的数据处理系统，载荷数据处理单元是综合任务管理系统的重要组成单元之一，完成有效载荷测控、数据采集、数据处理、数据管理、数据存储、数据传输、数据编码、数据加载、数据在线检索、数据毁钥等功能，支持光纤、高速串行差分、以太网等载荷应用数据接口。为了实现载荷数据处理单元的功能，一般将其划分为多个功能子模块，如：主处理模块(MCM)、视频处理模块(VPM)、FC接口控制模块(FIC)、数据存储模块(DSM)、电源模块(PSM)、信号接口模块(SIM)等，各功能子模块完成各自独立的功能，并以信号交互方式共同完成载荷数据处理单元的所有功能。

随着机械电子信息技术的快速发展，各种设备单元的机箱设计已不再是基本的机械固定安装、支撑组合、外观设计的简单模式，而是在满足设备功能、性能和环境适应性为前提下追求设备的标准化、通用化、系列化，以提高设备的质量、降低研发成本并减少设备的市场投放周期，于是遵循ARINC600规范的MCU(Modular Concept Unit)机箱成为各种电子设备的首选，MCU机箱采用国际单位制，以宽度区分可分为12档，最小的为25.4mm(1MCU)，最大的为388.4mm(12MCU)，用ARINC600型矩形连接器可安装600根接插件，并可安装同轴、光纤、电源和识别导销等接插件，并采用自然散热方式。

因此，遵循ARINC600规范的MCU机箱也成为目前载荷数据处理单元设计的热门方案，那么如何设计一款此类型的载荷数据处理单元？传统的实现方法包括以下步骤：

第一步：根据需求进行功能子模块划分；

第二步：确定各功能子模块在MCU机箱中的布局位置；

第三步：确定各功能子模块的信号交联关系；

第四步：确定各功能子模块的PCB板框尺寸；

第五步：根据硬件原理设计在各功能子模块PCB板框中完成各功能子模块的PCB详细设计，并对MCU机箱结构进行详细设计；

第六步：将生产并调试完成的功能子模块在MCU机箱中进行整机集成测试。

传统的设计方法虽然能够完成载荷数据处理单元的设计，但设计出的最终产品却可能存在一定风险，且这些风险有时恰恰是致命的，主要表现在以下三个方面：

1)信号质量不好：可能会因各功能子模块信号交联关系不恰当，导致信号质量不可控的风险；

2)功耗超标或散热困难：可能会出现局部热集中导致产品工作异常的风险；

3)重量超标：可能会出现因散热需要增加翅片或导热材料，从而大幅增重，导致不满足重量预期的风险。

发明内容

针对采用传统设计方法设计出的载荷数据处理单元存在的风险，本发明的目的是提出了一种新的在MCU机箱中布局载荷数据处理单元的方法，采用此方法设计出的载荷数据处理单元一定是一个风险可控的合格产品。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种在MCU机箱中布局载荷数据处理单元的方法，包含以下步骤：

步骤一：根据需求对载荷数据处理单元进行功能子模块的划分；

步骤二：设计各功能子模块在MCU机箱中的布局位置；

步骤三：设计各功能子模块的信号交联关系，若交联关系不合理，则重做步骤一，否则进行步骤四；

步骤四：设计各功能子模块的PCB板框尺寸，并在PCB板框上使用仿真器件进行仿真布局，布局完成后放入仿真的MCU机箱中；

步骤五：对MCU机箱进行热分析，若热分析不通过，则先返回步骤四，若热分析还不通过则返回步骤一；若热分析通过，则进行步骤六；

步骤六：对各功能子模块进行二次电源降额分析，若二次电源降额分析不通过，则重做步骤四，否则进行步骤七；

步骤七：对MCU整机进行重量及强度分析，若重量及强度分析不通过，则返回做步骤四，若重量及强度分析还不通过则返回步骤一；若重量及强度分析通过，则进行步骤八；

步骤八：根据硬件原理设计在各功能子模块的PCB板框中完成各功能子模块的PCB详细设计，对MCU机箱结构进行详细设计；

步骤九：将生产并调试完成的功能子模块在MCU机箱中进行整机集成测试。

本发明的有益效果在于：

1)采用本发明提出的产品实现方法能够设计出无风险的电子产品，特别适用于采用MCU机箱模式的自然散热产品的设计；

2)本发明设计的载荷数据处理单元功能划分清晰、散热效果满意、整机重量最轻、原理设计简单，能够满足各电子领域对综合任务管理系统的应用需求。

附图说明

图1为本发明中载荷数据处理单元实现方法流程图。

图2为本发明中载荷数据处理单元接口示意图。

图3为本发明中各功能子模块在MCU机箱中的相对布局位置示意图。

图4为本发明中各功能子模块间的信号交联关系。

图5为本发明中各功能子模块的PCB板框的预布局图。

图6为本发明中MCU整机热分析仿真图。

图7为本发明中MCU整机重量控制示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

参见图1所示，本发明所示的一种在MCU机箱中布局载荷数据处理单元的方法，包含以下步骤

步骤一：根据需求对载荷数据处理单元进行功能子模块的划分。

如图2所示，载荷数据处理单元接收以FC总线传输的视频、照片和侦查数据，对其进行编码压缩处理，处理后的数据部分存储在大容量存储介质中，部分传送给其它设备，根据此功能需求将载荷数据处理单元划分为6个功能子模块，分别为：

i.主处理模块(MCM)

MCM在载荷数据处理单元中起中央处理功能，对其它功能模块进行协调控制，接收其它功能模块处理后的数据并进行组侦、存储和发送，负责同其它设备进行通讯，接收控制信息和发送状态信息，能够对存储介质中的数据进行检索、查找和提取，能够对载荷数据处理单元的运行状态进行跟踪检测，并对异常情况进行处理纠正。

ii.视频处理模块(VPM)

VPM在载荷数据处理单元中主要对输入的视频进行转换以及压缩处理，可同时压缩可见光视频、红外视频、数码照片和雷达图像等，且压缩比可根据带宽进行设置，主要功能如下：

√2路XGA分辨率为1024×768的差分RGB视频的压缩、传输；

√4路多种分辨率的ARINC818格式视频的压缩，传输；

√通过PCIe总线端口与MCM交换数据；

√通过PCIe总线端口及IO信号口向MCM上报BIT信号。

iii.FC接口控制模块(FIC)

FIC在载荷数据处理单元中受MCM控制，负责接收FC-AE总线上的数据，并将处理后的数据通过FC-AE总线发送出去。

iv.数据存储模块(DSM)

DSM为载荷数据处理单元提供大容量存储介质，用于存储压缩处理后的数据；也可事先存储用于加载的数据，并加载到其它设备中。

v.电源模块(PSM)

PSM为载荷数据处理单元中的所有功能模块提供功率源。

vi.信号接口模块(SIM)

SIM用于载荷数据处理单元中各功能模块的信号互联，也用于载荷数据处理单元对外的信号连接。

步骤二：设计各功能子模块在MCU机箱中的布局位置。

如图3所示，根据功能子模块划分和MCU机箱的特点，各功能子模块在MCU机箱中的相对布局位置有两种可行的选择：

i.如图3(a)所示，DSM位于MCU机箱的中间，PSM位于DSM的一侧，VPM+MCM+FIC位于DSM的另一侧，MCM和FIC以子卡的形式挂接在VPM上。

ii.如图3(b)所示，DSM位于3MCU机箱的中间，PSM+MCM位于DSM的一侧，VPM+FIC位于DSM的另一侧，FIC以子卡的形式挂接在VPM上。

步骤三：设计各功能子模块的信号交联关系，若交联关系不合理，则重做步骤一，否则进行步骤四。

根据各功能子模块在MCU机箱中的相对位置，可以确定载荷数据处理单元中各功能子模块的信号交联关系。

i.按图3(a)确定的功能子模块的相对位置，图4(a)为其信号交联关系。

ii.按图3(b)确定的功能子模块的相对位置，图4(b)为其信号交联关系。

可以看出，图4(b)所示的信号交联关系较图4(a)所示的信号交联关系好，图4(a)板间交联复杂，功能划分模糊，MCM和VPM有160根信号交联，VPM需辅助MCM完成部分功能；图4(b)板间交联简单，功能划分清晰，MCM和VPM只有21根信号交联，各自功能独立。所以，载荷数据处理单元最终采用图3(b)和图4(b)的模式进行设计。

步骤四：设计各功能子模块的PCB板框尺寸，并在PCB板框上使用仿真器件进行仿真布局，布局完成后放入仿真的MCU机箱中。

在PCB板框中对MCM、VPM、FIC、PSM、DSM进行器件预布局，包含各主要器件功耗的预布局图见图5所示。

步骤五：对MCU机箱进行热分析，若热分析不通过，则先返回步骤四，若热分析还不通过则返回步骤一；若热分析通过，则进行步骤六。

当MCU机箱设计完成且各功能子模块PCB预布局完成后，便可进行MCU整机热分析，如图6所示。可以看出VPM上最高温度出现在LTM4620器件，约有104.7℃，两片K7器件结温分别为103.9℃和104.3℃，均在器件最高允许的结温范围内；MCM上最高温出现在Z7器件，约有102.2℃，LTM4644器件结温为102.8℃，LTM4646器件结温为100.8℃，均在器件最高允许的结温范围内。

步骤六：对各功能子模块进行二次电源降额分析，若二次电源降额分析不通过，则重做步骤四，否则进行步骤七。

当环境温度升高后，DC-DC电源芯片的输出电流能力一般会出现降额，也就是说其带负载能力将下降，这时就要看各负载电流需求是否在电源芯片的带载能力之内，以VPM上的LTM4620器件为例，5V输入1.0V输出，1.0V负载所需的电流大小为15.28A，而LTM4620常温额定输出电流能力为26A，104.7℃时的输出电流能力降为16A左右，但仍然满足1.0V的带载需求。

步骤七：对MCU整机进行重量及强度分析，若重量及强度分析不通过，则返回做步骤四，若重量及强度分析还不通过则返回步骤一；若重量及强度分析通过，则进行步骤八。

MCU机箱采用自然散热方式，各模块中发热量大的器件一般通过机箱侧壁散热，为了提高散热效果，一般采用在侧壁上设计散热翅片以扩大散热面积，翅片越密越深，散热效果越好，但整机重量也会随之增大；因电子产品一般有重量要求，特别是机载和星载产品，故为了使MCU整机重量控制在允许的范围内，如图7所示，一般会考虑减少结构件或镂空结构件，但这样整机强度也会随之变弱。故为了最终使得MCU整机在热特性、重量、强度上均满足要求，需对MCU整机进行重量和强度分析，以寻求一种完美的平衡方案。

步骤八：根据硬件原理设计在各功能子模块的PCB板框中完成各功能子模块的PCB详细设计，对MCU机箱结构进行详细设计。

前述步骤完成，表示MCU整机设计的准备环节已经完成，接下来便是根据前述评估结果对MCU整机进行详细设计，包括各功能子模块PCB的详细设计以及MCU机箱结构件的详细设计。

步骤九：将生产并调试完成的功能子模块在MCU机箱中进行整机集成测试。

步骤九的整机集成测试是对前述设计合理性的验证，因前述MCU整机设计的过程考虑了各种潜在的风险，故实际整机集成的成功率一般接近100％。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种在MCU机箱中布局载荷数据处理单元的方法，包含以下步骤：

步骤一：根据需求对载荷数据处理单元进行功能子模块的划分；

步骤二：设计各功能子模块在MCU机箱中的布局位置；

步骤三：设计各功能子模块的信号交联关系，若交联关系不合理，则重做步骤一，否则进行步骤四；

步骤四：设计各功能子模块的PCB板框尺寸，并在PCB板框上使用仿真器件进行仿真布局，布局完成后放入仿真的MCU机箱中；

步骤五：对MCU机箱进行热分析，若热分析不通过，则先返回步骤四，若热分析还不通过则返回步骤一；若热分析通过，则进行步骤六；

步骤六：对各功能子模块进行二次电源降额分析，若二次电源降额分析不通过，则重做步骤四，否则进行步骤七；

步骤七：对MCU整机进行重量及强度分析，若重量及强度分析不通过，则返回做步骤四，若重量及强度分析还不通过则返回步骤一；若重量及强度分析通过，则进行步骤八；

步骤八：根据硬件原理设计在各功能子模块的PCB板框中完成各功能子模块的PCB详细设计，对MCU机箱结构进行详细设计；

步骤九：将生产并调试完成的功能子模块在MCU机箱中进行整机集成测试。

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