CN116702513A - 一种抗高过载的微型存储模块设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于超高速模型发射、侵彻等高过载领域,公开了一种抗高过载的微型存储模块设计方法。本发明的抗高过载的微型存储模块设计方法包括存储需求分析;应用环境分析;功能逻辑设计;抗过载结构设计;模块测试。本发明的抗高过载的微型存储模块设计方法设计的微型存储模块具有独特的存储逻辑,能够实现低功耗存储;还具有独特的结构设计和加工工艺,能够微型化,并应用于有限的弹载空间。本发明的抗高过载的微型存储模块设计方法适用于在气炮、火炮、电磁炮等封闭发射条件下设计微型存储模块,获得的微型存储模块具有抗高过载、低功耗、模块化、微型化的特点,能够确保获取可靠的直接参数测量数据,具有良好的通用性和经济性。

Description

一种抗高过载的微型存储模块设计方法
技术领域
本发明属于超高速模型发射、侵彻等高过载领域,具体涉及一种抗高过载的微型存储模块设计方法。
背景技术
发射带有测量功能的电气装置的炮弹或者模型,可以实现对弹道参数、飞行环境参数、炮弹运动或者模型运动等的实时测量,相较于光学非接触测量方法,直接测量参数的可信度高,对物理现象的描述和认识更加贴近飞行弹道的真实情况,而且能够实现全过程的持续测量,突破光学非接触测量设备位置固定、视场范围有限的局限。但是,对于具有复杂环境的高速发射环境和回收环境,数据遥测实时发送受到芯片特性、码率、多径干扰等因素,可能产生断帧或者误码现象。因此,能够抗高过载的、可靠的微型存储模块成为高采样率、高过载需求下的理想选择。
在许多高过载发射场合,受到发射设备发射能力的限制以及模型内置测量系统的空间限制,存储模块的选型、电路工艺、抗过载结构设计具有严苛的要求,同时,还要合理规划测量数据存储逻辑,降低能量消耗。
当前,基于炮弹或者模型参数测量的抗过载需求,亟需发展一种适用于有限空间的抗高过载的微型存储模块设计方法,用于获取发射炮弹或者模型以及其它极端冲击过载场合的直接参数测量数据。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种抗高过载的微型存储模块设计方法。
本发明的抗高过载的微型存储模块设计方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:存储需求分析;
存储需求分析根据测试数据采集量、数据采集时长,并结合工作过程预估存储裕量,确定存储需求,设定存储模块的最低存储容量;
根据炮弹或者模型的外形尺寸和内置测试系统空间需求,结合炮弹或者模型的结构,以及发射-飞行-回收过程的质心稳定要求和目标位置生存能力,配置内置测试系统的存储模块尺寸,确定存储模块的安装位置以及对存储模块进行二次封装所需的空间尺寸;
S2:应用环境分析;
对炮弹或者模型的应用环境进行分析,明晰存储模块在数据存储过程中的环境变化情况,确定存储模块的抗过载、防热及相关设计需求,具体内容如下:
对炮弹或者模型的发射加载情况进行仿真,对存储模块的加载受力面过载情况进行分析,确认存储模块的受力位置以及结构设计要求;
对炮弹或者模型的发射-飞行-回收过程中,由于气动加热、摩擦生热引起的炮弹或者模型热累积及局部温度变化过程进行分析,确定存储模块的隔热设计要求;
S3:功能逻辑设计;
根据S2的应用环境分析结果确定存储模块的类型,首先确定存储模块的存储容量、外形结构,其次对系统供电和通信逻辑、数据存取模式以及存储模块与外围测试系统进行匹配分析,完成功能逻辑设计;
S4:抗过载结构设计;
存储模块的抗过载结构设计指从封装结构和工艺设计角度,实现存储模块的抗冲击过载性能;具体内容如下:
结构上,将存储模块的存储芯片和电路板进行独立分区,避免因电路板受力变形或者电路板的模块力学影响导致芯片损伤;根据存储模块的受力位置,将存储模块的存储芯片和电路板的平面均平行于受力方向并固定在封装结构中;
工作上,设置存储模块的存储容量分配逻辑,实现对触发点前后数据采集,完整采集全部试验数据;
工艺上,对存储模块进行二次封装,在封装结构内灌注软材料,软材料与模型外壳、外灌封材料、封装结构、二次封装灌封材料共同组成能量吸收系统,避免高冲击过载损伤电路板;
在存储模块的芯片贴片过程中,注意利用环氧树脂作为芯片屏蔽保护涂层,再将芯片紧密贴合在相应位置,确定引脚长度,引脚长度大于电路板与芯片相对运动拉扯所需的长度,有利于防止电路板与芯片相对运动拉扯引脚;供电及信号线缆采用弯曲结构,降低冲击瞬间的线缆拉力;灌封材料包括环氧树脂和聚氨酯,对灌封材料进行固化,完成二次封装;可以提前根据灌封材料特性开展固化工艺试验,确定二次封装的工艺方案和固化效果,进一步提升存储模块的抗过载性能和存储可靠性;
S5:模块测试;
在灌封前、灌封后,对包括存储模块在内的组合体进行测试,开展模拟存储测试,确认存储模块参数,配合外围测试系统检验存储模块的工作逻辑,监测功耗情况,最后确认存储模块设计方案。
进一步地,所述的系统供电和通信逻辑如下:
主控芯片分别与供电模块、数据采集模块、存储模块、遥测发射模块进行线缆连接,通过线缆传输控制信号和数据信号,供电模块为主控芯片、数据采集模块、存储模块和遥测发射模块供电,数据采集模块通过传感器提供触发信号,开始数据采集。
进一步地,所述的二次封装的工艺流程包括顺序进行的电路、芯片和器件选型、检测,器件贴片预处理,绝缘位置环氧涂覆处理,涂层检测,贴片,功能检测,系统搭载功能测试,存储试验和工作能耗测定,二次封装灌封和产品测试应用。
本发明的抗高过载的微型存储模块设计方法设计的微型存储模块具有独特的存储逻辑,能够实现低功耗存储;还具有独特的结构设计和加工工艺,能够微型化,并应用于有限的弹载空间。
本发明的抗高过载的微型存储模块设计方法适用于在气炮、火炮、电磁炮等封闭发射条件下设计微型存储模块,获得的微型存储模块具有抗高过载、低功耗、模块化、微型化的特点,能够确保获取可靠的直接参数测量数据。
本发明的抗高过载的微型存储模块设计方法还能够拓展应用于其它加速度范围为1000g~50000g的高冲击过载场合,降低了微型存储模块设计成本,具有良好的通用性和经济性。
附图说明
图1为本发明的抗高过载的微型存储模块设计方法流程图;
图2为本发明的抗高过载的微型存储模块设计方法获得的微型存储模块的工作逻辑框图;
图3为本发明的抗高过载的微型存储模块设计方法获得的微型存储模块的制造工艺流程图;
图4为实施例1的锥柱裙模型弹道靶回收试验加速度直接测量结果;
图5为实施例2的钝头体模型弹道靶回收试验加速度直接测量结果;
图6为实施例3的空气炮遥测模型试验加速度直接测量结果。
具体实施方式
为使本发明所述设计方法和优点更加清楚,下面将本发明的抗高过载的微型存储模块设计方法进行全面阐述,对不同的应用需求场景的设计方案进行分类说明,并结合实施例,对实施例中的技术方案和实施结果进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1:
本实施例的应用场景为二级轻气炮发射环境,以2km/s速度发射具备气动参数测量功能和数据存储能力的锥柱裙模型,锥柱裙模型的发射加速时长约60ms,飞行时长约110ms。锥柱裙模型的内置测量系统可以实现2通道壁面气压测量、1通道壁面温度测量、1通道加速度测量,自锥柱裙模型进入封闭发射环境内,试验准备时长为4小时~5小时,要求存储模块具备低功耗工作能力。如图1所示,本实施例的抗高过载的微型存储模块设计方法,包括以下步骤:
S1:存储需求分析;
锥柱裙模型工作过程为超高速环境下进行4通道20KHz/16bit采样测量,此外,考虑发射速度控制精度问题,存储时长定为500ms,经计算,采集数据量约为80KB。锥柱裙模型的内部可用于电子器件安装的空间有限,选用体积较小的存储芯片,此外,考虑多通道测量应用需求场合的通用性,存储容量尽量充裕;
S2:应用环境分析;
锥柱裙模型的力学加载方向为模型轴向。因为,锥柱裙模型的发射过程时间短,发射热累积造成的温升不足以达到模型整体升温超过电子器件温度耐受能力(60℃),锥柱裙模型的合金外壳散热快,且采用相变材料吸收热量以及配合气流进行散热,发射全程对锥柱裙模型的内部热环境影响不大,能够满足电子器件的生存需求;
S3:功能逻辑设计;
选用串行FRAM非易失性铁电存储器进行数据存储。铁电存储器的存储芯片存储时长可达500ms,外形尺寸为5.3mm×5.3mm,存储容量为4MB,能够充分满足目标测量工作过程的存储记录要求,还具备充分的存储裕量,且工作电流10mA,电压2V~3.6V,满足低功耗的需求;
S4:抗过载结构设计;
结构上,将存储模块的存储芯片和电路板的平面均平行于锥柱裙模型轴向。存储模块的存储芯片和电路板进行独立分区,避免因电路板受力变形或者电路板的模块力学影响导致芯片损伤;
工作上,为保证试验发射准备的4小时过后,内置测试系统能够正常工作,需要设计模型的数据存储逻辑来保证在非试验阶段密闭环境中的低功耗待机。按照图2所示的存储模块的工作逻辑设置存储模块与其余的测试和信号相关模块的通信逻辑。具体而言,主控芯片分别与供电模块、数据采集模块、存储模块、遥测发射模块进行线缆连接,通过线缆传输控制信号和数据信号,供电模块为主控芯片、数据采集模块、存储模块和遥测发射模块供电,数据采集模块利用2000g加速度开关作为传感器,通过加速度触发信号,实现对触发点前后数据有效采集,保证试验数据的完整性;
工艺上,设计制备完成后,按照图3所示的工艺流程进行存储模块的二次封装,并配合全测试系统进行了功能测试,确认存储容量。具体而言,工艺流程包括顺序进行的电路、芯片和器件选型、检测,器件贴片预处理,绝缘位置环氧涂覆处理,涂层检测,贴片,功能检测,系统搭载功能测试,存储试验和工作能耗测定,二次封装灌封和产品测试应用;
在存储模块的芯片贴片过程中,注意利用环氧树脂作为芯片屏蔽保护涂层,再将芯片紧密贴合在响应位置,确定引脚长度,使得引脚长度有利于防止电路板与芯片相对运动拉扯引脚;供电及信号线缆采用弯曲结构,降低冲击瞬间的线缆拉力;灌封材料包括环氧树脂和聚氨酯,根据灌封材料特性开展固化工艺试验,确定二次封装的工艺方案和固化效果,进一步提升存储模块的抗过载性能和存储可靠性;
S5:模块测试;
锥柱裙模型成功应用于二级轻气炮发射环境,获得了如图4所示的过载为30000g以上的加速度直接测量值,回收到了存储模块内的直接测量数据。本实施例证明,在本发明的抗高过载的微型存储模块设计方法指导下设计的微型存储模块能够满足预期功能要求。
实施例2:
将实施例1的存储模块移植到钝头体模型,进行弹道靶回收试验,获得了如图5所示的钝头体模型弹道靶回收试验加速度直接测量结果。
实施例3:
将实施例1的存储模块移植到空气炮,进行空气炮遥测模型试验,获得了如图6所示的空气炮遥测模型试验加速度直接测量结果。
实施例2和实施例3验证了本发明的抗高过载的微型存储模块设计方法具有通用性。

Claims (3)

1.一种抗高过载的微型存储模块设计方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:存储需求分析;
存储需求分析根据测试数据采集量、数据采集时长,并结合工作过程预估存储裕量,确定存储需求,设定存储模块的最低存储容量;
根据炮弹或者模型的外形尺寸和内置测试系统空间需求,结合炮弹或者模型的结构,以及发射-飞行-回收过程的质心稳定要求和目标位置生存能力,配置内置测试系统的存储模块尺寸,确定存储模块的安装位置以及对存储模块进行二次封装所需的空间尺寸;
S2:应用环境分析;
对炮弹或者模型的应用环境进行分析,明晰存储模块在数据存储过程中的环境变化情况,确定存储模块的抗过载、防热及相关设计需求,具体内容如下:
对炮弹或者模型的发射加载情况进行仿真,对存储模块的加载受力面过载情况进行分析,确认存储模块的受力位置以及结构设计要求;
对炮弹或者模型的发射-飞行-回收过程中,由于气动加热、摩擦生热引起的炮弹或者模型热累积及局部温度变化过程进行分析,确定存储模块的隔热设计要求;
S3:功能逻辑设计;
根据S2的应用环境分析结果确定存储模块的类型,首先确定存储模块的存储容量、外形结构,其次对系统供电和通信逻辑、数据存取模式以及存储模块与外围测试系统进行匹配分析,完成功能逻辑设计;
S4:抗过载结构设计;
存储模块的抗过载结构设计指从封装结构和工艺设计角度,实现存储模块的抗冲击过载性能;具体内容如下:
结构上,将存储模块的存储芯片和电路板进行独立分区,避免因电路板受力变形或者电路板的模块力学影响导致芯片损伤;根据存储模块的受力位置,将存储模块的存储芯片和电路板的平面均平行于受力方向并固定在封装结构中;
工作上,设置存储模块的存储容量分配逻辑,实现对触发点前后数据采集,完整采集全部试验数据;
工艺上,对存储模块进行二次封装,在封装结构内灌注软材料,软材料与模型外壳、外灌封材料、封装结构、二次封装灌封材料共同组成能量吸收系统,避免高冲击过载损伤电路板;
在存储模块的芯片贴片过程中,注意利用环氧树脂作为芯片屏蔽保护涂层,再将芯片紧密贴合在相应位置,确定引脚长度,引脚长度大于电路板与芯片相对运动拉扯所需的长度;供电及信号线缆采用弯曲结构,降低冲击瞬间的线缆拉力;灌封材料包括环氧树脂和聚氨酯,对灌封材料进行固化,完成二次封装;
S5:模块测试;
在灌封前、灌封后,对包括存储模块在内的组合体进行测试,开展模拟存储测试,确认存储模块参数,配合外围测试系统检验存储模块的工作逻辑,监测功耗情况,最后确认存储模块设计方案。
2.根据权利要求1所述的抗高过载的微型存储模块设计方法,其特征在于,所述的系统供电和通信逻辑如下:
主控芯片分别与供电模块、数据采集模块、存储模块、遥测发射模块进行线缆连接,通过线缆传输控制信号和数据信号,供电模块为主控芯片、数据采集模块、存储模块和遥测发射模块供电,数据采集模块通过传感器提供触发信号,开始数据采集。
3.根据权利要求1所述的抗高过载的微型存储模块设计方法,其特征在于,所述的二次封装的工艺流程包括顺序进行的电路、芯片和器件选型、检测,器件贴片预处理,绝缘位置环氧涂覆处理,涂层检测,贴片,功能检测,系统搭载功能测试,存储试验和工作能耗测定,二次封装灌封和产品测试应用。
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