加固型嵌入式系统设计new

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1、YourPartnerforEmbeddedIndustryControl坚固耐用嵌入式系统的设计与构建国内外许多公司都声称他们的嵌入式系统是“耐用的”、“坚硬的”、“牢固可靠的”，一个系统设计者是如何知道这些产品在各种极端的工业环境、甚至军事应用条件下是否能够正常工作，并长久的使用？系统设计者在设计或选择一款耐用可靠产品的时候又应该关注什么，使用什么样的标准？本文的目的就是回答这些问题，并且提供了系统设计者在设计的过程中应当考虑到的各种因素，这些因素决定了单元电路或者完整系统在长期处于恶劣的环境中（诸如冲击、震动、温

2、度、湿度以及其他一些环境因素等），是否还能够长久持续的稳定工作。从设备的应用领域来看，应用于军事或工业控制的系统价格之所以昂贵，是因为要求系统在恶劣的战场或工业条件下仍然必须具备稳定操作装备的能力。通常，军事规格要求其设备运行的环境温度为–55°C~+85°C，比较极端湿度条件，能够经历极端的振动和冲击；工业设备也需要运行在–40°C~+85°C，并对湿度、振动与冲击有较高的要求。以下从系统的散热、机械结构、抗振动和冲击等方面，说明构建坚固耐用的嵌入式系统需要注意的问题。系统散热嵌入式系统的热量主要由电路板上大功率器件

3、产生，因此，如果能选择低功耗的器件，通过合理的设计，构建出低功耗的系统，则可以从根本上解决系统的散热问题，但当由于种种原因，无法构建较低功耗的系统时，如何有效进行系统散热，则是我们这里需要讨论的问题。解决板级散热问题，或称为热管理技术，目前典型的解决方案有：添加散热器、散热垫、散热焊盘、完整地层和电源层，以及将大功率器件靠近电路板边缘或散热通道，以达到优化热传导的目的。在过去几年里，热管理技术得到了明显的改善：从直插元件到表面贴装技术（SMT），再到全铝散热板、铜层、和先进热分流技术的引入，对系统散热具有良好的作用。P

4、CB的热特性与设计和装配相关，图一为一个典型PCB的热量分布。图一一个典型PCB的热量分布1——www.emfuture.com——YourPartnerforEmbeddedIndustryControl在任何PCB上，一个元件的位置决定了其散热特性，显然，大功率器件应当尽可能的贴近散热片或散热出口。通常，元器件下面的金属通孔提供了一个直接的热传导路径，可将热量传导到PCB内层，有利于散热，因此，对于大功率器件，应当在元器件下面放置较多的通孔，PCB内部完整铜层是散热的良好通路之一。铜、铝散热片或金属外壳对PCB散热

5、非常有利，大功率的器件通常都需要使用散热片，并可通过金属导管把热量传导到金属外壳，这样，整个机壳都可以为系统散热。图二为带金属外壳的系统的热量分布。图二带金属外壳的系统的热量分布一个“坚固的”嵌入式系统通常是不能使用风扇散热的，高速旋转的风扇极易因为吸附灰尘和自身寿命等原因出现故障，从而引起系统的散热出现问题，因此可以认为，“无风扇”是嵌入式系统被允许使用在比较严苛环境的一个基本要求。机械因素保证电路板卡处于剧烈震动和冲击的环境中，还能够保持性能的完整（也即它还是那样的强固，一致的机械特性和电器特性），是系统设计者在设

6、计的早期阶段必须考虑到的问题。同时，更为严格的PCB设计规则，（如亚纳秒级的时间裕量、微型过孔、微间距的BGA器件封装等），使得为实现坚固耐用电路板变得越来越重要，越来越困难，越来越富有挑战性。当PCB受力发生弯曲时，IC之间的电气连接就可能出现故障，当然，通过在PCB内部填充完整的电源层或地层，不但有利于系统散热，同时可以增强PCB的刚性，同时，PCB板厚的选择也至关重要，通常，面积越大的PCB，需要更大的板厚以增加机械强度。虽然一个坚固的外壳或外框会增加系统额外的重量和成本，但显然能够大大提高系统的机械强度。合理的

7、安装方式也非常有利于提高PCB的强度，因此，连接器及安装孔位置等的选择，对系统机械强度的提高也是至关重要的。图三为一个安装良好且机械强度较高的系统。2——www.emfuture.com——YourPartnerforEmbeddedIndustryControl图三一个安装良好且机械强度较高的系统系统结构分析和设计最重要的功能之一是避免机箱和板卡部件之间的谐振耦合。当两个固定在一起的物体的自然频率相近的时候就会发生共振耦合，这对系统会产生非常不利的影响，特别是对于移动的系统，如车载设备等。为了避免共振耦合，需要使用一

8、些比较专业的技术手段（如三维CAD模型等），通过改变各个部件的结构和强度、甚至材料等，从而改变相关部件的固有频率。对于需要使用在严苛应用场合的嵌入式系统，确保其坚固耐用是一个严峻的考验，除了需要大量的前期分析，还需一种调查研究的态度：设想各种可能使系统失效的情况，然后实施纠正措施确保它们不会发生；这个产品已经进行了冷启动、热启动、