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锻炼腹肌:浅谈嵌入式工控机箱结构设计

IPC(Industry Personal Computer)简称工控机,或者硬盘录像机,DVR(digital video recording)。工控电脑是在恶劣的环境下使用,对产品的易维护性、散热、防尘、产品周期、甚至尺寸方面都有着严格的要求。因此在设计和选择工控机平台的时候,考虑的更多的是机构的设计,然后才是对性能等的考虑。

 

工控机在很多情况下使用是应用于某个系统之中,因此常常被放置在某个设备之中或上架。因此对尺寸有较严格的要求。根据用户的使用情况,分为上架式和壁挂式两种设计。

上架式:

高度:一般分1U(44MM*430MM*XX),2U(88*430*XX),3U,4U(178MM*430MM * XX),5U,6U,7U,8U等,一个1U的高度是44MM,其他高度依次类推。如图下所示:

4U工控机

长度:国际标准的长度有两种450MM与505MM,根据客户的具体要求还可以扩分其他长度,比如:480MM,500MM,520MM,530MM,600MM等;其中450MM~~520MM的尺寸机箱占市场需求的90%以上;加长型机箱的作用主要是有以下3个:一个是安装双CPU至强12” * 13”的主板,必须要 520MM的长度才能安装这样的大板;另外一个是安装工业CPU长卡或者是300MM长的视频卡等需要足够的扩展空间;最后一个是散热空间的考虑,由于有些监控用户需要安装多路视频卡与多个硬盘,比如64路,128路等,10个硬盘就需要很好的散热效果。

一般来说,在1U或2U的机构设计上面。由于机箱体积有限,但CPU的功耗日益加大(最新的P4CPU功耗已超过100W),因此内部散热风流设计变成了厂商面临的最大问题。而机构散热设计的功力在很大程度上反映了一个厂商的技术实力。

对于1U工控机,多用于对体积要求较高的电信领域,大多配合上架使用,工控机厂商通过PICMG1.0架构的CPU卡的体积优势,配合1U高度的蝶型底板,可支持最高2个PCI全长卡。从而满足某些要在1U机箱中集成某些特殊规格卡的用户需求。

对于4U,7U的机构设计,由于机箱的体积变大,在狭小机箱中面临散热因素已不是主要考虑因素。因此如何合理的利用机箱空间在有限的空间内提供更多的驱动器托架、如何提供多个扩展卡槽位、如何支持双CPU卡、如何抗振动、如何易于维护等因素变成机构设计的主要考虑因素

壁挂式:

此外,由于某些设备制造商需要把控制中心(IPC)放置在其设备之中。因此对工控机的体积有较为严格的要求。传统的上架式19英寸机箱体积基本很难满足要求,因此针对此种客户需求,推出了壁挂式的机箱。例如研华的IPC-6606/6608壁挂机箱系列。这类机箱由于体积小,并且应用环境在某设备内部,因此设计理念也重在散热和扩展性能上。下图是IPC-6806应用在某测试平台的机柜内部状态。

这次我们简单讨论了工控机的尺寸上面的设计 ,工控机根据应用需求整体上可以分为两大类上架式工控机和壁挂式工控机,后面我们将会从机构设计的散热、抗振、防尘、易于维护、防EMC等角度慢慢来和大家一起探讨工控机的独特特性。

壁挂式机箱

工控机箱内部结构

硬盘架,光驱架:硬盘架一般分两种,一种是分拆式,一种是压卡式。品质优异的机箱一般都带金属弹簧防震功能;安装硬盘数量一般从4—15个;

底板:底板的规格有多种;主要以主板的规格来划分。普通的主板一般都可以安装;其中520MM以下长度的机箱是安装不了12”*13”的双至强大板的主板的,必须要520MM长度的机箱才能安装。

压卡条:主要起固定作用。有安防监控的安装视频长卡,或者是工业CPU长卡时,必须要固定长卡,一面使用过程中出现晃动,不牢固等现象。

后槽的扩展:有7槽或14槽两种;14槽的背板主要的用途是安装多路视频卡,比如有些大型的监控系统,则要64路,或者128路时,必须要换成14槽的背板;

工控机箱的导热:散热结构的合理性是关系到计算机能否稳定工作的重要因素。目前最有效的机箱散热解决方案是利用互动散热通道结构散热:外部低温空气由机箱前部120mm高速滚珠风扇和机箱两侧散热孔吸入进入机箱,经过硬盘架、南北桥芯片、各种板卡、北桥芯片,最后到达CPU附近,在经过CPU散热器后,热空气一部分从机箱后部的两个80mm高速滚珠排气风扇抽出机箱,另外一部分通过电源风扇排出机箱。机箱风扇采用滚珠风扇,其优点是风量大、转速高、发热少、寿命长、噪音低,避免了过大的噪音,真正实现了“绿色”散热。

工控机箱的抗震:工控机箱在工作的时候,由于机箱内部的光驱、硬盘、机箱里的多个风扇在高速运转的时候都会产生震动,而震动很容易导致光盘读错和硬盘磁道损坏以至丢失数据,所以机箱的抗震性也是我们机箱关键的一个结构设计方案。因为考虑到机箱的抗腐蚀、导电、导热等的内部要求,我们的机箱减震系统全部采用金属材料制成,这比起用橡胶材料做减震不光能达到上述要求,还能起到抗老化,耐热等作用。我们这套减震系统的解决方案得到了国内外客户的好评。工控机箱内部结构

工控机箱的电磁屏蔽:我们的主机在工作的时候,主板、CPU、内存和各种板卡都会产生大量的电磁辐射,如果不加以防范也会对人体造成一定伤害。这个时候机箱就成为了屏蔽电磁辐射,保护我们健康的一道重要防线。屏蔽良好的机箱还可以有效地阻隔外部辐射干扰,保证计算机内部配件不受外部辐射影响。 工控机箱为了增加散热效果,机箱上必要的部分都会开孔,包括箱体侧板孔、抽气扇进风孔和排气扇排风孔等等,所以孔的形状必须符合能阻挡辐射的技术要求。机箱上的开孔要尽量小,而且要尽量采用阻隔辐射能力较强的圆孔。其次,要注意各种指示灯和开关接线的电磁屏蔽。比较长的连接线需要设计成绞线,线两端的裸露的焊接金属部分必需用胶套包裹,这样也避免了机箱内用电线路产生的电磁辐射。

 

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