特种计算机加固技术.doc

精品文档特种计算机加固技术浅析1概述为适应某种恶劣环境，在设计、制造计算机时对影响机器性能的各种因素，诸如系统结构、电气特性、机械结构等所采取的相应技术措施称为计算机加固技术。经加固处理后的特种计算机称加固计算机。它是随着计算机在军事领域的应用而产生和发展起来的。在复杂的环境中，未经加固的普通商用计算机难以正常稳定工作，直接影响和制约信息系统的作战效能，成为信息化系统的“软肋”。因此，如何对计算机进行加固，提高系统的稳定性和安全性显得至关重要。这里的复杂环境一般指计算机作业或存储设备所处的非常规环境，主要包括以下几方面： 1)气候环境：风、雨雪、冰、霜、雾、高温、潮湿、低温、沙尘、高气压、低气压、 盐雾、烟尘等有害因素； 2)机械物理环境：冲击、振动、跌落、摇摆、应力和噪声等有害因素； 3)电磁环境：电磁场强度、电磁脉冲密度、雷电冲击强度、静电火花等因素； 4)生物环境：霉菌、昆虫等有害因素； 5)空间环境：电磁场、辐射、单粒子等因素； 6)特种环境：核爆炸引起的核电磁脉冲、核辐射等因素。这里使用安全是指它工作时，必须保证其内部的机密信息不向外泄露造成泄密，由此可见，加固计算机的“加固”两字的确切含义是抗恶劣环境和防信息泄露。 加固计算机主要军用领域有：地面固定、车载、舰载、机载、弹载、星载及野外作业系统，战略和战术武器系统，以及军事通信、指挥和控制系统等。2.特种计算机主要加固技术设计与制造一台性能良好、功能优越、可靠性高、性价比适当的加固计算机是相当复杂的，它需要考虑很多问题，利用许多设计技术和知识，进行综合优化，才能达到预期的目的。这里涉及到这些技术：可靠性技术、热设计技术、抗振动与冲击设计技术、三防技术、电磁兼容技术等。2.1加固计算机的可靠性技术可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。实现加固计算机可靠性的技术途径很多，大致可分为以下两类。1)提高计算机元器件本身的靠性：关键是设计、工艺和制造过程的控制。半导体器件，特别是各类大规模集成电路、超大规模集成电路本身的加固水平，决定了加固计算机及的加固水平，这些元器件的可靠性在极大程度上决定了整机的可靠性。元器件的降额使用是提高其可靠性的重要方法，即降低元器件的负荷来提高可靠性。此外，可靠性筛选能改善元器件的失效率，最大限度的淘汰元器件的早期失效，保证产品的可靠性。所谓筛选就是对电子元器件施加一种应力或多种应力的试验，暴露元器件的固有缺陷而不破坏元器件的完整性。2)采用可靠元器件构成可靠系统的技术：主要包括冗余技术；可维修性技术；可靠性实验技术等。冗余技术是采用备份的手段，对故障进行防护的一种技术。可维修性的含义是可维修系统在规定条件下和规定时间内的修复能力。可靠性预计是一个预测过程，根据所用元器件失效数据资料，来预测部件、分系统、系统或设备可能达到的可靠度。设备的可靠性指标不同于设备的电气性能指标，它有时间性、综合性和统计性等特点，它不能像电气性能指标那样直接用仪器仪表测量，一般是通过现场可靠性试验和室内的模拟可靠性试验两种途径获得。2.2加固计算机的结构与工艺2.2.1热设计加固计算机热设计的目的是保证从热源至最终散热器有一条低热阻的热流通路，使各类功耗元器件的温度低于允许的最高温度，达到整机可靠性要求。一般来说，整机内部的温度不应该超过5080。著名的10法则这样说：当环境温度降低10时，可靠性可增加一倍以上。散热方式主要包括风冷（自然对流和强迫通风，利用导热核辐射）、液冷、半导体制冷、热管技术、静电换热和蒸发冷却等。采用哪种散热方法应根据散发的热量、工作环境、零件对温度的灵敏度、计算机系统的可靠性要求以及尺寸、轻重、功率等条件来选择。(详细散热技术参考内网邮箱发的散热技术一文)2.2.2抗冲击与抗振动设计技术加固计算机工作环境条件恶劣，其机械环境条件包括振动、冲击、摇摆和颠振等，其中危害最大的就是振动。实践经验证明，振动损坏率比冲击损坏率大4倍。能经受50g70g冲击的元器件，在持续振动环境中，最大也能承受2g3g的振动。对电子设备进行刚性设计或附加隔振缓冲器来进行保护是有效的技术措施。缓冲减振器是常用的措施，其关键部件是阻尼元件。阻尼元件主要有以上几种：1)弹性阻尼器：一般用橡胶制品及金属制品，如弹簧减震器。2)空气阻尼器：利用空气出入缝隙的粘滞力工作。3)油阻尼器：利用液体摩擦工作。4)固体摩擦阻尼器：利用固体本身内摩擦或固体之间摩擦获得阻尼，典型而常用的 有橡皮金属减震器。在设计机箱及零部件时,尽量选用高阻尼结构材料,如铝、铝镁合金。而钢或铜的阻尼比小于铝，在有条件的情况下不应作为首选材料。除了合理选用缓冲减振器外，还要采取一系列缓冲减振结构设计技术。1)隔离技术：在振源和被隔离物之间装入隔离介质。2)去耦技术去耦就是消除多自由度系统各振型的相关耦,减少系统中谐振系统的数量,从而减少共振峰数量并抑制共振峰值。去除耦合的方法有：减小高度、在机箱顶部增加固定点、将右下角的锁紧螺母置于右上角、使固定点的中心与组合刚度中心以及机箱重心大致重合。在机箱内进行布局设计时,电路板的法线应是机箱刚度较高的方向,即机箱与电路板的主振方向不重合,减小施加给电路板的振动激励。另外,垂直于电路板的方向应是振动激励最小的方向。对机箱结构采用等刚度设计,并将各组件均匀布置,这样将具有集中参数的组件转换为分布参数,使机箱内局部谐振的次数减少,避免了局部谐振的相互耦合。对变压器等组装型器件,用环氧树脂或硅橡胶进行灌封处理,使其内部的各个集中惯量成为分布式惯量,消除了内部的振动耦合,大大提高了器件的抗振能力。3)去谐技术去谐就是避免系统内部的局部共振现象。对箱体而言,去谐设计应使箱体与电路板的固有频率相差很大。从理论上来说,两者的固有频率比值大于2时,相互的共振响应就较小（称倍频法则）,若固有频率重合或接近时,将出现共振现象。在工程设计,由于空间、重量的限制,将箱体、电路板的固有频率设计为12以上有很多约束条件。例如,为了保证箱体在振动、冲击下的动强度,要求机箱具备较好的刚性,同时要求尺寸小,重量轻,按f=1/ (2)公式可知其固有频率应高于普通电子设备,一般应在60Hz以上。若机箱固有频率高于120Hz,则要求电路板固有频率高于240Hz,将给电路板的结构设计带来困难。所以,机箱的固有频率应设计在60Hz100Hz范围内。机箱在安装架上的紧固方式及位置对机箱固有频率影响很大,要重点考虑。在机箱内安装电路板的部位,局部加强刚度,均匀布置电路板的安装点,这样可以提高电路板的固有频率,达到去谐的目的。4)刚性化技术结构刚性化的方法很多，如通过板金冲压肋、槽，减小印制板面积，把所有装配件有机的组成一个完整的受力整体。2.2.3加固计算机的三防技术由于潮热、盐雾、霉菌三种环境因素对电子产品有较大的影响，习惯上把这三项防护技术称为三防技术。主要的三防措施有：1)机箱密闭工艺机箱外壳通常采用铸铝合金、不锈钢外壳以及其他金属材料制成。为了密封可靠，还可以在接缝处附以密封剂，这对防止潮起等的侵入十分有效。为了进一步防止机箱密封不足，在密封机箱内还放置吸潮剂，如变色硅胶和吸湿板等。2)采用三防涂料加固计算机选用的三防涂料主要要求是：良好的三防性能；对所覆盖的金属无腐蚀作用；良好的绝缘性能和电气性能；环境适应性强；工艺性好。根据上述要求大多选用聚丁二烯环氧甲基丙烯聚酯、沉浸型快干溶剂漆或聚氨基甲酸酯绝缘漆等作为涂料。DTB-823电接触保护剂具有上述优良性能。为了提高防护效果，大多采用真空金字喷涂或刷涂，一般要有两层或三层，以避免涂层有针孔。它主要用于分立元器件印制板、整机接插件、底板等。3)灌封处理加固计算机中的变压器，延迟线等要进行密封灌封处理。灌封材料多为胺类和酸酐类固化剂的环氧树脂或室温固化的硅橡胶、有机硅凝胶、泡沫硅橡胶等。4)整机外壳静电喷涂处理有一些加固计算机的外壳采用了静电喷涂塑料的工艺，用以代替油漆涂覆。静电喷涂塑料粉主要是氯化聚醚、三氯氟乙烯、环氧、尼龙等。2.2.4电磁兼容技术计算机设备本身产生的干扰频谱很宽，从10KHz至200KHz（随着微电子技术的发展，干扰频率上限还会增高），因此，它对广播、移动通信、军用通信、电视等领域的通信和接收质量将产生很大影响。在电磁兼容性的设计过程中，有三种主要的电磁干扰抑制方法，即屏蔽、接地和滤波。1)屏蔽技术屏蔽有两个目的：一是限制内部辐射的电磁能越出某一区域；二是防止外来的电磁辐射进入某一区域。屏蔽的作用是通过一个将上述区域封闭起来的壳体实现的。缝隙处理目前加固计算机机壳以铝结构和铝合金结构居多,主要是因为铝板和铝合金板导电性好且不易变形,铣切加工精度高,易于解决电磁兼容设计中的缝隙问题。理论和实验研究表明：透过孔缝的电磁泄露使屏蔽效能减小最为严重，实际上是它们起着决定性作用。为了减小孔缝的电磁泄露，增加屏蔽效能，加固计算机在进行结构设计时，一方面广泛采用折弯、焊接工艺，尽最大可能减小接缝的数目，另一方面，通过采用折边工艺（增加接触面的刚性,防止因翘曲而使缝隙加大）加装导电衬垫（提高结合面接触质量,减小连接电阻）、增加缝隙深度（增加吸收损耗）来提高缝隙的屏蔽效能。例如簧片，主要用于两平面之间，以加强两个平面之间的接触连续性。各类孔洞处理光驱软驱插入孔及指示灯挂插孔的处理：屏蔽机箱可设计一个可转动的门来屏蔽插入孔和观察孔，当门打开时，可插入、取出光盘及软盘，门关上时，插入孔和观察孔就被屏蔽了。门上开一小窗，可随时观察指示灯，窗上装有导电玻璃，使它们构成一个完整的电连续体。通风散热孔的处理：在兼顾机箱通风散热的情况下，计算机采用安装风压损失较小的波导板方法来处理通风散热孔的问题。根据RE102极限的要求，设计的波导板截止频率为10GHz,屏蔽效能达70dB。电源线、信号线安装孔洞处理：电源线及信号线用圆形电连接器引出，圆形电连接器具有拆装方便、连接可靠、抗振动冲击能力强的特点。圆形电连接器有卡口式、螺纹式两种,螺纹式连接电磁兼容性较好，因此选择螺纹式圆形电连接器。将电源线、信号线外部缠以电缆屏蔽层，屏蔽层用连接器护套压接，连接器座与机箱接缝处加装导电橡胶，这样，电缆屏蔽层、连接器外壳和机箱就构成了一个完整的屏蔽体，有效地防止了EMI耦合到导线上或通过安装孔进入机箱内部。 2)滤波技术军用工程装备中的计算机需要电源供电，根据具体使用条件的不同，有的由电源提供220V、50Hz交流电，有的供给直流电压。不论是交流电源还是直流电压都会产生比较严重的传导EMI，影响设备的功能和性能。这些电源线的EMI信号来自很多方面，例如空间电磁场在电源线上的感应信号、多个电子设备共用一个电源时造成的共电源耦合、电机启动或感性负载电路产生瞬态过程等。GJB151A规定了电源线传导干扰的电平极限值，计算机若不采取滤波措施，很难达到该标准的要求。电源滤波器是一种低通抑制干扰滤波器，可用于毫无衰减地把直流或50Hz、400Hz等低频电源功率输送到设备上，同时又能使高频干扰信号大大衰减，以保护设备免受损坏，还能抑制设备本身产生的传导干扰，防止进入电源而危害其他设备。电源滤波器作为一种抑制干扰滤波器，与普通滤波器相比具有下列特点：电源系统的阻抗值与干扰源的阻抗值变化范围较大，很难得到一个可供设计用的 恒定值。因此，电源滤波器并非在阻抗匹配的状态下工作。EMI频谱很宽，从低频到超高频都存在EMI能量。滤波器元件在这个频率范围内高 频特性显得十分复杂，难以用元件的等效集中参数表示滤波器的高频特性。电源滤波器在阻带范围内应具有足够高的衰减量，把传导干扰电平降低到规定范 围内。电源滤波器对传输的电源工作电流的损耗应降低到最低程度。3)接地技术接地就是在两点之间简历导电的通路，把系统中的电气或电子元件互相连接起来，或把他们同时与某个称作“地”的参考点连接起来。一个接地系统的接地效果，取决于系统中两点之间可能存在的电位差及通过该系统的电流大小。一个好的“地”，其地位应该是：与线路中任何功能部分的电位比较，都可以忽略不计。三种接地方式是浮地、单点接地和多点接地。浮地的目的是将电路或设备与公共地或可能引起环流的公共导线在电气上隔离开来。单点接地是指在一个线路中，只有一个物理点被定义为接地参考点，其他各个需要接地的点都直接接到这一点上。多点接地是指某一个系统中，各个点都直接接到距它最近的接地平面上，以使接地的引线长度为最短。由于多点接地系统中存在着各种地线回路，它们对于设备内较低的频率会产生不良影响。如果出现，可以采用混合接地的概念，即将那些只需要高频接地的点，利用旁路电容和接地平面连接起来。接地线长度必须小于0.25，但小到多少为佳，还要看通过该接地线的电流大小，以及允许在每一接地线上产生多大的电压降。如果一个电路对该电压降很敏感，则接地线长度不应该大于0.05或更小。如果电路只是一般的敏感，则接地线可以长到0.15。3加固计算机的分类加固计算机一般可分为3类。1)防信息泄露型或称T型（TempestComputer），是具有一定的防止信息泄露能力 的计算机。如浪潮、电子33所、北京安方等的低泄漏安全保密计算机产品。2)军用规范性或称M型（Mil