陈远益 曹耀辉 刘 欢

（长沙超创电子科技有限公司，湖南 长沙410221）

1 概述

随着科技的发展，人们对电子设备的可靠性、抗恶劣环境的能力提出了更高的要求。由于我国幅员辽阔、地形和地理条件极其复杂，电子设备对温度、湿度、振动、冲击、盐雾、灰尘、霉菌、电磁兼容性等环境适应性方面有较高的要求。

本文所设计的全景智能相机（以下简称相机）是长沙超创电子科技有限公司与某军工厂合作的项目，该相机应用于车辆、船舶等各类需要消除视觉死角的平台，通过圆柱形视场，实现对平台周边360°范围内的警戒（对人、车等目标自动识别、位置信息获取、威胁等级排序）等功能，并能与其他观瞄设备进行联动，完成记录存储。其工作指标如下：

1.1 工作温度：-40℃～+55℃；

1.2 振动要求：在X、Y、Z 三个方向上进行，每个方向上以每分钟1 倍频程的速度进行10 次扫描循环。若有危险点，则在这个频率进行2 小时抗振试验，试验参数是：

1.2.1 频率：5～16Hz，位移：1mm，加速度：- m/s2；

1.2.2 频率：16～60 Hz，位移：——mm，加速度：10m/s2。

1.3 冲击要求：在正交轴上进行，每轴两个方向上各进行3 次试验，试验参数为：

试验波形：后峰锯齿波；峰值加速度：40 g；持续时间: 11 ms。

1.4 防水要求：IP65；

1.5 其他要求：满足湿热、霉菌、盐雾、砂尘、电磁兼容性要求。

2 相机的结构设计

2.1 外形设计及布局

根据环境条件和使用要求，相机需要安装在车辆、船舶等的外部，为了防止潮气、雨水、灰尘对元器件的侵蚀，避免电磁干扰等的环境影响，又要承受一定的振动和冲击，因此相机必须做成足够强度的密封结构。

相机采用模块化设计，模块划分时考虑了模块的独立功能和预防级间耦合，同时也考虑了单元模块的密封、散热、屏蔽、抗振设计，在设计中贯彻标准化、通用化、系列化，提高单元模块的抗恶劣环境能力。另外相机采用低重心原则、质量中心和几何中心一致的原则、刚性好和差的模块或器件分布应按从外到内的原则。

相机主要由上壳体、镜头组件、核心图像处理板组件、下壳体组件等组成，其外形尺寸为φ280mm×118mm（不含连接器）。镜头组件包括底板、模组安装座、隔板（6 个）、镜头（6 个）、接口板（6 个）、核心板（6 个）等；核心处理板组件包括核心图像处理板、处理板盖板、电源等；下壳体组件包括下壳体、滤波器屏蔽盖板、滤波器、连接器、K9 光学玻璃（6 块）、橡胶垫圈（12 个）、玻璃压板（6 块）等。其中模组安装座采用整体式加工，模组部分（包括接口板、核心板、镜头等）沿圆周均匀布置（共6 个），与水平面成30°。

图1 相机结构示意图

2.2 抗恶劣环境设计

抗恶劣环境设计主要内容包括仿霉菌、防盐雾、防潮湿、防砂尘设计等。

根据抗恶劣环境设计要求，相机上下壳体采用防锈铝材料（5A06）制成。13 块印制电路板上的焊点、元器件等对潮热和霉菌敏感的组件、零件的暴露表面均涂覆三防漆，上下壳体整体做导电氧化后，在外表面喷涂军绿色油漆。

为了防止雨水及沙尘，上壳体与下壳体之间加装导电密封条，光学玻璃与结构件之间增加密封垫圈，缝隙填充GD414 硅橡胶，外部连接器在加装密封橡胶垫之后与下壳体固定，选用的连接器的防水等级为IP68。

为了防止相机内部受温度变化影响而出现潮湿现象，根据内部空间大小放置适量的干燥剂。

2.3 热设计

相机总的功耗为80W，热稳态下散热表面的热流密度的计算为

式中，A 为相机散热总面积，单位cm2，A=7389cm2。相机稳态下的热流密度计算如下：

相机的最高环境温度为55℃，考虑到其内部模块、器件的耐高温性能（不超过95℃～125℃），当发热表面温升为40℃或更高时，如果热流密度小于0.04W/cm2（根据经验），则一般可以通过自然对流的方式冷却，不必使用风扇。0.01W/cm2＜0.04W/cm2，设备在空气自然对流情况下，通过自然散热完全可以满足散热要求。

为了降低印制电路板上元器件到机壳之间的热阻，在元器件、芯片与结构件之间增加导热垫。在满足功能的前提下，印制电路板上的高功耗芯片尽量靠近壳体，热量大的模块、器件分布于上部，热量少和热敏元件置于下部，以便热量尽快导出。

最后采用Icepak 进行热仿真分析，分析结果显示，在最恶劣环境下（55℃）、一个标准大气压下设备通过自然对流及辐射散热满足各芯片结温要求，能正常工作。

2.4 抗振动冲击设计

由于在户外环境，相机可能受到各种形式的机械力、车载的振动冲击等的影响，这就要求设备有足够的强度和抗振动、冲击的能力。设计时在满足重量要求的前提下，我们采用将上下外壳四周适当增加厚度（最小壁厚为5mm），并采用M5 的螺钉进行固定；内部采用M3 的螺钉将印制电路板安装在结构件上，并对螺钉涂螺纹紧固胶，印制电路板上的所有连接器进行打胶固定（GD414）；另外核心图像处理板模块上的硬盘进行了加固处理（采用2 个M2.5 的螺钉进行固定）；通过这些处理方式来增加印制电路板、结构外壳的抗冲击和振动的能力。

2.5 电磁兼容设计

通过对相机的电磁分析及其外部电磁环境分析，该相机的对外发射频率主要包括24MHz 、30MHz、130MHz、400MHz 及其多次谐波。外部设备对相机的敏感部件产生的电磁干扰，主要是通过辐射、传导等方式进行的。

2.5.1 电磁干扰滤波器

滤波是抑制传导干扰最直接有效的方法。同时，由于良好的滤波能够很好的抑制干扰源的泄漏，因此对辐射干扰的抑制也会起到非常好的效果。相机电源干扰滤波器紧靠电源入口，并予以屏蔽，屏蔽体（采用铝合金材料）与机壳接触，这样可以抑制外界电子设备和相机之间的传导干扰。

相机电源布置在滤波器附近，可以减少电磁干扰，电源线采用多股绞线。电源干扰滤波器的输出线尽量远离输入线缆，绝对禁止输入输出线缆交叉，与机壳接地电阻不得大于2mΩ。

电源干扰滤波器选用电源开关制成一体的滤波器。另外，电源部分与镜头组件部分也采用铝合金底板进行屏蔽，分成上下2 个腔体，同时电源与核心图像处理板之间也采用铝合金板隔开，以减少相机内部的电磁干扰。

2.5.2 接地

接地属于电路设计领域，对产品电磁兼容性具有重要意义。可以说，合理的接地是最经济有效的电磁兼容设计技术。

相机的电源地与机壳地相隔离，系统基准地与大地相连，外壳直接接大地，一方面防止电磁干扰，另一方面防止静电现象积累。

由于系统工作频率在10MHz 以上，地线阻抗变得很大，此时需要降低地线阻抗，应就近采用多点接地。印制电路板采用“完全接地”，把电路板上没被占用的所有面积都作为接地线，使器件更好地就近接地，这样可以有效降低寄生电感。同时，大面积的地线能有力减少噪声辐射。

2.5.3 外界的电磁屏蔽

屏蔽能有效的抑制辐射干扰，使用时应注意，屏蔽措施需要与接地一起使用才能发挥更有效的作用。

相机整体为铝合金机壳，在有缝隙的地方利用电磁屏蔽材料对外界干扰进行电磁屏蔽。

在上下壳体之间使用导电密封条（具有屏蔽功能）。安装时导电密封条需预压紧，以保证在振动冲击中仍形成电磁屏蔽。螺钉的开孔处涂上密封胶，通过以上的措施可以减少外界电磁屏蔽干扰。

2.5.4 接缝设计

2.5.4.1 根据公司多年的设计经验，上下壳体之间的安装螺钉应满足：螺钉间距＜λ/4（λ 表示波长，跟频率相关）；当螺钉间距＞λ/4 时，缝隙将会成为一个辐射器。

相机的频率主要包括24MHz 、30MHz、130MHz、400MHz 及其多次谐波，通过计算λ/4≥137.5mm，相机的螺钉间距设计值为135mm，满足要求。

2.5.4.2 导电密封条的选用综合考虑了屏蔽、三防和可维性。

在缝隙内填入导电密封条，因有气密、水密要求，采用复合型衬垫（水密、气密衬垫在外，导电衬垫在内）。

3 试验结果

相机的初样加工完成并组装之后，我们进行了一系列的试验，试验的结果如表1 所示，试验结果满足技术协议要求，并通过了相关的技术鉴定。

表1 相机试验结果

4 结论

这台密封相机，如果实施批量生产时应采用压铸模机壳，并按要求进行减重，通过对全景智能相机的抗恶劣环境设计、热设计、抗振动冲击设计、电磁兼容设计等，在生产样机后通过试验得以验证，最终满足各项指标的要求，该类密封式相机在车辆、船舶等外部环境的成功应用，为其它类似环境使用的电子设备结构设计提供了一种很好的解决方案。