列车运行监控记录装置的网络安全设备的制作方法

本实用新型涉及列车运行监控记录装置领域，特别涉及一种列车运行监控记录装置的网络安全设备。

背景技术：

lkj(列车运行监控记录装置，简称监控装置)，是我国铁路研制的以保证列车运行安全为主要目的列车速度监控装置。lkj在实现列车速度安全控制的同时，采集记录与列车安全运行有关的各种机车运行状态信息，促进了机车运行管理的自动化。该运行状态信息包括lkj换装数据、以及业务数据。lkj换装数据为地面服务器通过无线网络传输至lkj的指示运行线路和环境的数据，业务数据为列车上终端设备(不包括lkj)通过无线网络与列车以外设备之间的交互数据。lkj换装数据、以及业务数据是利用无线网络进行数据传输，在数据传输过程中，需提供网络安全设备对该数据传输过程进行安全防护。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供了一种列车运行监控记录装置的网络安全设备，能够实现数字信号与模拟信号互不干扰，且能够将数字区域较高的工作热量带走，降低数字区域的工作环境温度。所述技术方案如下：

本实用新型提供了一种列车运行监控记录装置的网络安全设备，所述网络安全设备包括多层印制电路板pcb和面板，

所述多层pcb的正面设有模拟区域和数字区域，所述模拟区域靠近所述多层pcb的第一端，所述数字区域靠近所述多层pcb的第二端，所述第一端与所述第二端相对，所述模拟区域用于安装模拟信号电路元件，所述数字区域用于安装数字信号电路元件，所述模拟信号电路元件包括导航定位芯片和移动通信芯片，所述数字信号电路元件包括中央处理器cpu芯片、现场可编程门阵列fpga芯片、以及内存芯片，

所述面板固定于所述多层pcb且覆盖在所述多层pcb的正面，所述面板背向所述多层pcb的正面的面上设有散热片组，所述散热片组包括多条平行的散热片，相邻散热片之间存在间隙，所述散热片组与所述数字区域相对。

可选地，所述面板面向所述多层pcb的正面的面上设有至少一个导热块，所述至少一个导热块与所述cpu芯片的表面接触。

可选地，所述网络安全设备还包括第一温度传感器和第二温度传感器，所述第一温度传感器安装在所述模拟区域，所述第二温度传感器安装在所述数字区域，所述cpu芯片分别与所述第一温度传感器和所述第二温度传感器电连接以基于所述第一温度传感器和所述第二温度传感器检测到的温度调节所述模拟区域和所述数字区域中电路元件的功耗。

可选地，所述面板上开设有安装槽，所述安装槽对准所述模拟区域，所述安装槽上可拆卸地安装有导热板。

可选地，所述导热板面向所述模拟区域的面上设有至少两个导热块，所述至少两个导热块中一个导热块与所述导航定位芯片接触，所述至少两个导热块中另一个导热块与所述移动通信芯片接触。

可选地，所述多层pcb在板体纵向划分为多个电源布线区域，同一电源布线区域内为同一电压大小的电源布线，不同电源布线区域内为不同电压大小的电源布线。

可选地，所述多层pcb上保护地与板内所有其他信号的信号地之间的距离至少为3mm。

可选地，所述多层pcb与所述面板螺纹连接，所述多层pcb的边缘设有多个螺纹连接孔，所述螺纹连接孔与最近的布线位置之间的距离至少为7.2mm。

可选地，所述网络设备还包括母板连接器，所述母板连接器用于与母板电连接，所述网络设备与所述母板的接触面设置有屏蔽条或屏蔽垫。

可选地，所述面板为经过导电氧化处理后的面板。

本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过多层pcb的正面设有模拟区域和数字区域，模拟区域用于安装模拟信号电路元件，数字区域用于安装数字信号电路元件，模拟区域靠近多层pcb的第一端，数字区域靠近多层pcb的第二端，第一端与第二端相对，这样，数字区域与模拟区域相互独立，数字信号与模拟信号互不干扰；而当数字信号电路元件集中在数字区域时，其工作热量较高，为此，面板背向多层pcb的正面的面上设有散热片组，散热片组包括多条平行的散热片，相邻散热片之间存在间隙，散热片组与数字区域相对，散热片组能够将数字区域较高的工作热量带走，降低数字区域的工作环境温度，使数字区域和模拟区域的热量相平衡，延长了网络安全设备的寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1和图2是本实用新型实施例提供的一种列车运行监控记录装置的网络安全设备的结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的多层pcb的正面的结构示意图；

图4是本实用新型实施例提供的可靠性模型的示意图。

附图中，a模拟区域、d数字区域、11多层印制电路板、12面板、12a安装槽、13散热片、21导航定位芯片、22移动通信芯片、23中央处理器芯片、24现场可编程门阵列芯片、25内存芯片、26物理层芯片、14导热板、15螺纹连接孔、16母板连接器、17发光二极管指示灯。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

图1和图2示出了本实用新型实施例提供的一种列车运行监控记录装置的网络安全设备。参见图1和图2，该网络安全设备包括多层pcb(printedcircuitboard，印制电路板)11和面板。多层pcb11的正面设有模拟区域a和数字区域d。模拟区域a靠近多层pcb11的第一端，数字区域d靠近多层pcb11的第二端，第一端与第二端相对。模拟区域a用于安装模拟信号电路元件。数字区域d用于安装数字信号电路元件。模拟信号电路元件包括导航定位芯片21和移动通信芯片22，数字信号电路元件包括cpu(centralprocessingunit，中央处理器)芯片、fpga(field－programmablegatearray，现场可编程门阵列)芯片、以及内存芯片25。面板12固定于多层pcb11且覆盖在多层pcb11的正面，面板12背向多层pcb11的正面的面上设有散热片组，散热片组包括多条平行的散热片13，相邻散热片13之间存在间隙，散热片组与数字区域d相对。

通过多层pcb11的正面设有模拟区域a和数字区域d，模拟区域a用于安装模拟信号电路元件，数字区域d用于安装数字信号电路元件，模拟区域a靠近多层pcb11的第一端，数字区域d靠近多层pcb11的第二端，第一端与第二端相对，这样，数字区域d与模拟区域a相互独立，数字信号与模拟信号互不干扰；而当数字信号电路元件集中在数字区域d时，其工作热量较高，为此，面板12背向多层pcb11的正面的面上设有散热片组，散热片组包括多条平行的散热片13，相邻散热片13之间存在间隙，散热片组与数字区域d相对，散热片组能够将数字区域d较高的工作热量带走，降低数字区域d的工作环境温度，使数字区域d和模拟区域a的热量相平衡，延长了网络安全设备的寿命。

示例性地，多层pcb11可以是10层pcb。

其中，网络安全设备包括导航定位芯片21、移动通信芯片22、cpu芯片23、fpga芯片24、内存芯片25、硬盘、闪存、phy(physicallayer，物理层)芯片26、复位电路等电路元件。导航定位芯片21可以是gnss(globalnavigationsatellitesystem，全球卫星导航系统)芯片，移动通信芯片22可以4g通信模块，phy芯片的型号可以是88e1145。下表1为网络安全设备中相关电路元件的功耗，功耗越大意味着该电路元件工作热量越大。从表1可以得知，cpu的功耗最大，内存和移动通信芯片22的功耗次大，导航定位芯片21的功耗较小。

表1

根据技术规格书要求，整个设备包含面板12高度不超过30mm，设备允许在环境温度为85°的极端条件下正常运行，即芯片运行温度最高不能超过105°。考虑到设备单独运行的极端条件，对设备进行热仿真，模拟在85°环境温度下，设备内部进行热传导，而外部仅仅依靠对外辐射散热以及自然对流散热，且设备并不与机箱接触进行传导，相当于单设备在85°温箱进行高温测试。通过热设计计算以及热模拟仿真，考虑热量分布平衡以及散热方式得出最优解，对该模块pcb板卡以及模块结构设计最优解决方案示意图如图3所示。

再根据板上器件的功耗和散热情况，进行单板(无面板12)的热仿真，结果显示，单板(特别是cpu部分)发热较严重，必须散热。接下来对安装了散热片组后的模块进行热仿真，从仿真情况看，安装了散热片组后，模块的散热情况得到了明显的改善。

为了更好地对数字区域d集中的工作热量进行散热，示例性地，面板12面向多层pcb11的正面的面上设有至少一个导热块，至少一个导热块与cpu芯片23的表面接触。通过导热块与cpu芯片23的表面直接接触，导热块能够直接带走cpu芯片23的热量，并通过相应的散热片组散发到外界环境中，迅速进行降温。

需要说明的是，可以为数字区域d中散热较大的电路元件设置相应的导热块。例如，可以设置4个导热块，第1个导热块对应cpu芯片23，第2个导热块对应内存，第3个导热块对应fpga，第4个导热块对应其他。

当外界环境的温度较高时，这时通过导热块和散热片13降温已不能快速起作用，这时，网络安全设备可以调节相关电路元件的功耗，以此降温。示例性地，网络安全设备还包括第一温度传感器和第二温度传感器，第一温度传感器安装在模拟区域a，第二温度传感器安装在数字区域d，cpu芯片23分别与第一温度传感器和第二温度传感器电连接以基于第一温度传感器和第二温度传感器检测到的温度调节模拟区域a和数字区域d中电路元件的功耗。

其中，第一温度传感器可以设置在导航定位芯片21与移动通信芯片22之间，第二温度传感器可以设置在cpu芯片23附近。通过温度传感器，随时监控温度情况，对板上的功能进行调整，保证板子的稳定可靠运行。

其中，移动通信芯片22包括sim(subscriberidentificationmodule，用户身份识别)卡，多层pcb11上设有sim卡槽，为了便于安装和取出sim卡，示例性地，面板12上开设有安装槽12a，安装槽12a对准模拟区域a，安装槽12a上可拆卸地安装有导热板14。通过该安装槽12a和导热板14，可以方便安装和取出sim卡。同时，导热板14可以对模拟区域a的工作热量进行导热降温。

为了更好地进行散热，示例性地，导热板14面向模拟区域a的面上设有至少两个导热块，至少两个导热块中一个导热块与导航定位芯片21接触，至少两个导热块中另一个导热块与移动通信芯片22接触。

其中，面板12、散热片组、导热块、和导热板14的材质均可以为铝合金。并且，面板12、散热片组和导热块可以一体成型。

示例性地，多层pcb11在板体纵向划分为多个电源布线区域，同一电源布线区域内为同一电压大小的电源布线，不同电源布线区域内为不同电压大小的电源布线。这样，通过分割电源，可以保证电流回流较快。其中，板体纵向是指，多层pcb11中各个板的层叠方向，板体纵向与pcb正面垂直。布线区域是沿板体纵向将多层pcb11分为多个区域。

基于分割电源，多层pcb11上的布线不能跨越分割电源面(不同电流大小的布线区域)之间的间隙，有存在必须跨越分割电源之间间隙的信号线时，该信号线要位于紧邻大面积地的布线层。

为保证安全，示例性地，多层pcb11上保护地与板内所有其他信号的信号地之间的距离至少为3mm。这样，应能承受3000v以上的隔离电压。

为保证安全，示例性地，多层pcb11与面板12螺纹连接，多层pcb11的边缘设有多个螺纹连接孔15，螺纹连接孔15与最近的布线位置之间的距离至少为7.2mm。

示例性地，网络安全设备还包括母板连接器16，母板连接器16用于与母板电连接，网络设备与母板接触面设置有屏蔽条或屏蔽垫。需要说明的是，母板连接器16的形状结构可以根据实际需求设置。

示例性地，网络安全设备还包括多个led(lightemittingdiode，发光二极管)指示灯17，各led指示灯17分别与cpu芯片电连接，用于在cpu芯片的指示下发光。

示例性地，面板12为经过导电氧化处理后的面板12。

具体地，可以在面板12成型后进行导电氧化处理，导电氧化的面板12可起到传导干扰抑制，屏蔽隔离的作用。同时，网络安全设备与所有连接器的安装面之间亦装有屏蔽条或屏蔽垫。这样，能够解决网络数据链路中的电磁干扰问题。

下面介绍本实施例提供的网络安全设备的可靠性设计与分析过程。

网络安全设备的目标mtbf(meantimebetweenfailure，平均故障间隔时间)指标为≥100000h。网络安全设备中各电路板基本上都包含6类元器件，它们分别是数字ic(integratedcircuit集成电路)、存储器、晶体震荡器、半导体元件、电阻、电感和电容，而每块电路板的可靠性包括元器件可靠性和印制板可靠性以及焊接点可靠性，其可靠性模型图4所示。根据图4示出的可靠性模型可得插件板失效率的数学模型为：

λ插件板＝λic+λrom+λcry+λd+λr+λl+λc+λpcb+λjp

上式中：

λic-----------电路板中所有ic的失效率；

λrom-----------电路板中所有存储器的失效率；

λcry-----------电路板中所有晶体震荡器的失效率；

λd-----------电路板中所有半导体元件的失效率；

λr------------电路板中所有电阻的失效率；

λl------------电路板中所有电感的失效率；

λc------------电路板中所有电容的失效率；

λpcb-----------电路板的pcb的失效率；

λjp-----------电路板中所有焊接点的失效率。

根据国家标准gb/z299c-2006《电子设备可靠性预计手册》中推荐的设计阶段设备的失效率预计算法，对系统中各个电路板进行可靠性预计，其中，涉及到的元器件失效率、元器件质量系数和环境系数等都根据本系统的使用环境和所选元器件的实际情况从手册中获得。具体请参见下表2。

表2

根据表2，网络安全设备的预计总失效率为：λ＝9.956×10^-6。

平均无故障工作时间(mtbf)的预计值为：小时。

即mtbf≈100442小时，大于100000小时，满足要求。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。