一种测量综合控制器的电磁屏蔽系统的制作方法
【专利摘要】一种测量综合控制器的电磁屏蔽系统，属于航天测量系统电子设备电磁屏蔽【技术领域】，包括电源模块、数据变换模块、CAN总线模块、数据存储及综合模块，由屏蔽板、阶梯坡面缝、印制板电磁兼容设计、内部屏蔽总线、电气连续性设计组成。本发明具有可增大磁波反射损耗和传输损耗，减少电磁波的泄漏量，提高产品内外电磁屏蔽作用；产品实现模块化通用化产品化，减小产品外形尺寸，降低设计成本；提高板间信号质量，减少由导线形成的辐射，改善芯片的电磁环境，降低信号衰减和辐射干扰等诸多优点。
【专利说明】一种测量综合控制器的电磁屏蔽系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种测量综合控制器的电磁屏蔽系统，属于航天测量系统电子设备电 磁屏蔽【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 测量综合控制器是小型航天飞行器测量系统的核心设备，用于测量系统数据采集 和编码、组帧工作，还兼具CAN总线监视器、平行延时存储器、快计慢发存储器及换流器功 能。此外测量综合控制器由于应用在小型航天飞行器型号上，所以对产品的体积和大小具 有一定的要求，确保产品的小型化和集成化。该设备采用高集成度大容量小型化芯片，在满 足系统指标要求的前提下充分减小设备体积，由于产品内部芯片的工作频率较高，空间较 小，容易受外界电磁辐射干扰及串扰。
[0003] 传统的测量系统单机以往多用于运载火箭和战略武器等型号，产品布置的空间较 大，互相之间的距离较宽，对单机的体积没有特殊的要求，单机的内部电子元器件数量较 少，嵌入式软件的集中应用情况比较少见，DSP、FPGA、单片机等主要的控制器件可以远离电 磁干扰源，互相之间也可以有空间做好电磁屏蔽。
[0004] 小型航天飞行器上的新环境令弹上布局更加紧凑，将弹上仪器进行集成，以达到 减少设备数量、体积和重量，节省弹上安装空间的目的，对单机如测量综合控制器提出了小 型化、集成化和多功能化设计要求，产品的性能指标、重量、体积、维护性与可靠性都有了更 高的要求。产品整机共分为4个模块，分别为电源模块、数据变换模块、CAN总线模块、数据 存储及综合模块。电子产品的集成度以及处理速度也大大提高，特别是产品的CAN总线监 视器、平行延时存储器、快计慢发存储器中的芯片工作频率较高，空间较小，容易受外界电 磁辐射干扰及串扰。此外，由于产品的复杂的功能和集成化设计，内部电子元器件的数量繁 多、形式多样，使得综合控制器中的电磁环境十分复杂，内部的电磁干扰及产品之间的相互 电磁干扰问题严重，以往电磁兼容性设计满足不了新的设计要求。
[0005] 综上所述，在测量综合控制器研制阶段对产品进行新的方案设计，以解决网络串 扰、数据出错、电磁噪声外泄等问题，因此需要对产品进行专有的电磁屏蔽设计，通过有效 的电路、结构、材料等设计方法优化产品的电磁兼容性水平，使之能够符合型号对产品的多 功能和小型化要求。
【发明内容】
[0006] 本发明的技术解决问题：克服现有产品电磁屏蔽技术的不足，提出一种测量综合 控制器的电磁屏蔽系统，通过有效的电路、结构、材料等的方法，解决了电磁辐射干扰、电磁 波泄露、及信号串扰的问题，提高了产品内外电磁屏蔽和板间信号传输质量能力、减少由导 线形成的辐射，改善芯片的电磁环境，降低信号衰减和辐射干扰等诸多优点。
[0007] 本发明的技术解决方案：一种测量综合控制器的电磁屏蔽系统，包括电源模块、数 据变换模块、CAN总线模块、数据存储及综合模块；电源模块在测量综合控制器的底部，数 据变换模块、CAN总线模块、数据存储及综合模块在电源层上方由下向上依次排列；每个模 块互相独立，均会对外产生电磁辐射；电源层与数据变换模块之间设立一块屏蔽隔板，屏蔽 隔板厚度为1?3mm之间，屏蔽隔板上不进行开孔；数据变换模块CAN总线模块、数据存 储及综合模块的数字集成电路的输入端不悬空，输入端接5?20kQ的上拉电阻或下拉电 阻；数据变换模块CAN总线模块、数据存储及综合模块的集成电路的电源和地之间并接一 支0. 01F?0. 1F的去耦电容；CAN总线模块的单片机电源正负母线之间加滤波电路；CAN 总线模块的印制板包括时钟区和数据处理电路，时钟区包括晶振和单片机，时钟区的晶振 与单片机引脚布线距离不大于3mm，使用地线把时钟区与数据处理电路隔离，晶振外壳接地 并固定在CAN总线模块印制板上；加宽数据变换模块、CAN总线模块、数据存储及综合模 块印制板上的电源线和地线，宽度至少大于等于1. 5mm ;数据变换模块、CAN总线模块、数据 存储及综合模块的印制板使用四层板，四层板依次为电源层、地层、数字信号层、模拟信号 层；电源模块与数据变换模块、数据变换模块与CAN总线模块、CAN总线模块与数据存储及 综合模块之间均设置有坡面阶梯缝；电源模块与数据变换模块、数据变换模块与CAN总线 模块、CAN总线模块与数据存储及综合模块之间增加电磁密封衬垫和硅脂导电胶涂覆层， 电磁密封衬垫具有10 %?20%的压缩变形量；电源模块、数据变换模块、CAN总线模块、 数据存储及综合模块的外接连接器使用导电橡胶垫分别装配在电源模块、数据变换模块、 CAN总线模块、数据存储及综合模块上，并对电源模块、数据变换模块、CAN总线模块、数据 存储及综合模块外表面用于安装连接器的部分进行导电阳极化和不涂漆处理；电源模块、 数据变换模块、CAN总线模块、数据存储及综合模块之间用于供电和通信的内部总线通过 印制板间连接器连接，实现信号的直通。所述的印制板间连接器为型号为Airborn公司的 RM222-060-000-0256 ;所述的数据变换模块CAN总线模块、数据存储及综合模块的集成电 路的电源和地之间并接的去耦电容是〇. 06F。
[0008] 本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0009] (1)本发明电源层与数据变换模块之间设立屏蔽隔板，使易受干扰的敏感模块与 电磁辐射相对较大的电源模块尽可能远离，解决了电源模块对印制板电磁干扰的问题。 [0010] (2)本发明由于采用CAN总线模块的单片机电源正负母线之间加滤波电路、去耦 电容和印制板合理布线措施，减少了电源噪声对单片机的干扰。
[0011] (3)本发明采用了阶梯坡面缝、电磁密封衬垫、硅脂导电胶涂覆层、导电橡胶垫的 措施，增强了外部电磁噪声进入和内部电磁噪声外泄的屏蔽作用。
[0012] ⑷本发明不使用导线串接，采用印制板间连接器作为内部总线，实现了供电、数 字信号、模拟信号的有效传输，减少了信号的串扰现象。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1A和图1B为测量综合控制器外形图；
[0014] 图2为测量综合控制器的电磁屏蔽系统功能布局示意图；
[0015] 图3为阶梯坡面缝示意图；
[0016] 图4为去耦电容与电源噪声示意图；
[0017] 图5为施加屏蔽措施与电磁辐射量级示意图。
【具体实施方式】
[0018] 本发明的基本思路为：根据当前产品的结构和电路特点，合理地布局设备内各单 元之间的相对位置和电缆走线，使易受干扰的敏感模块与电磁辐射相对较大的电源模块尽 可能远离，输入与输出端口妥善分隔，通过合理的布局能使相互干扰减小到最小程度，利用 有效的电路设计和印制板布局提高电路的抗干扰能力，提升健壮性，最大限度地保证电磁 屏蔽能力。
[0019] 下面结合附图对本发明进行详细说明，测量综合控制器的外形如图1A和图1B所 示，属于小型电子设备产品，产品使用铝合金金属外壳，通过多个连接器进行电气系统连 接，通过四个支耳实现产品安装。如图2所示，图中1为电源模块，2为数据变换模块，3为 CAN总线模块，4为数据存储及综合模块，5是屏蔽隔板，6是产品外壳，7是阶梯坡面缝，8是 对外连接器，9是内部总线。一种测量综合控制器的电磁屏蔽系统包括以上四种模块，其中 电源模块在测量综合控制器的底部，数据变换模块、CAN总线模块、数据存储及综合模块在 电源层上方由下向上依次排列；每个模块互相独立，均会对外产生电磁辐射；电源层与数 据变换模块之间设立一块屏蔽隔板，如图2所示，图中5为屏蔽隔板，屏蔽隔板厚度为1? 3mm之间，屏蔽隔板上不进行开孔；使易受干扰的敏感模块与电磁辐射相对较大的电源模 块尽可能远离，从而实现内部系统之间的电磁屏蔽效果，通过对数据变换模块、CAN总线模 块、数据存储及综合模块的电磁辐射量级进行测试，效果如图5所示，图中A柱代表不对产 品采用任何屏蔽措施，B柱代表对产品增加屏蔽隔板措施，与不加装屏蔽隔板相比，电磁辐 射量级出现了大约降低了 20%。
[0020] 数据变换模块CAN总线模块、数据存储及综合模块的数字集成电路的输入端不悬 空，输入端接5?20k Ω的上拉电阻或下拉电阻；CAN总线模块的单片机电源正负母线之间 加滤波电路；CAN总线模块的印制板包括时钟区和数据处理电路，时钟区包括晶振和单片 机，时钟区的晶振与单片机引脚布线距离不大于3mm，使用地线把时钟区与数据处理电路隔 离，晶振外壳接地并固定在CAN总线模块印制板上；加宽数据变换模块、CAN总线模块、数据 存储及综合模块印制板上的电源线和地线，宽度至少大于等于1. 5_ ;数据变换模块、CAN 总线模块、数据存储及综合模块的印制板使用四层板，四层板依次为电源层、地层、数字信 号层、模拟信号层；数据变换模块CAN总线模块、数据存储及综合模块的集成电路的电源和 地之间并接一支0. 01F?0. 1F的去耦电容，实际选用0. 06F的电容，该电容的选取效果如 图4所示，产品加入去耦电容后，电源噪声出现下降，当电容值在0. 06uF时，电源噪声基本 降到最低点，继续增大电容，电源噪声基本没有下降区间，因此选用〇. 〇6uF的电容。
[0021] 电源模块与数据变换模块、数据变换模块与CAN总线模块、CAN总线模块与数据存 储及综合模块之间均设置有坡面阶梯缝；电源模块与数据变换模块、数据变换模块与CAN 总线模块、CAN总线模块与数据存储及综合模块之间增加电磁密封衬垫和硅脂导电胶涂覆 层，如图3所示，图中201是数据变换模块的结构件，图中301是CAN总线模块的结构件，图 中10是电磁密封衬垫，通过将结构件加工厂凹凸两种结构形式并进行拼接，从而实现产品 固定并减小缝隙，加装的电磁密封衬垫具有10%?20%的压缩变形量，实现了上下两个结 构件的电气良好导通，并实现了密封性能；电源模块、数据变换模块、CAN总线模块、数据 存储及综合模块的外接连接器使用导电橡胶垫分别装配在电源模块、数据变换模块、CAN总 线模块、数据存储及综合模块上，并对电源模块、数据变换模块、CAN总线模块、数据存储及 综合模块外表面用于安装连接器的部分进行导电阳极化和不涂漆处理；电源模块、数据变 换模块、CAN总线模块、数据存储及综合模块之间用于供电和通信的内部总线通过印制板间 连接器连接，实现信号的直通。使用上述措施后，在产品外部施加电磁辐射干扰，并在产品 内部进行检测，结果如图5所示，图中A柱代表不对产品采用任何屏蔽措施，B柱代表对产 品增加屏蔽隔板措施，C柱代表在B柱的基础上增加了阶梯坡面缝、电磁密封衬垫和导电橡 胶垫的措施，D柱代表在C柱的基础上增加了内部总线措施，通过图5可以反映出，随着屏 蔽措施的增加，电磁辐射量级出现了明显的下降，反映出以上措施的有效性。本发明顺利通 过 GJB151A-97 对 CE102、CS106、RS103、ESD、RE102、CS114、CS115、CS116 试验的要求，并参 加小型航天飞行器多次飞行试验，均工作正常，测量系统均完整获取了小型航天飞行器飞 行全程的所有遥测数据和GPS转发外测数据，圆满完成任务，未出现问题。
[0022] 本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。虽然结 合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域普通技术人员可以在所附权利要求的范围内 做出各种变形或修改。
【权利要求】
1. 一种测量综合控制器的电磁屏蔽系统，其特征在于：包括电源模块、数据变换模块、 CAN总线模块、数据存储及综合模块；电源模块在测量综合控制器的底部，数据变换模块、 CAN总线模块、数据存储及综合模块在电源层上方由下向上依次排列；每个模块互相独立， 均会对外产生电磁辐射；电源层与数据变换模块之间设立一块屏蔽隔板，屏蔽隔板厚度为 1?3_之间，屏蔽隔板上不进行开孔；数据变换模块CAN总线模块、数据存储及综合模块 的数字集成电路的输入端不悬空，输入端接5?20kQ的上拉电阻或下拉电阻；数据变换模 块CAN总线模块、数据存储及综合模块的集成电路的电源和地之间并接一支0. 01F?0. 1F 的去耦电容；CAN总线模块的单片机电源正负母线之间加滤波电路；CAN总线模块的印制板 包括时钟区和数据处理电路，时钟区包括晶振和单片机，时钟区的晶振与单片机引脚布线 距离不大于3mm，使用地线把时钟区与数据处理电路隔离，晶振外壳接地并固定在CAN总线 模块印制板上；加宽数据变换模块、CAN总线模块、数据存储及综合模块印制板上的电源线 和地线，宽度至少大于等于1. 5mm ;数据变换模块、CAN总线模块、数据存储及综合模块的 印制板使用四层板，四层板依次为电源层、地层、数字信号层、模拟信号层；电源模块与数 据变换模块、数据变换模块与CAN总线模块、CAN总线模块与数据存储及综合模块之间均 设置有坡面阶梯缝；电源模块与数据变换模块、数据变换模块与CAN总线模块、CAN总线模 块与数据存储及综合模块之间增加电磁密封衬垫和硅脂导电胶涂覆层，电磁密封衬垫具有 10 %?20 %的压缩变形量；电源模块、数据变换模块、CAN总线模块、数据存储及综合模块 的外接连接器使用导电橡胶垫分别装配在电源模块、数据变换模块、CAN总线模块、数据存 储及综合模块上，并对电源模块、数据变换模块、CAN总线模块、数据存储及综合模块外表面 用于安装连接器的部分进行导电阳极化和不涂漆处理；电源模块、数据变换模块、CAN总线 模块、数据存储及综合模块之间用于供电和通信的内部总线通过印制板间连接器连接，实 现信号的直通。
2. 根据权利要求1所述的一种测量综合控制器的电磁屏蔽系统，其特征在于：所述的 印制板间连接器的型号为Airborn公司的RM222-060-000-0256。
3. 根据权利要求1所述的一种测量综合控制器的电磁屏蔽系统，其特征在于：所述的 数据变换模块CAN总线模块、数据存储及综合模块的集成电路的电源和地之间并接的去耦 电容是〇. 06F。
4. 根据权利要求1所述的一种测量综合控制器的电磁屏蔽系统，其特征在于：所述的 电磁密封衬垫使用0. 51mm厚的牌号为导电橡胶板40-10-1010-1350作为原材料加工后成 型。
【文档编号】H05K9/00GK104105388SQ201410234340
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年5月29日 优先权日:2014年5月29日
【发明者】魏来, 王 锋, 李大全, 郭世友, 赵卫军, 赵雪梅, 王昕 , 祝京, 耿培涛, 张磊, 丛伟, 彭旭锋, 张霖, 王林, 孟超, 严帅, 罗兴科, 韩凯, 扈佳林, 李萌 申请人:北京宇航系统工程研究所, 中国运载火箭技术研究院