智能终端机电接口的研制

郑艺扬，来 晓

（1.浙江高速信息工程技术有限公司，浙江杭州，310000；2.浙江中控技术股份有限公司，浙江杭州，310053）

1 引言

近年来，随着智慧高速建设步伐的加快，杆上智能终端种类和数量不断增加。杆上智能终端是一类嵌入式计算机系统设备，主要包括智能设备、感知设备和监控设备等。杆上异构智能终端机电接口类型各异，导致安装、维护和扩展费时费力。智能终端机电接口的标准化、通用化和模块化已经成为亟待解决的问题，研制集电源、通讯、机械挂载等功能为一体的机电接口迫在眉睫。

2 总体方案

2.1 需求分析

通过对杆上智能终端的调研，主要杆上智能终端的技术参数如下：

1）主要供电类型为：AC24V、DC12V、POE、AC220V；

2）主要通讯类型为：网络、光纤、485；

3）重量15kg以内；

4）单个设备功率60W 以内。

2.1.1 电气连接接口功能需求

电气连接接口功能需要实现传输和接口扩展功能。

1）传输功能

（1）电力传输：实现低压交直流供电功能。供电采用集中供电方式；

（2）数据传输：实现以太网数据传输，预留485接口。

2）接口扩展功能

通过1对多的扩展模块实现接口的扩展功能。

2.1.2 机械挂载接口功能需求

机械挂载接口可挂载15kg重量内智能终端。

2.2 技术指标

主要技术指标分为机械性能、电气性能和环境性能三个方面，具体如下：

1）机械性能

（1）挂载最大重量：15kg；

（2）总插入力及拔出力：＜200N；

（3）振动冲击：按GB／T 5095.4－1997中试验6d的规定进行，试验过程中按GB／T 5095.2－1997中试验2e的规定检测接触故障；

（4）机械插拔寿命：500次；

（5）接触件固定性：供电接触件：50N；其他：100N。

2）电气性能

（1）接触电阻：供电接触件：≤3mΩ；其他：≤35mΩ；

（2）绝缘电阻：常态条件下≥1000mΩ；

（3）绝缘强度：常态条件下1000VAC，保持60s±5s而无击穿及飞弧现象。

3）环境性能

（1）工作温度：－45℃～80℃；

（2）工作电流：40A；

（3）工作电压：48V；

（4）盐雾：96h；

（5）防护等级：IP66。

2.3 结构组成

机电接口由接触件、外壳、边框和导向柱、绝缘安装板、挂载法兰、附件等组成，如图1所示。

图1 机电接口总体结构示意图

2.3.1 接触件

接触件分为供电接触件、以太网接口接触件和通讯接口接触件。供电接触件由插针和插孔两部分组成。插孔采用切槽开孔式，插针采用圆柱形刚性针。以太网接口接触件由六类RJ45直通模块（RJ45母）和RJ45水晶头（RJ45公）组成。通讯接口接触件由圆形8芯公头和母头组成。

2.3.2 绝缘安装板

绝缘安装板起到固定、支撑和定位接触件的作用，并起到接触件间电绝缘、隔离的作用。绝缘安装板应选择绝缘性能好，抗电强度高、温度指标能满足要求具有一定强度的材料。

3 关键技术方案

3.1 固定结构

3.1.1 供电接触件固定结构

在机电接口的结构中，使用固定爪结构将供电插针和插孔接触件固定在绝缘安装板中，固定爪结构相对于传统的尾端加盖板的结构有结构紧凑、方便拆卸等优点。本接口采用后装后取式结构，接触件在电缆压接完成后可以直接推入绝缘固定板，要求推入力在10±5N，推入后固定力≥50N。

3.1.2 以太网接口接触件固定结构

在机电接口的结构中，使用固定爪结构将以太网接口接触件固定在绝缘安装板中。本接口采用后装后取式结构，接触件在电缆压接完成后可以直接推入绝缘固定板，要求推入力在20±5N，推入后固定力≥80N。

3.1.3 通讯接口接触件固定结构

在机电接口的结构中，使用固定爪结构将通讯接口接触件固定在绝缘安装板中。本接口采用后装后取式结构，接触件在电缆焊接完成后可以直接推入绝缘固定板，要求推入力在10±5N，推入后固定力≥50N。

3.1.4 绝缘安装板与框架的固定结构

框架是安装固定绝缘安装板和导向柱的零件。框架由框架顶板和框架侧板组成，由螺钉固定连接。通过框架侧板的凹槽和绝缘固定板的凸块完成绝缘安装板的夹紧固定。

3.2 导向对准结构

机电接口插头插座对接过程中，通过三个导向柱保证顺利插合，同时可防止误插，如图2所示。

图2 导向对准结构图

3.3 防水密封结构设计

防水密封结构分为尾部电缆与外壳的防水密封和插头插座对接端密封，须达到IP66的防水等级。

3.3.1 尾部电缆与外壳的防水密封

尾部电缆密封结构采用防水PG头与防水橡胶圈压紧电缆保证尾部密封防水可靠性。［1］。尾部迫紧螺帽旋紧时，其锥面挤压夹紧爪与防水橡胶圈，夹紧爪与受外力收紧向内压紧防水橡胶圈，从而锁紧电缆达到防水效果。

3.3.2 插头插座对接端密封

密封圈安装在插头插座对接端，插头座连接后，通过密封圈的压缩来实现轴向的密封功能。密封圈压缩量控制在15%～30%范围内时密封效果最佳。密封圈材料选择硅橡胶6151。

3.3.3 其他防水工艺

采用灌封工艺可进一步提升机电接口的防水等级。灌封是将有一定黏度的液态复合物采用一定的工艺方法灌入有需要的元器件内，在一定温度条件下固定，以实现元器件的防水和防潮性能。

3.4 智能终端挂载方式

15kg以内智能终端通过标准螺钉与挂载法兰连接。机械挂载法兰通过连接件与杆体连接，连接件使用滑槽或标准连接件的方式，满足稳固、耐用、易装的要求。

3.5 机电接口扩展模块

当机电接口数量不足时，可通过扩展模块扩展机电接口数量，将1路机电接口扩展为4路，原理图如图3所示。扩展模块主要由机电接口、外壳、电源扩展板，以太网扩展板和485扩展板组成，如图4和所示。

图3 机电接口扩展模块原理图

图4 机电接口扩展模块结构图

4 测试

试验样品实测数据对照表见表1。

表1 试验样品实测数据对照表

5 结论

本文针对杆上异构智能终端的机械和电气连接需求，研制了一种集机械和电气连接一体化的机电接口。该机电接口具有模块化、可扩展、连接方便的特点，可为杆上智能终端提供快速、可靠的机电连接。