在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初期我們不僅要考慮要實(shí)現(xiàn)的功能，性能，可操作性等方面，還有一方面便是實(shí)地的使用環(huán)境，如高溫，高濕等惡劣的條件給系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了新的要求。今天就以油井下攝像頭探測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用給大家一些思路上的啟發(fā)。

這個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)用于井下檢查雙彩色攝像頭應(yīng)用，需要的功能有嵌入式圖像處理，色彩重構(gòu)，通信以及高動(dòng)態(tài)（HDR）防抖圖像采集能力。油井下要求系統(tǒng)至少在125攝氏度的環(huán)境溫度下還要能夠正常工作，綜合以上方面我們采用Xilinx Spartan-6 XA6SLX45 FPGA器件，因?yàn)樗墓ぷ鳒囟确秶容^廣，魯棒性，封裝尺寸小，內(nèi)存和LUT資源都比較豐富。（圖1 油井下環(huán)境示意圖）

很多系統(tǒng)設(shè)計(jì)中都需要考慮散熱，大體可分類兩類：被動(dòng)散熱和主動(dòng)散熱。被動(dòng)散熱一般是增加與空氣接觸的面積，主動(dòng)散熱一般是采取措施主動(dòng)降低溫度，如增加風(fēng)扇，水冷等解決方案。通常在電子系統(tǒng)上一般都采用熱電冷卻方法，如珀?duì)柼?yīng)：利用電流通過(guò)兩種適宜物質(zhì)的結(jié)點(diǎn)處而產(chǎn)生溫度降低的現(xiàn)象。盡管這個(gè)方案能夠幫助降低器件的溫度，但是它還有一個(gè)缺點(diǎn)就是需要大量的外部電源能量供給。

對(duì)于我們這個(gè)案例空氣制冷不適用，因?yàn)榇罅康目諝庖话闶潜环忾]起來(lái)的，空氣溫度很快就會(huì)上升，水冷方案更不適合，因?yàn)槔渌h(huán)輸送是個(gè)很大的問(wèn)題，因此綜合以上考慮我們目前只能采用珀?duì)柼?yīng)進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)。但是還需要我們提供較大的電流以及導(dǎo)體材料，實(shí)際情況是我們只能提供有限的額外電流，因此只能起到小幅度降溫的效果。

而且我們的器件還包括攝像頭，圖像采集質(zhì)量會(huì)隨著溫度升高而呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)降低，因此我們還必須優(yōu)化我們的散熱措施，重點(diǎn)放在圖像傳感器上而不是FPGA，內(nèi)存以及電源電路部分，因?yàn)椴捎苗隊(duì)柼?yīng)對(duì)FPGA進(jìn)行散熱幾乎是不可能的，我們唯一的辦法就是降低FPGA內(nèi)部的峰值溫度，同時(shí)我們也采用小尺寸封裝的FPGA器件，因?yàn)樵酱蟮钠骷蜁?huì)有更多的靜態(tài)功率消耗，就會(huì)產(chǎn)生更多的熱量。

我們還優(yōu)化我們的FPGA代碼，使用盡量少的邏輯資源（LUT）。同時(shí)我們還優(yōu)化時(shí)鐘頻率，動(dòng)態(tài)的功率消耗與始終頻率相關(guān)。我們使用盡量少的I/O管腳，將不用的I/O管腳作為虛擬地處理，縮短電流流通距離，減少焦耳效應(yīng)的影響，這樣也能降低FPGA內(nèi)部I/O區(qū)塊的功率消耗。
在電路板（PCB）的設(shè)計(jì)上，我們可以使用多層地，增加熱傳導(dǎo)和熱循環(huán)，這種設(shè)計(jì)同樣會(huì)增加電路板（PCB）的可靠性。最重要的是優(yōu)化FPGA代碼設(shè)計(jì)，使得FPGA工作在一個(gè)合適的時(shí)鐘頻率上，既能滿足性能的要求又不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的功率消耗。

圖2 采用Xilinx Spartan-6 FPGA設(shè)計(jì)的圖像采集模塊

通過(guò)以上各方面的散熱考慮，如上圖我們最終實(shí)現(xiàn)的板卡能夠在125攝氏度的環(huán)境溫度下正常工作，具有的功能包括SDRAM管理，總線通信以及圖像采集處理，當(dāng)然能否滿足系統(tǒng)要求還需要進(jìn)行實(shí)地測(cè)試和老化測(cè)試等，只有滿足這些才能算是一個(gè)合格的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

綜上所述系統(tǒng)散熱解決方案還是有很多方面可以作為切入點(diǎn)的，重要的是結(jié)合系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境綜合選擇合適的方法。