基于嵌入式系统的军用测试平台主机系统电磁兼容性设计

马久河，陈冬根，高永生

（军械工程学院火炮工程系，河北石家庄 050003）

基于嵌入式系统的军用测试平台主机系统电磁兼容性设计

马久河，陈冬根，高永生

（军械工程学院火炮工程系，河北石家庄 050003）

对基于嵌入式系统的军用测试平台主机系统进行了电磁兼容性分析，介绍了该测试平台主机系统硬件及软件的电磁兼容性处理，实测表明：经过软硬件电磁兼容处理后，该系统的测试精度及小信号识别能力得到了很大提高。

嵌入式系统；测试平台主机；电磁兼容性设计

近年来，基于PC／104模块的嵌入式工业控制系统在军事装备测控领域得到了广泛应用。该嵌入式PC模块具有超小尺寸、超低功耗、宽温特性及一系列针对嵌入式应用的功能扩展，由该模块组成的军事测控系统具有小型化、高品质、高可靠性、工业级、长寿命等诸多优点。由采集卡ADT800和主机板LX3060组成的PC／104嵌入式系统构成了本文所讨论的军用测试平台主机系统的核心模块。

该军用测试平台可在对装备不解体、不改装的条件下，完成某型装备电气液压系统的性能检测及故障诊断。该测试平台的原理框图如图1所示，其可同时对某型装备液压调平系统多个测试点的液压管路压力、液压缸动作速度、液压缸位移、调平精度及保持情况、放大器输入输出等参数近30路信号进行实时监测。

图1 测试平台的原理框图

由于该军用测试平台测试信号种类繁多，各传感器及变送器获得的信号电压范围较大，有时部分信号的测试精度需要达到毫伏级，为此需要认真评估该测试平台的电磁兼容性（EMC）［1］。

1 测试平台电磁兼容性分析

测试平台的电磁兼容性设计是硬件设计的重中之重。一般来讲，产生电磁干扰效应必须具备3个基本条件［2］：电磁干扰源、干扰传播途径和敏感设备。根据电磁兼容理论，通过对测试平台结构与组成的分析，可知测试平台电磁干扰源主要为系统内电源、连接电缆、设备与模块及环境中的辐射干扰源等。

1）电源 测试平台中的供电电源为交、直流输入，4路直流输出电源，其输出线的周围存在低频电场和磁场的干扰，这些电源与整个系统的各设备或模块都有导线连接，所以电源产生的干扰能量主要以传导传输方式引入各个模块，造成系统中的传导耦合干扰。

2）设备与模块 测试平台内PC／104模块、信号源、脉冲数字模块、电感性器件等设备，都会产生高次谐波，它们不仅传导进入电源线，而且还向平台内部空间辐射，是频谱很宽的干扰源［3］。

3）连接电缆 电缆内导线与导线之间同时存在电场和磁场的耦合，系统内某些设备工作在高频状态，其中包含着丰富的高次谐波分量，它们以传导和辐射的方式影响系统的性能。

4）环境干扰 测试平台使用环境中，装备自身及装备的供电电站上的大功率设备都会产生电磁波，并对测试平台及装备本身产生干扰。

2 测试平台硬件电磁兼容性处理

根据上述分析，该测试平台的硬件电磁兼容性处理包括电源、机箱、主要部件等的处理。

2．1 电源的电磁兼容性处理

测试平台主机电源要求满足全系统用电设备需求，包括主机板、采集卡、信号板、各传感器及变送器等诸多设备。为满足部队实际需求，主机电源设计为220 V市电和12 V直流双输入，＋5 V，＋12 V，－12 V及＋24 V 4路输出，该电源为模块化的开关电源，其内部的高频变压器（500 k Hz）是一个很强的电磁干扰源。在设计主机电源时，提出的对纹波系数的要求为0．5%，该纹波系数能满足大部分测试信号的技术要求，但无法实现对个别小信号的识别，为此需要对电源进行电磁兼容性处理。根据对该电源的工作原理及结构的分析，为电源各分模块增加了共模电感和输出电容，所增加的共模电感和输出电容参数均经过理论计算并利用示波器进行反复测试，以确定最佳滤波方案。表1为对电源各模块增加的电感和电容；表2为电源改进前后各输出单元的纹波极值，由表2可知：各直流输出模块的纹波降低了约1个数量级。

表1 对电源各模块增加的电感和电容

表2 电源改进前后各输出单元的纹波极值

电源输出端与各用电设备通过金属导电片进行连接，这些导电片暴露在测试平台主机机箱内，会产生辐射干扰信号，对测试平台主机机箱内部各用电设备产生辐射干扰，为此，设计了电源输出端电磁屏蔽罩，该屏蔽罩为铝制，用以屏蔽电源输出端的电磁辐射，如图2所示，还对电源壳体进行了可靠接地。

2．2 机箱的电磁兼容性处理

主机机箱用于结合测试平台主机系统的全部硬件，机箱的结构对测试平台电磁兼容性至关重要，对机箱的电磁兼容处理主要有如下几个方面。

2．2．1 机箱的内屏蔽性处理

要求机箱结构要有很好的电磁屏蔽性，包括内屏蔽及外屏蔽。内屏蔽的设计主要是对测试平台主机机箱增加了4 mm厚的机箱隔板，机箱内部各部件依功能及电磁兼容理论，采用背靠背的形式合理地布置在隔板两侧。中间隔板面积较大，将机箱分为前舱和后舱，前舱结合有PC／104系统，可对信号进行采集、运算及显示；后舱结合有信号板，可对信号进行整形、滤波、分类、微继电器驱动、适配等进入采集卡前的预处理。机箱前后舱的结构设计有效降低了机箱内部各部件间的电磁互扰。机箱的内屏蔽处理如图2所示。

2．2．2 机箱的外屏蔽性处理

机箱的外屏蔽处理主要是屏蔽来自外界的环境干扰，主要措施包括电磁密封衬垫的应用及机箱散热孔结构的改进。对机箱缝隙如各航插板与航插板的结合处、USB口等部位增加导电橡胶衬垫［4］作为电磁密封垫；将机箱的直通式散热孔改为百叶窗式散热孔，散热孔结构如图3所示。

图2 机箱内部结构

图3 机箱侧面板

2．2．3 机箱的布线处理

机箱内部线缆的布局对系统的电磁兼容性也会起到很大的作用。机箱的布线处理主要是信号线的处理及地线的设计。对信号线的处理应按信号功能和信号的幅值进行分类布置，必要时对航插板输入端各信号进行П型滤波，对需要进行高精度识别的信号线缆采用屏蔽线。考虑到电路各部分回流到地的电流具有差异性，低电位的变化引入干扰，采用单点接地法，使电源工作稳定，减少自激。

2．3 主要部件的电磁兼容性处理

测试平台主机系统的主要部件除电源及显示屏外，还有PC／104主机板、采集卡及信号板。该测试平台主机系统主要部件的电磁兼容性处理主要是针对主机板和信号板的处理。

2．3．1 主机板的滤波处理

由采集卡ADT800和主机板LX3060组成的PC／104嵌入式系统构成了该测试平台主机的核心，根据理论计算和实测试验，对LX3060的电源输入端加焊3只滤波电容，型号为C1206，如图4所示。

2．3．2 信号板的电磁兼容性处理

主机信号板用于将各被测信号引入到采集卡中。考虑到采集卡最大具有16路模拟信号输入，而实测信号有近30路，必须采用微继电器控制才能满足采集卡要求，该信号板设计为数字信号驱动微继电器从而控制信号的采集批次，根据信号类别，结合软件设计要求和调平系统测试的便利性确定微继电器控制电路通断时信号采集的类别和微继电器控制电路的数量。但该微继电器控制电路存在着电磁兼容性问题：一方面，作为感性负载的线圈，它的通断过程会产生很大的尖峰电压，必须予以抑制；另一方面，在开关过程中，继电器和接触器的触头会产生火花和电弧现象，造成干扰。为此，必须采用密封型微继电器，且选择的继电器线圈工作电流应在满足系统要求的基础上尽可能的小；对微继电器在信号板上的安装位置要精心选择，其应与信号线保持合理的距离；要在微继电器开关触头上并联RC回路，抑制火花产生，减少瞬变干扰。

图4 主机板的滤波处理

图5 信号板的滤波处理

2．3．3 信号板的滤波处理

由于信号板上安装有全部电量信号的变送器，该变送器具有较强的滤波功能，为此仅对信号板电源输入端及非电量信号输入端增加滤波电容，如图5所示。经实测试验选择滤波电容的型号为CL，其中倾角信号的滤波电容改加在采集卡输入端（考虑到该路信号要实现高精度的角度测量），其他非电量信号的滤波电容加在信号板输入端。

3 测试平台软件电磁兼容性处理

测试平台主机系统在硬件电磁兼容性处理基础上，通过软件滤波的方法对主机系统进行软件电磁兼容性处理，以进一步提高系统测试精度和分辨率。

对压力、速度和电量等信号，根据信号特点采用即时平均算法即可满足系统要求。但在调平精度测试中，由于倾角变化幅值非常小，对倾角信号的处理就不能简单地采用即时平均算法，具体算法如下。

3．1 数据规整化处理［4］

主要采用的方法是剔点处理，以删除过大或过小的毛刺点，并加入合适的插值点；为了防止在以后的信号处理计算过程中出现溢出现象，信号采集后需要进行取均值与归一化处理，处理步骤如下。

1）取数据点序列x（n）的均值：

3．2 最小均方自适应滤波处理

剔点处理及规整化步骤完成后，还需要滤除信号中包含的高频噪声分量，采用最小均方自适应滤波算法［5］，其具体步骤如下：

1）初始化参数ω（n）＝0，接着，对每一次采样进行以下各步循环运算；

3）更新滤波器权重系数，为了简化梯度的计算，可以利用｜e（n）2｜作为均方误差的估计值，则瞬时梯度计算公式：ω（n）＝ω（n－1）＋μ（n）e（n）x（n），n＝1，2，…，N。ω（n）为在n时刻的滤波器权值系数；e（n）为滤波器在n时刻的估计误差；μ（n）为n时刻的更新步长因子；d（n）为期望响应，当期望信号未知时，可直接用滤波器的实际输出y（n）代替d（n）；x（n）为输入信号［6］，完成上述工作后循环返回到步骤（2），直至e（n）满足要求。图6为自适应滤波器的一般结构。

4 测试平台试验结果对比

图6 自适应滤波器的一般结构

测试平台主机系统经过软硬件电磁兼容性处理后，进行了装备电气液压系统测试试验，试验结果表明小信号的识别能力提高了一个数量级。下面以倾角信号为例介绍电磁兼容处理前后的试验结果。电磁兼容处理前，倾角测试可识别10个密位的倾角变化量，电磁兼容处理后可识别0．2个密位的倾角变化量，图7、图8分别为电磁兼容处理前、后倾角信号零度时的数据曲线波形。

图7 电磁兼容性处理前倾角信号零度时的波形

图8 电磁兼容性处理后倾角信号零度时的波形

5 结 语

笔者对基于嵌入式系统的军用测试平台主机系统进行了电磁兼容性分析，详细介绍了该测试平台主机系统硬件的电磁兼容性处理，包括电源、机箱以及主要部件的电磁兼容性处理；在硬件电磁兼容性处理的基础上，对该系统的软件滤波作了简要的介绍。实测表明：经过软硬件电磁兼容处理后，该系统的测试精度及小信号识别能力得到了很大的提高。

［1］ 杨克俊．电磁兼容原理与设计技术［M］．北京：人民邮电出版社，2004．

［2］ 郭银景，吕文红，唐富华，等．电磁兼容原理及应用教程［M］．北京：清华大学出版社，2004．

［3］ 董其义．导弹自动测试系统电磁兼容性分析与测试研究［J］．海军航空工程大学学报，2009，24（5）：556－558．

［4］ 杨晓玲．医用开关电源的电磁兼容性设计［J］．中国医疗器械杂志，2009，33（5）：351－353．

［5］ PARK J W，LEE J W．A Lane－carve detection based on an LCF［J］．Pattern Recognition Letters，2003，24（14）：2 301－2 313．

［6］ SONG Ji－qiong，LYU M R．A Hough transform based line recognition method utilizing both parameter space and image space［J］．Pattern Recognition Letters，2005，38（4）：539－552．

TP302

A

1008－1542（2011）07－0104－05

2011－06－20；责任编辑：王海云

马久河（1975－），男，黑龙江鸡西人，讲师，硕士，主要从事火炮检测与维修方面的研究。