UHP光源舞台灯具控制系统抗干扰技术*

彭颖茹 蒋伟楷 林学贵 戴健旭 韩笑

（广州市浩洋电子有限公司）

UHP光源舞台灯具控制系统抗干扰技术*

彭颖茹 蒋伟楷 林学贵 戴健旭 韩笑

（广州市浩洋电子有限公司）

UHP光源的舞台灯具包含调焦、图案盘、切割和CMY染色等多套系统，系统采用多单片机控制和网络控制，结构复杂。本文对控制系统采取全面的电磁兼容设计，防止大功率镇流器和开关电源对系统影响，提高可靠性，并根据干扰源的性质和形式，从硬件、软件和电源等方面采取一系列抗干扰措施，克服了系统的不稳定性和干扰的影响，取得较好效果。

抗干扰；电磁兼容；屏蔽；接地；软件抗干扰

1 引言

UHP灯泡（Ultra High Performance）属于冷光源的超高压汞灯泡，具有体积小、寿命长、色谱较宽等优点，已普遍用于投影机和大屏幕背投电视上，取得较好效果。本项目舞台灯具采用新型UHP光源，相对于其它普通光源灯具，大大提高了光效和灯泡寿命，节能效果显著，产品出口欧美。由于出口产品对电磁兼容等方面有严格标准，必须通过相应EMC标准测试。UHP光源舞台灯具不仅功率密度增加、体积缩小，且大功率高压电子镇流器和开关电源对控制系统产生干扰，因此系统抗干扰和可靠性非常重要[1～3]。

UHP光源舞台灯具控制系统工作环境比较特殊和复杂，要求系统具有较高可靠性和安全性。舞台灯具系统包含调焦、图案盘、切割、CMY染色和无线遥控等多套系统，结构复杂，需采用多单片机控制。影响系统可靠、安全运行的主要因素是来自系统内部和外部的各种电气干扰及系统结构设计、元器件选择、安装、制造工艺和外部环境条件等。最大限度地降低大功率镇流器和开关电源等对单片机系统的干扰，以提高系统的可靠性。

2 电路系统结构与电磁兼容分析

图1为舞台灯具控制系统电路结构图，采用多路开关电源和多单片机控制，提高系统抗干扰性和稳定性。系统采用模块化结构，增加功能只需要增加控制板，所有控制都采用AVR单片机。

图1 控制系统电路结构图

由图1可知干扰源主要有三类：① 内部高压电子镇流器，灯泡启动时镇流器产生2kV～5kV的驱动电压，正常工作时80V～100V电压；② 开关电源和灯泡等产生的干扰；③ 外部电源干扰，包括电源和变压器空间辐射、开关电源耦合干扰、信号通道和通信电路中阻抗不匹配、du/dt、di/dt干扰等。干扰通过空中电磁波、信号线和电源线等通道传播。

UHP舞台灯具电磁兼容设计采用了主动预防、整体规划的方案，按照规范进行设计和测试，使系统尽量减小电磁干扰的影响及对其它电子设备产生影响。针对干扰的产生来源、传播途径、侵入位置和形式，采取“综合治理”的措施，从硬件、软件和电源等方面采取一系列抗干扰措施[1,3～5]，抑制耦合通道、减弱电路对噪声干扰的敏感性。

3 硬件抗干扰措施

采用多种硬件抗干扰措施可以削弱或抑制绝大部分干扰。本文主要采用电源滤波技术、隔离技术、屏蔽技术、接地技术和去耦电路等抗干扰措施[1,3,4]。

3.1电源抗干扰

舞台灯具强弱电混合一体，弱电部分容易受强电干扰，采用强弱电隔离、分路供电等手段减少对单片机系统的干扰。步进电机驱动电路采用有隔离的交流85V～265V宽输入范围、24V输出开关稳压电源，控制回路再变压稳压。每块控制板采用34063电源模块连接电感，提供5V单片机稳压电源，不会受到导线细小或负载跳变的影响，提高电源可靠性。

电源干扰抑制主要采用隔离、滤波和屏蔽层等方法。在变压器初、次级间插入接地的屏蔽层，能使干扰电压通过屏蔽层旁路掉，从而减小输出端共模干扰电压。在电源输入端加如图2所示的抗干扰滤波器，具有双向抑制作用，C1抑制高频差模干扰；C2和C3抑制高频共模干扰；L1磁环中两个线圈15圈绕向相同，可有效抑制回路的共模干扰；在交流电源输入端采用RV压敏电阻，该器件在超过阈值电压后阻抗急剧下降，对尖峰电压有强抑制作用。

图2 电源抗干扰滤波器

3.2 屏蔽技术

UHP舞台灯具控制系统屏蔽主要针对内部镇流器、开关电源、割断电场、高频磁场或电磁场耦合的空间耦合通道，相对于外部干扰，灯具本身就是一个屏蔽体。

镇流器与开关电源的屏蔽。镇流器采用由导电性能良好的完整闭合铜作电场屏蔽体，需要良好接地；而开关电源的磁场屏蔽采用铁磁材料，可不必接地，以防止辐射干扰。

3.3 信号隔离

信号隔离可分为对模拟信号和数字信号的隔离。输入数字信号采用光电耦合器，隔离传导干扰的能力可以达到500V～1kV。光电耦合器输入输出采用不同电源，而且不能共地。输出数字信号采用继电器和光控可控硅隔离，继电器的线圈和触点之间没有电气上的联系，避免强电和弱电的直接接触，实现了抗干扰隔离。

模拟信号有线性光电隔离、变压器隔离和数字端光电隔离三种方法，舞台灯具只有两个风扇电机调速是模拟输出信号，采用PWM信号的数字输出和光电隔离，控制风扇电机的转速。

3.4 接地技术

单片机系统良好接地可以在很大程度上抑制系统内部噪声耦合和外部干扰的侵入。系统中采用多种接地方式，强电是采用电网接地方式，即黄绿线接电源地；内部弱电电源采用浮地方式。在模块传输信号中采用双绞线可以有效防止干扰，其中双绞线中一根作信号线，另一根两端接地可以防止电磁干扰，所以在不同的场合要采用相应的接地方式。

单片机信号线屏蔽线接地。控制系统内部较长的低频信号线用金属编织屏蔽线连接，在靠近镇流器干扰严重的一端屏蔽层单点接地，避免两端接地电阻压降造成干扰耦合。对于高频通信线，信号线长度超过信号波长的1/4，采用两端接地或多点接地，以减少接地阻抗和防止电缆传输中反射干扰。

晶振外壳需要接地，且在晶振时钟线上加滤波电容。晶振周围都是高频电路，需要采用地线包围以减少干扰。在高频的电路板上走线，相当于电容、电阻和电感三者的串联，会产生高次谐波，晶振布局如果靠近电路板边缘或走线过长，会充当发射天线。

3.5 去耦电路

数字电路信号在快速电平转换时会产生很大冲击电流，并在传输线和供电电源内阻上产生较大压降，形成严重脉冲噪声。为此在数字电路接口部分加入RC滤波环节，抑制脉冲噪声。每个芯片配置去耦电容，既可吸收集成电路开关瞬间充放电能量，又能旁路掉该器件的高频噪声，可有效抑制干扰。一般去耦电容取0.1μF，驱动芯片取0.33μF，以加大充放电容量。

4 软件抗干扰措施

窜入单片机系统的干扰频谱很宽，硬件抗干扰措施只能抑制某个频段干扰，仍有一些干扰会侵入系统，还要采用软件抗干扰措施[5]。

(1) 通信抗干扰技术。舞台灯具通过DMX-512接口协议与控台连接形成网络，为避免DMX512信号传输受干扰，通过设置，在DMX512传输信号末端接终端器，即在最后一台灯具的XLR信号输出口2、3插脚之间接120欧姆电阻。

(2) 系统软件陷阱技术。当乱飞程序进入非程序区或表格区，采用冗余指令不能使程序进入正常轨道时，可以设定软件陷阱，拦截乱飞程序，将其引向一个指定初始位置。为了提高抗干扰性能，将陷阱指令组分散放置在用户程序各模块之间的空余单元里。正常程序不执行这些陷阱指令，当程序乱飞落到这些陷阱区时，自动将乱飞程序拉到正确轨道。

(3) “看门狗”技术。当程序飞到一个无程序区或PC指针指向一个不存在的地址时，采用看门狗技术使程序脱离死循环。ATmega 8位单片机内部有一个相对独立的计数自动重启部件，启动后一旦单片机程序出问题，不在一定时间内清除计数值，就会出现计数最高值溢出，使单片机重启复位。

5 电磁兼容测试

产品出口欧美必须通过严格的EMC测试[2]，该产品按照EN55015和EN61000的标准，对电磁骚扰和电磁干扰等10多项指标进行严格测试，如电磁骚扰的磁场发射、辐射发射和谐波电流发射等指标，电磁抗干扰的静电放电试验、射频场强度的敏感性试验、电快速瞬变脉冲群试验、磁场抗扰性试验等。辐射骚扰电磁场的测试往往难以达到，图3为初次测试结果，不规则曲线为测试线，可见在40MHz、83MHz和108MHz时都超标，最大超标10%。经过分析并采取整改措施：底板加屏蔽处理、总电源输入端加铁氧体共轭磁环、开关电源和镇流器输入端串入低损耗滤波器。整改后测试曲线如图4所示，完全达到指标要求。2011年3月通过了严格的CE认证，达到欧盟电磁兼容技术标准。

图3 辐射骚扰电磁场初次测试曲线(垂直极化)

图4 辐射骚扰电磁场整改测试曲线(垂直极化)

6 结束语

基于UHP灯泡的舞台灯具控制系统具有结构紧凑、强弱电结合和多单片机的特点，容易受到干扰，大多数干扰是一些常见的噪声源和耦合途径，例如大功率镇流器和开关电源的噪声干扰。虽然欧盟对于EMC标准要求严格，但是只要系统地采取抗干扰的方法，并对一些突出干扰采取针对性措施，根据结构和电路的实际情况将这些方法有效地结合使用，就能达到最佳抗干扰效果。

[1] 安红战,周亚焱.单片机抗干扰技术应用探讨[J].机床电器,2011,38(1):40-41.

[2] 郭远东.LED舞台灯电磁兼容整改实例[J].江南大学学报(自然科学版),2011,10(9):63-66.

[3] 王幸之,王雷,钟爱琴,等.单片机应用系统电磁干扰与抗干扰技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.

[4] 李志宇.单片机控制系统抗干扰设计[J].电子测量技术,2007,30(6):100-102,117.

[5] 覃毅,汤荣江,等.单片机应用系统的软件抗干扰措施[J].广州:单片机开发与应用,2007,23:101-103.

Anti-Interference Technology of UHP Lamp Stage Lighting Control System

Peng Yingru Jiang Weikai Lin Xuegui Dai Jianxu Han Xiao
(Guangzhou Hao Yang Electronic Co. Ltd)

The UHP lamp stage lighting contains several sub-systems including focus, gobo wheel, profiling, CMY color mixing and network control system. Multi-chips control and wireless network control are always adopted for this system, which makes the structure too complicated. Electro Magnetic design is adopted for the control system and to prevent the impact of high power ballast and switch source on the system, thus increasing reliability and reducing the impact of the interfere on the system. This paper introduces a series of anti-interference measures in software, hardware and power source to overcome adverse effects of instability and interference according to the character and form of interfering sources.

Anti-Interference; Shied; Optoelectronic Isolate; Grounding; Software

广州市番禺区科技计划项目（2011-专02-4.20）

彭颖茹，女，1971年7月生，籍贯广东番禺，从事舞台灯光设备技术研发十余年。