基于IEC EFT试验的自动测试系统隔离接口适配器设计

2016-02-02何进松

山东工业技术 2016年22期

关键词：自动测试适配器机柜

何进松,蒋磊

（1.上海电子信息职业技术学院,上海 201411;2.国核自仪系统工程有限公司,上海 200241)

基于IEC EFT试验的自动测试系统隔离接口适配器设计

何进松1,蒋磊2

（1.上海电子信息职业技术学院,上海 201411;2.国核自仪系统工程有限公司,上海 200241)

针对核电、军工等行业设备在恶劣应用环境的EMC的高要求，目前国际工业通用的自动化仪器设备通常满足不了要求，定制化成本过高，因而需要在接口适配器端进行设计，屏蔽EMC试验过程中测试系统带来的影响并且保护测试系统。

电快速瞬变脉冲群抗扰度试验;隔离；接口适配器;自动测试系统;电磁兼容

0 引言

EMC试验的目的是为了证明设备抵御外界电磁干扰的能力，因此需要进行辐射抗扰度及传导抗扰度等测试。针对核电、军工等行业设备在恶劣应用环境的EMC的高要求，设备在EMC试验中性能要求非常严格，通过标准也远高于商业品等级。

本文介绍基于自动测试系统的隔离接口适配器设计，实现测试系统与EMC试验设备信号耦合器隔离，从而在试验中屏蔽测试系统带来的影响并且保护测试系统。

1 EFT试验介绍

EFT是电快速瞬变脉冲群抗扰度试验的简称。目的是验证由闪电、接地故障、电源开关动作、或电路中继电器等电感性负载动作而引起的瞬时扰动对整个控制回路中产生干扰时，系统中控制及监测等部分（和PLC等器件）的抗干扰能力。这类干扰的特点是：脉冲成群出现、脉冲的重复频率较高、脉冲波形的上升时间短暂、单个脉冲的能量较低。由于脉冲群的单个脉冲波形前沿tr达到5ns，脉宽达到50ns，这就注定了脉冲群干扰具有极其丰富的谐波成分。幅度较大的谐波频率至少可以达到1/πtr，亦即可以达到64MHz左右，相应的信号波长为5m。信号在线上的传输过程中，部分可以通过传输线进入受试设备（传导发射）；部分要从线上逸出，成为辐射信号进入受试设备（辐射发射）。因此，受试设备受到的干扰实际上是传导与辐射的结合。在IEC61000-4-4标准内定义了试验要求和试验方法。

具体要求见表1测试等级表。

表1 测试等级表

注1：试验等级的说明：

第1级：具有良好保护的环境；第2级：受保护的环境；第3级：典型的工业环境；第4级：严酷的工业环境；第5级：需要加以分析的特殊环境。

注2：验收准则的说明：

性能等级A：在试验过程中和试验之后，设备应能按预定要求工作。在设备按预定要求使用时，不应出现制造商所规定的性能等级以下的性能劣化或功能丧失。

性能等级B：在试验之后，设备应能按预定要求工作。在设备按预定要求使用时，不应出现制造商所规定的性能等级以下的性能劣化或功能丧失。

性能等级C：允许暂时的功能丧失，但要求功能能够自己恢复或可以通过控制来进行恢复。

2 设计需求

以某平台保护系统样机的自动测试系统为例，本文仅列出EMC方面的系统测试需求。

1）试验通过IEC61000-4-4 Level 4等级，性能等级A类要求；

2）模拟量需求试验过程中模拟量精度变化不超过量程的3%；

3）开关量需求试验过程中开关量状态无变化；

4）串口通信需求试验过程中通信正常、无误码现象。

3 测试系统框架概述

根据测试需求，自动测试系统到试验对象之间的转接采用VPC 9025 Receive模块；VPC Receive模块通过ITA后与被测设备（EUT）进行连接。被测设备（EUT）对外传输的信号通过ITA后与ATS以及Data Logger进行监测。

4 接口适配器（ITA）设计

（1）设计原则。由于快速瞬变脉冲的特点，其干扰传播方式虽以传导为主，但由于其频谱带宽所致利用分布电容也是其重要传播方式之一，还有一部分是通过空间辐射进行干扰，可见要求研发人员对测试系统进行全面考虑，整体防护。

（2）整体设计。ITA接口适配器应采用金属机柜，保证机柜整体电气连结良好并可靠接地，接口适配器机柜面板上的开孔不能够太大、散热孔应开成圆形小孔(圆孔比长孔屏蔽效果好)，使机箱起到应有的屏蔽效果。将所有转换模块以及相关配件集成到机柜内，ATS自动测试系统VPC接口通过双绞屏蔽电缆连接到ITA机柜的连接器，ITA与EUT之间采用预制电缆与ITA机柜的连接器进行相连。接口适配器内所有信号均集成在机柜内，仅保留连接航插在ITA机柜表面分别与ATS以及EUT相连接。

（3）信号隔离设计。ITA内部信号直接应做到物理隔离和空间隔离，IO通道隔离选择Mini MCR-SL-UI-UI模块，RS422/485通信通道隔离选择485OPDR-HS模块。RS422/485单元通过由NI-PXI机箱的8431串行通信卡的连接器直接接入到ITA机箱面板连接器，后经过485OPDR-HS隔离模块隔离后，与被测系统预置电缆相连接。I/O信号单元独立走线通过Phoenix Mini MCR-SL-UI-UI隔离模块转接到自动测试系统。

（4）线缆要求。线缆采用双绞带屏蔽线缆，各通道屏蔽相互隔离，内层屏蔽采用编织屏蔽、外层屏蔽采用铜箔屏蔽，分别对应高频和低频的传导干扰的防护。各输入输出回路之间空间隔离，走线布置时输入输出电缆应采取不同的回路布置。线缆编织密度、双绞密度、以及芯线绝缘强度可根据试验效果进行增加或降低要求。

（5）供电要求。隔离模块应由隔离电源进行供电，确保隔离模块输入输出隔离。接口适配器外部电源采用220V隔离变压器后进行供电，实现与EUT供电网络和干扰源隔离。

（6）其他。接口适配器选用合理的接地方式，避免重复接地形成的接地回路，避免同一电缆内的反向接地走向，在试验时产生的次生干扰。接口适配器表面做好屏蔽防护，干扰信号能够通过接口适配器机柜金属表面快速释放掉。

5 EFT试验情况

试验按照IEC61000-4-4等级Level 4，在测试信号电缆上加±2000V电压，测试时间各1分钟，进行验证。

（1）未采用隔离接口适配器的自动测试系统EFT试验情况。图3为自动测试系统未使用隔离接口适配器在EFT试验下的表现，图片内的信号通过具有2000V通道隔离的性能的高速数据记录仪进行记录。

其中Water Level 4为NI国家仪器的PXI平台电路板卡模拟的4-20mA电流信号、Water level 6为0-10V电压信号由TDK-Lamda GEN系列直流隔离电源模拟、Temp 6a、6b、6c、6d由隔离热电偶模拟器发生的温度信号、可以明显看到在试验过程中源端受到了严重干扰，根据使用的信号源可以看出隔离仪器表现优于NI国家仪器的PXI平台电路板卡，但是隔离设备模拟的温度信号品质仍然满足不了设计要求和通过标准。

（2）采用隔离接口适配器的自动测试系统EFT试验情况。图4为采用隔离接口适配器的自动测试系统在EFT试验中的表现，信号采用同样的设备和方法进行采集。

其中4-20mA信号干扰抑制的效果最明显，Temp 6a、6b、6c、6d信号的锯齿纹路基本消失，Water level 6曲线完全平滑，满足设计要求。