電磁兼容設計在水聲探測浮標系統中的應用

牛志華,崔華義

（國家海洋技術中心，天津300112）

電磁兼容設計在水聲探測浮標系統中的應用

牛志華,崔華義

（國家海洋技術中心，天津300112）

隨著現代科學技術的發展，水聲探測浮標系統也向著高靈敏度、高集成度、高可靠性方向發展，其對浮標系統的電磁兼容性能的要求越來越高。結合電磁干擾的形成因素及電磁干擾的傳播途徑等理論，分析了水聲探測浮標系統在測量過程中出現的毛刺、尖刺等影響系統正常工作的干擾現象形成原因，提出了電磁兼容的改進措施，根據浮標系統結構等設計特點，主要采用了屏蔽、優化電路、隔離設計等抗干擾措施，并給出了改進后的測試結果，實驗證明，在進行設備或系統邏輯及功能設計的同時，必須進行電磁兼容設計，才能充分保證系統的高可靠性。

EMC；電磁干擾；EMC設計

電氣和電子設備的種類及數量的增加以及電能消耗量的加大，不必要的電磁能量也隨之加大，由此將伴隨產生大系統的誤動作；20世紀40年代為了解決飛機通信系統受到電磁干擾造成飛機事故的問題，開始較為系統地進行電磁兼容技術的研究。20世紀60年代以來，現代科學技術向高頻、高速、高靈敏度、高安裝密度、高集成度、高可靠性方向發展，對其電磁兼容性能的要求越來越高。

據國際電工委員會(IEC)的定義，電磁兼容(EMC)指的是設備或系統在其電磁環境中能不受干擾地正常工作，而且其自身所發出的電磁能量也不至于干擾和影響其他設備的正常運行。同時這些設備也會從其他電子設備產生的電磁場中吸收能量，使自己不能正常工作。事實上，這種相互影響不僅存在于設備與設備之間，同時也存在于元件與元件之間，部件與部件之間、系統與系統之間，甚至存在于集成電路內部。

干擾的形成包括干擾源、傳播途徑和被干擾對象。任何形式的自然或電能裝置所發射的電磁能量，能使共享同一環境的人或其它生物受到傷害，或使其它設備、分系統或系統發生電磁危害，導致性能降低或失效，即稱為電磁干擾源。例如雷電、靜電、無線電磁波等。傳播途徑一種是以金屬導體以及電感、電容、變壓器或電抗器等為載體，其特點是載體在傳導電磁干擾信號的同時也消耗干擾源的能量。另外一種是以電磁波的形式向所處空間輻射干擾，其特點為干擾源對外輻射能量具有一定的方向性，并且輻射的能量隨著距離的增加而逐漸減弱。兩種傳播途徑在傳播過程中可以相互轉換。能量低的往往會成為被干擾對象，而恰恰這部分是設計最薄弱的地方，需要采取一定的抗干擾技術才能保證系統的正常運行。

水聲探測浮標系統在定型后的前兩年，電磁干擾和電磁兼容問題并沒有完全體現出來，但隨著科學技術的高速發展，尤其是電子產品淘汰更新周期很快，新生產的水聲探測浮標系統也只能選用高速的數據采集和處理系統，從理論上說系統的性能應該有所提高，但電磁干擾問題卻越來越突出，導致系統性能下降，甚至有時不能正常工作。采集的噪聲信號被系統噪聲淹沒，根本無法提取，為了解決該問題，在系統設計過程中注重了電磁兼容設計。

1 水聲探測浮標電磁干擾分析

在水聲探測浮標系統中電磁干擾的傳播途徑主要有兩種，一種是干擾源在空間上的輻射耦合，干擾通過電磁波的形式耦合到敏感設備上。為滿足系統小型化的要求，結構設計緊湊，使得系統內部各部分之間的間距很小，導致空間輻射的能量大部分傳導給敏感設備。在該系統中敏感設備主要有采集卡、水聽器和GPS接收機。干擾源主要有大功率電臺和工控機，工控機既是一個干擾源也是敏感設備。電臺發射時，采集卡采集的原始數據上有很大的尖刺干擾，如圖1所示，同時GPS接收機無法正常接收GPS信號，導致浮標無法正確定位，干擾嚴重時導致單片機控制系統復位、工控機死機。

電磁干擾另外一種傳播途徑就是通過導線的傳導耦合，它可通過電源線、信號線，當金屬導線流過的電流較大時，就可以轉化為輻射耦合，把干擾輻射到距離導線較近的敏感設備上。水聲探測浮標系統水聽器信號的輸入端、電臺發射饋線輸入端、GPS天線輸入端都在不銹鋼圓筒頂蓋的同一端，如圖2所示，使得水聽器信號線和GPS接收線很容易受電臺饋線的輻射干擾的影響。

圖1 電臺發射時產生的干擾信號

圖2 不銹鋼圓筒頂蓋

2 水聲探測浮標的電磁兼容設計

電子設備的各個組成部分在一定空間上形成一個具有相互作用的電磁環境，電磁環境包括了空間、時間和頻譜這些要素，因此控制或降低干擾源的輻射能量、切斷電磁干擾的耦合途徑、同時提供敏感設備或系統的抗干擾能力是電磁兼容設計的主要內容。對浮標的電磁兼容設計主要采用了以下幾種方式：

2.1 屏蔽設計

消除輻射干擾最有效的方法是采用屏蔽，按屏蔽的對象不同可分為主動屏蔽和被動屏蔽，即屏蔽噪聲源或屏蔽敏感設備。屏蔽的作用原理是利用屏蔽體對電磁能流的反射、吸收和引導作用，而這些作用是與屏蔽結構表面上和屏蔽體內感生的電荷、電流與極化現象密切相關的，從結構設計上充分利用結構體來作為屏蔽體，可達到一舉兩得的效果。

屏蔽體的設計的原則涉及到多個方面包括敏感設備所處的電磁環境、接收機的敏感度，選擇適當的材料、根據材料的電導率、磁導率設計材料的厚度等等。根據這一設計原則，以及水聲探測浮標使用環境的要求，設計室選用了不銹鋼材料作為屏蔽材料，其屏蔽效果要低于其他的金屬材料，但符合環境使用的要求（其他材料不太適合環境要求）。由于安裝結構要設計為圓柱體，其內的空間有限，在里面采取屏蔽干擾源有些困難，另外由于電臺功率較大，如果屏蔽空間小不利于散熱可能導致電臺發射功率下降甚至燒毀發射管。最后采用了從空間上把干擾源與敏感設備分開，并分別屏蔽的辦法來設計安裝結構。電臺和工控機采集系統分別設計在兩個筒內。水聽器輸入信號電纜與電臺饋線分開安裝的設計，符合了不相容信號線不平行走線的原則。

2.2 優化電路板的設計

電源控制板的設計，在功耗允許的范圍內盡量采用線性穩壓芯片，尤其是為模擬電路供電部分，對電源紋波的要求較高；盡量少用DC－DC電源轉換模塊，避免引入高頻干擾；單獨為各個單元供電，不相容的電路應遠離，每級電源輸入輸出端增加濾波電路，減少子系統間的相互干擾；充分考慮PCB板上地線的走線方式，給模擬電路和數字電路供電的地線分開布線，最后采用單點接地的方式；采用CMOS功率管代替繼電器控制采集系統的供電，減少開關時的噪聲。

2.3 隔離設計

為了抑制由于地電位差產生的地環路干擾，控制器與電臺MODEM、GPS的通訊采用光電耦合技術，如圖3所示，兩部分電路分別由兩組電池供電。 大大降低了電臺對采集系統以及對模擬電路的干擾。

圖3 光合耦合切斷地環路

2.4 設備內的布線

設備內布線原則：不相容的信號線不要平行走線，更不能綁扎在一起；在本系統中水聽器的信號線不應和電源線綁扎在一起。電源線盡量選用雙絞線；射頻信號選用同軸電纜，阻值一定要匹配。

3 改進后的效果

3.1 保證了記錄信號的一致性

改進后，數據信號幅度大致相等，信號變化趨勢一致性較好（如圖4所示）。

3.2 解決了記錄信號的寫硬盤干擾和記錄信號的不明尖刺

干擾問題

對原浮標記錄的數據進行全文件分析，發現數據中存在的寫硬盤干擾和不明原因的尖刺干擾，如圖5所示。浮標改進后，上述干擾都已解決，記錄數據基本呈白噪聲分布，如圖6所示。

3.3 解決了記錄信號的電臺發射干擾問題

浮標系統改進前，電臺發射時會引起測量信號出現異常，信號幅度高達1 Vpp，每次發射對信號影響的持續時間約12 s，圖7是系統整體放入水中時記錄的電臺發射對數據的影響。浮標改進后，在空氣中測量時，電臺對測量數據的影響在強度和持續時間上都不存在了，如圖8所示。

圖4 各個通道的數據一致性比較

圖5 改進前浮標記錄的數據文件中存在的各種干擾圖

圖6 改進后浮標記錄的噪聲數據基本呈白噪聲分布

圖7 改進前電臺發射對信號的影響

圖8 改進后電臺發射對信號的影響消失

4 結論

浮標通過電磁兼容設計其性能已大大提高，為水聲調查提供了先進的技術裝備。通過這次水聲探測浮標的改進，可以總結出：電磁兼容性是電子設備或系統的主要性能之一，電磁兼容設計是實現設備或系統規定功能、使系統效能得以充分發揮的重要保證。在進行設備或系統功能設計的同時，必須進行電磁兼容設計。電子設備或系統設計的重點已由邏輯設計和功能設計轉移到電磁兼容設計上來了。

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Abstract：Along with the development of modern science and technology,acoustic detection buoy system also evolves towards high sensitivity,high level of integration,high reliability.The electromagnetic compatibility of buoy system needs to be improved.Based on the formation of electromagnetic interference factors and electromagnetic interference transmission theory,the interference phenomenon formation reasons of burr and spikes during measuring process of underwater acoustic detection buoy system are analyzed.The improvement measures of electromagnetic compatibility are put forward.According to buoy system structure,the shielding,optimizes circuit,isolation design anti-interference measures are adopted.The improved test results and experimental results prove that the equipment or system logic and functional design must undertake EMC design to guarantee system of high reliability.

Key words：EMC;EMI;EMC design

Application of Electromagnetic Compatibility Design in System of Acoustic Detection Buoy

NIU Zhi-hua,CUI Hua-yi
（National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China）

TB565

B

1003-2029（2011）01-0020-04

2010-05-28