基于IEC EFT試驗的自動測試系統(tǒng)隔離接口適配器設計

何進松,蔣 磊

（1.上海電子信息職業(yè)技術學院,上海 201411;2.國核自儀系統(tǒng)工程有限公司,上海 200241)

基于IEC EFT試驗的自動測試系統(tǒng)隔離接口適配器設計

何進松1,蔣 磊2

（1.上海電子信息職業(yè)技術學院,上海 201411;2.國核自儀系統(tǒng)工程有限公司,上海 200241)

針對核電、軍工等行業(yè)設備在惡劣應用環(huán)境的EMC的高要求，目前國際工業(yè)通用的自動化儀器設備通常滿足不了要求，定制化成本過高，因而需要在接口適配器端進行設計，屏蔽EMC試驗過程中測試系統(tǒng)帶來的影響并且保護測試系統(tǒng)。

電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗;隔離；接口適配器;自動測試系統(tǒng);電磁兼容

0 引言

EMC試驗的目的是為了證明設備抵御外界電磁干擾的能力，因此需要進行輻射抗擾度及傳導抗擾度等測試。針對核電、軍工等行業(yè)設備在惡劣應用環(huán)境的EMC的高要求，設備在EMC試驗中性能要求非常嚴格，通過標準也遠高于商業(yè)品等級。

本文介紹基于自動測試系統(tǒng)的隔離接口適配器設計，實現(xiàn)測試系統(tǒng)與EMC試驗設備信號耦合器隔離，從而在試驗中屏蔽測試系統(tǒng)帶來的影響并且保護測試系統(tǒng)。

1 EFT試驗介紹

EFT是電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗的簡稱。目的是驗證由閃電、接地故障、電源開關動作、或電路中繼電器等電感性負載動作而引起的瞬時擾動對整個控制回路中產(chǎn)生干擾時，系統(tǒng)中控制及監(jiān)測等部分（和PLC等器件）的抗干擾能力。這類干擾的特點是：脈沖成群出現(xiàn)、脈沖的重復頻率較高、脈沖波形的上升時間短暫、單個脈沖的能量較低。由于脈沖群的單個脈沖波形前沿tr達到5ns，脈寬達到50ns，這就注定了脈沖群干擾具有極其豐富的諧波成分。幅度較大的諧波頻率至少可以達到1/πtr，亦即可以達到64MHz左右，相應的信號波長為5m。信號在線上的傳輸過程中，部分可以通過傳輸線進入受試設備（傳導發(fā)射）；部分要從線上逸出，成為輻射信號進入受試設備（輻射發(fā)射）。因此，受試設備受到的干擾實際上是傳導與輻射的結合。在IEC61000-4-4標準內(nèi)定義了試驗要求和試驗方法。

具體要求見表1測試等級表。

表1 測試等級表

注1：試驗等級的說明：

第1級：具有良好保護的環(huán)境；第2級：受保護的環(huán)境；第3級：典型的工業(yè)環(huán)境；第4級：嚴酷的工業(yè)環(huán)境；第5級：需要加以分析的特殊環(huán)境。

注2：驗收準則的說明：

性能等級A：在試驗過程中和試驗之后，設備應能按預定要求工作。在設備按預定要求使用時，不應出現(xiàn)制造商所規(guī)定的性能等級以下的性能劣化或功能喪失。

性能等級B：在試驗之后，設備應能按預定要求工作。在設備按預定要求使用時，不應出現(xiàn)制造商所規(guī)定的性能等級以下的性能劣化或功能喪失。

性能等級C：允許暫時的功能喪失，但要求功能能夠自己恢復或可以通過控制來進行恢復。

2 設計需求

以某平臺保護系統(tǒng)樣機的自動測試系統(tǒng)為例，本文僅列出EMC方面的系統(tǒng)測試需求。

1）試驗通過IEC61000-4-4 Level 4等級，性能等級A類要求；

2）模擬量需求 試驗過程中模擬量精度變化不超過量程的3%；

3）開關量需求 試驗過程中開關量狀態(tài)無變化；

4）串口通信需求 試驗過程中通信正常、無誤碼現(xiàn)象。

3 測試系統(tǒng)框架概述

根據(jù)測試需求，自動測試系統(tǒng)到試驗對象之間的轉接采用VPC 9025 Receive模塊；VPC Receive模塊通過ITA后與被測設備（EUT）進行連接。被測設備（EUT）對外傳輸?shù)男盘柾ㄟ^ITA后與ATS以及Data Logger進行監(jiān)測。

4 接口適配器（ITA）設計

（1）設計原則。由于快速瞬變脈沖的特點，其干擾傳播方式雖以傳導為主，但由于其頻譜帶寬所致利用分布電容也是其重要傳播方式之一，還有一部分是通過空間輻射進行干擾，可見要求研發(fā)人員對測試系統(tǒng)進行全面考慮，整體防護。

（2）整體設計。ITA接口適配器應采用金屬機柜，保證機柜整體電氣連結良好并可靠接地，接口適配器機柜面板上的開孔不能夠太大、散熱孔應開成圓形小孔(圓孔比長孔屏蔽效果好)，使機箱起到應有的屏蔽效果。將所有轉換模塊以及相關配件集成到機柜內(nèi)，ATS自動測試系統(tǒng)VPC接口通過雙絞屏蔽電纜連接到ITA機柜的連接器，ITA與EUT之間采用預制電纜與ITA機柜的連接器進行相連。接口適配器內(nèi)所有信號均集成在機柜內(nèi)，僅保留連接航插在ITA機柜表面分別與ATS以及EUT相連接。

（3）信號隔離設計。ITA內(nèi)部信號直接應做到物理隔離和空間隔離，IO通道隔離選擇Mini MCR-SL-UI-UI模塊，RS422/485通信通道隔離選擇485OPDR-HS模塊。RS422/485單元通過由NI-PXI機箱的8431串行通信卡的連接器直接接入到ITA機箱面板連接器，后經(jīng)過485OPDR-HS隔離模塊隔離后，與被測系統(tǒng)預置電纜相連接。I/O信號單元獨立走線通過Phoenix Mini MCR-SL-UI-UI隔離模塊轉接到自動測試系統(tǒng)。

（4）線纜要求。線纜采用雙絞帶屏蔽線纜，各通道屏蔽相互隔離，內(nèi)層屏蔽采用編織屏蔽、外層屏蔽采用銅箔屏蔽，分別對應高頻和低頻的傳導干擾的防護。各輸入輸出回路之間空間隔離，走線布置時輸入輸出電纜應采取不同的回路布置。線纜編織密度、雙絞密度、以及芯線絕緣強度可根據(jù)試驗效果進行增加或降低要求。

（5）供電要求。隔離模塊應由隔離電源進行供電，確保隔離模塊輸入輸出隔離。接口適配器外部電源采用220V隔離變壓器后進行供電，實現(xiàn)與EUT供電網(wǎng)絡和干擾源隔離。

（6）其他。接口適配器選用合理的接地方式，避免重復接地形成的接地回路，避免同一電纜內(nèi)的反向接地走向，在試驗時產(chǎn)生的次生干擾。接口適配器表面做好屏蔽防護，干擾信號能夠通過接口適配器機柜金屬表面快速釋放掉。

5 EFT試驗情況

試驗按照IEC61000-4-4等級Level 4，在測試信號電纜上加±2000V電壓，測試時間各1分鐘，進行驗證。

（1）未采用隔離接口適配器的自動測試系統(tǒng)EFT試驗情況。圖3為自動測試系統(tǒng)未使用隔離接口適配器在EFT試驗下的表現(xiàn)，圖片內(nèi)的信號通過具有2000V通道隔離的性能的高速數(shù)據(jù)記錄儀進行記錄。

其中Water Level 4為NI國家儀器的PXI平臺電路板卡模擬的4-20mA電流信號、Water level 6為0-10V電壓信號由TDK-Lamda GEN系列直流隔離電源模擬、Temp 6a、6b、6c、6d由隔離熱電偶模擬器發(fā)生的溫度信號、可以明顯看到在試驗過程中源端受到了嚴重干擾，根據(jù)使用的信號源可以看出隔離儀器表現(xiàn)優(yōu)于NI國家儀器的PXI平臺電路板卡，但是隔離設備模擬的溫度信號品質(zhì)仍然滿足不了設計要求和通過標準。

（2）采用隔離接口適配器的自動測試系統(tǒng)EFT試驗情況。圖4為采用隔離接口適配器的自動測試系統(tǒng)在EFT試驗中的表現(xiàn)，信號采用同樣的設備和方法進行采集。

其中4-20mA信號干擾抑制的效果最明顯，Temp 6a、6b、6c、6d信號的鋸齒紋路基本消失，Water level 6曲線完全平滑，滿足設計要求。

6 結束語

電磁干擾的種類較多，傳播方式、干擾途徑不盡相同，對自動測試系統(tǒng)的可靠運行危害極大，若在試驗過程中不能有效地對測試系統(tǒng)進行防護，非常容易引起測試系統(tǒng)故障甚至損壞，從而導致試驗失效，應當引起我們足夠的重視。

本文設計的隔離接口適配器針對IEC61000 4-4的EFT（電快速瞬變脈沖群抗擾度）IEC 4-4標準的LEVEL 4的要求，信號精度變化滿足設計要求，在試驗的有效性上提供保障，同時在接口適配器設計中采用的手段和方法也可以借鑒到產(chǎn)品開發(fā)上，提高產(chǎn)品的電磁兼容性能。

[1]張波,陳巖申,張桂芝.外軍電子自動測試系統(tǒng)及其相關技術的應用與發(fā)展情況研究[J].計算機測量與控制,2002,10(01)：1-4.

[2]孫寶江,秦紅磊,胡文明,沈士團.自動測試系統(tǒng)適配器自動設計技術[J].航空學報,2007.

[3]IEC 61000-4-4 International Standard,International Electrotechnical Commission,2012(04).

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.22.106