鄧 皓，李 軍，張?zhí)m勇

(1.中航工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，西安 710016;2.哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱 150001)

隨著我國船舶事業(yè)的發(fā)展，船舶電子系統(tǒng)以及電氣設(shè)備日益增多，電子設(shè)備之間的通訊日益頻繁，尤其是開關(guān)電源的使用，使電磁兼容測試成為電磁兼容設(shè)計(jì)中非常重要的一項(xiàng)。目前大部分電磁兼容測試需要手工進(jìn)行，受到測試方法的影響，測試效率低、可靠性差，解決電磁兼容的快速可靠測試是一個十分重要和迫切的任務(wù)。通過對電磁兼容測試方法的研究，結(jié)合當(dāng)前電磁兼容性技術(shù)發(fā)展，本文在研究虛擬儀器構(gòu)建原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一套基于虛擬儀器的具有電磁干擾測試、數(shù)據(jù)分析和處理、數(shù)據(jù)存儲的電源線傳導(dǎo)發(fā)射測試系統(tǒng)。由于虛擬儀器技術(shù)的引入，使得該系統(tǒng)具有運(yùn)行效率高、開發(fā)周期短的特點(diǎn)，同時有助于減少重復(fù)投資，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性和重用性。本文的研究成果對電磁干擾測量方法的研究以及檢測的質(zhì)量，對電磁兼容性測試技術(shù)的發(fā)展都具有重要意義，并且在工程中具有重要價(jià)值。在基于Lab-VIEW 的硬件驅(qū)動上獲得了創(chuàng)新成果。同時，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)測試的實(shí)際，設(shè)計(jì)基于LabVIEW 的電磁干擾自動測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分析了系統(tǒng)的功能流程，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建硬件測試系統(tǒng)平臺。通過儀器控制的命令碼讀寫驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)對硬件儀器的控制。在實(shí)現(xiàn)對信號進(jìn)行小波分析與處理功能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、波形實(shí)時顯示、數(shù)據(jù)存儲;通過快速比例控制算法實(shí)現(xiàn)信號的精確快速反饋;同時對測量的電磁信號設(shè)置區(qū)間，進(jìn)行安全保護(hù)設(shè)置。

1 小波模型

在計(jì)算機(jī)接收到測量接收機(jī)傳回信號后，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力對信號進(jìn)行處理。小波分析具有可變的時間窗口，在分析高頻信號和低頻信號時，窗口自動變化，因此適用于分析干擾信號。在LabVIEW 軟件中，建立小波分析子函數(shù)，對信號進(jìn)行分析和處理。同時應(yīng)用小波分析的多分辨率特性，對干擾信號進(jìn)行分解，通過多頻帶上小波分解信號，可以將電磁信號分解為多個頻帶，并且提取出某段頻率范圍的時頻特性進(jìn)行頻譜分析。根據(jù)頻譜分析結(jié)果可以獲得不同干擾源的電磁干擾。

1.1 小波函數(shù)

對于函數(shù)φ(x)∈L2(R)由{φj，k，k∈Z}生成的閉子空間記為Vj，即

為了建立函數(shù)的多分辨小波模型，給出如下定義:

定義1:空間L2(R)中的多分辨分析(MRA)是指L2(R)中的滿足如下條件的一個空間序列{Vj}j∈Z:

1)一致單調(diào)性:…V-1?V0?V1…

3)伸縮規(guī)則性:

4)Riesz 基存在性:存在φ∈V0，使得{φ(x-k)}k∈Z是具有Riesz 界A 與B 的V0中的Riesz 基，且另

則?j∈Z，{φj，k，k∈Z}，也是具有相同Riesz 界A 與B 的Vj的一個Riesz 基，稱φ 為一個尺度函數(shù)。

如果φ 生成一個MRA，那么因?yàn)棣铡蔞0?V1，并且因?yàn)閧φj，k，k∈Z}是V1的一個Riesz 基，所以存在唯一l2兩尺度序列{pk}描述尺度函數(shù)φ 的兩尺度關(guān)系

假設(shè)此處的小波滿足小波容許性條件，則V1中的小波可以按如下方式生成

函數(shù)族{ψ0，k}也生成一個閉子空間W0，即

因此，由式(2)和式(5)有W0?V1。在構(gòu)造小波時，一般至少保證V1是W0和V0的直接和，即有

在實(shí)際系統(tǒng)中，由于測量元件分辨率總是有限的，可以認(rèn)為所獲得的信息f(x(K-1))∈V0，依照式(10)將其分解為

當(dāng)選用正交小波時，則有

式(11)即為信號f∈L2(R)的多分辨小波模型，可將式(11)改寫為

1.2 濾波閾值函數(shù)的構(gòu)造

目前通用的閾值濾波方法包括軟閾值濾波和硬閾值濾波。硬閾值法誤差較小但估計(jì)的信號會產(chǎn)生附加振蕩，而軟閾值則使信號整體連續(xù)性好但偏差較大。

經(jīng)過小波分解，信號的小波系數(shù)幅值要大于干擾信號的系數(shù)幅值。小波閾值濾波的原理是把信號的能量在小波域集中在一些大的小波系數(shù)中，而環(huán)境噪聲的能量卻分布于整個小波域內(nèi)。然后保留大尺度低分辨率下的全部小波系數(shù)，而對各尺度高分辨率下的小波系數(shù)，設(shè)定一個閾值對信號進(jìn)行濾波，處理后利用逆小波重構(gòu)恢復(fù)信號。所以濾波的關(guān)鍵問題在于閾值的確定。

本文通過結(jié)合軟閾值法和硬閾值法，設(shè)計(jì)一個閾值函數(shù)，結(jié)合軟閾值和硬閾值的優(yōu)點(diǎn)獲得平穩(wěn)濾波性能

式(10)在小波域內(nèi)連續(xù)并在|x|≥λ 時有高階導(dǎo)，同時不存在參數(shù)選擇問題。當(dāng)x ＞0 時，式(10)變?yōu)?/p>

而在x ＜0 時

小波分析由于同時在時頻中對信號進(jìn)行分析，并且在低頻時時間分辨率較低，高頻時時間分辨率較高。而利用這種自動變焦的功能，能有效區(qū)分非平穩(wěn)信號中的突變部分和噪聲，進(jìn)而利用上面介紹的閾值函數(shù)濾波方法消噪。在Matlab里對基于傅里葉分析和小波分析的濾波方法進(jìn)行比較，結(jié)果如圖1 所示。

從圖1(c)可以看出，用小波閾值函數(shù)進(jìn)行非平穩(wěn)信號的消噪，不僅可以很好的保存有用信號中的尖峰和突變，而且可以顯示原信號的特點(diǎn)。由圖1(b)可以看出，利用傅里葉分析進(jìn)行濾波時，假若低通濾波器太窄時，則在濾波后，信號中仍會存在大量噪聲，而弱低通濾波器太寬，則會濾除一部分有用信號。由于信號集中在低頻部分，噪聲分布在高頻部分，所以不能將有用信號的高頻突變部分和噪聲引起的高頻干擾加以區(qū)分，所以未能精確重構(gòu)信號。

圖1 非平穩(wěn)信號的傅里葉分析與小波分析濾波效果比較

2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

自動測試控制程序是一個獨(dú)立的可執(zhí)行文件(EXE 文件)，是整個測試軟件的核心，在這個獨(dú)立的可執(zhí)行程序中會自動調(diào)用用戶選用儀器的驅(qū)動程序來實(shí)現(xiàn)對儀器的控制，并提供對所調(diào)用動態(tài)鏈接庫的檢查，確保所編制動態(tài)鏈接庫的正確性，在用戶改變所用儀器時，程序根據(jù)不同儀器的驅(qū)動控制相應(yīng)的儀器，無需在程序中做任何改動。當(dāng)用戶選用新的、且在儀器庫中不存在的儀器時，只需開發(fā)新儀器的驅(qū)動即可，不必修改主程序。

2.1 軟件模型建立

設(shè)計(jì)應(yīng)用程序時，采用由上至下的設(shè)計(jì)方法(Top-Down)，首先明確測試系統(tǒng)的總體要求和性能參數(shù)，然后將系統(tǒng)劃分為各個功能模塊，如:信號產(chǎn)生、數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)分析、顯示等，再將各個模塊逐步劃分為更小的模塊。軟件的總體框架設(shè)計(jì)是整個測試系統(tǒng)的核心，也是系統(tǒng)主要組成部分。電磁兼容傳導(dǎo)發(fā)射測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化思想和層次化思想。這樣分層次模塊化程序結(jié)構(gòu)不但增加了程序的可維護(hù)性，也增加了程序的可讀性，使程序流程圖更加清晰明了，同時也避免了大量的重復(fù)編程工作。LabVIEW 函數(shù)庫中集成了常用的函數(shù)模塊，這些模塊為開發(fā)者完成數(shù)據(jù)采集、分析、顯示等任務(wù)，提供了極大的方便。

利用LabVIEW 提供的各種函數(shù)設(shè)計(jì)測試程序，結(jié)合儀器的命令碼開發(fā)驅(qū)動程序，實(shí)現(xiàn)對被測信號的發(fā)生、放大與模/數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集，由此可以獲得真實(shí)信號，供計(jì)算機(jī)進(jìn)一步分析處理。數(shù)據(jù)分析利用軟件平臺中豐富的信號分析函數(shù)實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)處理部分主要完成對采集信號的顯示、分析。

2.2 測試系統(tǒng)程序流程

系統(tǒng)通過GPIB 總線控制信息控制儀器，通過設(shè)計(jì)儀器驅(qū)動自動加入探頭和接收機(jī)的修正系數(shù)，調(diào)節(jié)頻率的增加，并實(shí)時監(jiān)視輸出功率，動用小波分析模塊進(jìn)行信號處理，感應(yīng)電流的大小，生成測試曲線和測試報(bào)告，完整測試電磁干擾。

圖2 電磁干擾測試流程

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

電源線傳導(dǎo)發(fā)射測試，主要目的是確認(rèn)射頻電流是否通過電源線影響其他設(shè)備，這種低頻電流會通過濾波電容傳到外殼上，干擾系統(tǒng)內(nèi)的低頻靈敏接收設(shè)備，同時也可測量可能出現(xiàn)在電源線上的噪聲。電源通過線性阻抗網(wǎng)絡(luò)(LISN)連接被測設(shè)備，電流探頭卡在傳輸線將測得的電流值傳送到測量接收機(jī)，測量接收機(jī)則通過GPIB 總線連接到計(jì)算機(jī)上，數(shù)據(jù)由LabVIEW 軟件分析處理。

測試系統(tǒng)硬件構(gòu)成框圖如圖3 所示。

測試軟件程序以頻譜曲線、測試記錄的形式給出檢測報(bào)告，由測試報(bào)告可以得到實(shí)時測試的各種數(shù)據(jù)。同時儀器與打印機(jī)相連，直接打印測試報(bào)告，既減少了測試人員的工作量，使工作效率得到了有效提高，又滿足了客戶在盡可能短的時間內(nèi)獲得報(bào)告的要求。從而也就避免了由手動輸入測試數(shù)據(jù)所帶來的測試誤差，有效提高了檢測質(zhì)量。

圖3 測試系統(tǒng)硬件構(gòu)成

下面以電源線傳導(dǎo)發(fā)射測試為例，檢驗(yàn)測試系統(tǒng)的工作效率。點(diǎn)擊測試，系統(tǒng)開始自動測試。打印測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 電磁干擾測試

圖4 中直線是GJB151A 規(guī)定的電源線傳導(dǎo)發(fā)射的極限值。曲線表示測試系統(tǒng)測得的實(shí)際傳導(dǎo)發(fā)射值。由圖4 可知，電源線傳導(dǎo)發(fā)射性能完全滿足GJB151A 的標(biāo)準(zhǔn)，并且留有一定裕度。

通過多次測試，可以對手動測試和自動測試的效率進(jìn)行對比。

圖5 中虛線代表手動測試，實(shí)線代表自動測試?？梢婋S著測試次數(shù)的增長，自動測試比手動測試大大節(jié)省了時間。

圖5 手動測試與自動測試對比結(jié)果

4 結(jié)束語

本文從國內(nèi)外電磁兼容性自動測試技術(shù)發(fā)展、技術(shù)要求出發(fā)，采用先進(jìn)的虛擬儀器軟件平臺LabVIEW 開發(fā)出滿足GJB151A/152A 要求的船舶裝置系統(tǒng)的傳導(dǎo)發(fā)射自動測試系統(tǒng)軟件，解決了當(dāng)前電磁兼容測量方面急需解決的問題。利用軟件與硬件的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了一臺計(jì)算機(jī)機(jī)同時對多個試驗(yàn)儀器的自動協(xié)調(diào)控制，做到了各儀器設(shè)備參數(shù)自動設(shè)置、自動調(diào)整，并且完成了對信號進(jìn)行精確分析和處理以及實(shí)時評判測試結(jié)果的功能，從而大大提高了電磁兼容測試的效率和精度。系統(tǒng)的運(yùn)行已證明，基于LabVIEW 電源線傳導(dǎo)發(fā)射自動測試系統(tǒng)的開發(fā)提高了測試工作的效率和精確度，減輕了測試人員的工作強(qiáng)度。

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