何進(jìn)松,蔣 磊

（1.上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)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(yàn)的自動測試系統(tǒng)隔離接口適配器設(shè)計

何進(jìn)松1,蔣 磊2

（1.上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)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(shè)備在惡劣應(yīng)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(shè)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(jìn)行設(shè)計，屏蔽EMC試驗(yàn)過程中測試系統(tǒng)帶來的影響并且保護(hù)測試系統(tǒng)。

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

0 引言

EMC試驗(yàn)的目的是為了證明設(shè)備抵御外界電磁干擾的能力，因此需要進(jìn)行輻射抗擾度及傳導(dǎo)抗擾度等測試。針對核電、軍工等行業(yè)設(shè)備在惡劣應(yīng)用環(huán)境的EMC的高要求，設(shè)備在EMC試驗(yàn)中性能要求非常嚴(yán)格，通過標(biāo)準(zhǔn)也遠(yuǎn)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(shè)計，實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)與EMC試驗(yàn)設(shè)備信號耦合器隔離，從而在試驗(yàn)中屏蔽測試系統(tǒng)帶來的影響并且保護(hù)測試系統(tǒng)。

1 EFT試驗(yàn)介紹

EFT是電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)的簡稱。目的是驗(yàn)證由閃電、接地故障、電源開關(guān)動作、或電路中繼電器等電感性負(fù)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(diǎn)是：脈沖成群出現(xiàn)、脈沖的重復(fù)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(dá)到5ns，脈寬達(dá)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(dá)到1/πtr，亦即可以達(dá)到64MHz左右，相應(yīng)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(jìn)入受試設(shè)備（傳導(dǎo)發(fā)射）；部分要從線上逸出，成為輻射信號進(jìn)入受試設(shè)備（輻射發(fā)射）。因此，受試設(shè)備受到的干擾實(shí)際上是傳導(dǎo)與輻射的結(jié)合。在IEC61000-4-4標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)定義了試驗(yàn)要求和試驗(yàn)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(yàn)等級的說明：

第1級：具有良好保護(hù)的環(huán)境；第2級：受保護(hù)的環(huán)境；第3級：典型的工業(yè)環(huán)境；第4級：嚴(yán)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(yàn)收準(zhǔn)則的說明：

性能等級A：在試驗(yàn)過程中和試驗(yàn)之后，設(shè)備應(yīng)能按預(yù)定要求工作。在設(shè)備按預(yù)定要求使用時，不應(yīng)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(yàn)之后，設(shè)備應(yīng)能按預(yù)定要求工作。在設(shè)備按預(yù)定要求使用時，不應(yīng)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(fù)或可以通過控制來進(jìn)行恢復(fù)。

2 設(shè)計需求

以某平臺保護(hù)系統(tǒng)樣機(jī)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(yàn)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(yàn)過程中模擬量精度變化不超過量程的3%；

3）開關(guān)量需求 試驗(yàn)過程中開關(guān)量狀態(tài)無變化；

4）串口通信需求 試驗(yàn)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(yàn)對象之間的轉(zhuǎn)接采用VPC 9025 Receive模塊；VPC Receive模塊通過ITA后與被測設(shè)備（EUT）進(jìn)行連接。被測設(shè)備（EUT）對外傳輸?shù)男盘柾ㄟ^ITA后與ATS以及Data Logger進(jìn)行監(jiān)測。

4 接口適配器（ITA）設(shè)計

（1）設(shè)計原則。由于快速瞬變脈沖的特點(diǎn)，其干擾傳播方式雖以傳導(dǎo)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(jìn)行干擾，可見要求研發(fā)人員對測試系統(tǒng)進(jìn)行全面考慮，整體防護(hù)。

（2）整體設(shè)計。ITA接口適配器應(yīng)采用金屬機(jī)柜，保證機(jī)柜整體電氣連結(jié)良好并可靠接地，接口適配器機(jī)柜面板上的開孔不能夠太大、散熱孔應(yīng)開成圓形小孔(圓孔比長孔屏蔽效果好)，使機(jī)箱起到應(yīng)有的屏蔽效果。將所有轉(zhuǎn)換模塊以及相關(guān)配件集成到機(jī)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(jī)柜的連接器，ITA與EUT之間采用預(yù)制電纜與ITA機(jī)柜的連接器進(jìn)行相連。接口適配器內(nèi)所有信號均集成在機(jī)柜內(nèi)，僅保留連接航插在ITA機(jī)柜表面分別與ATS以及EUT相連接。

（3）信號隔離設(shè)計。ITA內(nèi)部信號直接應(yīng)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(jī)箱的8431串行通信卡的連接器直接接入到ITA機(jī)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(yù)置電纜相連接。I/O信號單元獨(dú)立走線通過Phoenix Mini MCR-SL-UI-UI隔離模塊轉(zhuǎn)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(yīng)高頻和低頻的傳導(dǎo)干擾的防護(hù)。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(yīng)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(qiáng)度可根據(jù)試驗(yàn)效果進(jìn)行增加或降低要求。

（5）供電要求。隔離模塊應(yīng)由隔離電源進(jìn)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(jìn)行供電，實(shí)現(xiàn)與EUT供電網(wǎng)絡(luò)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(fù)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(yàn)時產(chǎn)生的次生干擾。接口適配器表面做好屏蔽防護(hù)，干擾信號能夠通過接口適配器機(jī)柜金屬表面快速釋放掉。

5 EFT試驗(yàn)情況

試驗(yàn)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(jìn)行驗(yàn)證。

（1）未采用隔離接口適配器的自動測試系統(tǒng)EFT試驗(yàn)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(yàn)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(jìn)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(yàn)過程中源端受到了嚴(yán)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(shè)備模擬的溫度信號品質(zhì)仍然滿足不了設(shè)計要求和通過標(biāo)準(zhǔn)。

（2）采用隔離接口適配器的自動測試系統(tǒng)EFT試驗(yàn)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(yàn)中的表現(xiàn)，信號采用同樣的設(shè)備和方法進(jìn)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(shè)計要求。

6 結(jié)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(yùn)行危害極大，若在試驗(yàn)過程中不能有效地對測試系統(tǒng)進(jìn)行防護(hù)，非常容易引起測試系統(tǒng)故障甚至損壞，從而導(dǎo)致試驗(yàn)失效，應(yīng)當(dāng)引起我們足夠的重視。

本文設(shè)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(biāo)準(zhǔn)的LEVEL 4的要求，信號精度變化滿足設(shè)計要求，在試驗(yàn)的有效性上提供保障，同時在接口適配器設(shè)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(guān)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展情況研究[J].計算機(jī)測量與控制,2002,10(01)：1-4.

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

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

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