电磁兼容设计在水声探测浮标系统中的应用

牛志华,崔华义

（国家海洋技术中心，天津300112）

电磁兼容设计在水声探测浮标系统中的应用

牛志华,崔华义

（国家海洋技术中心，天津300112）

随着现代科学技术的发展，水声探测浮标系统也向着高灵敏度、高集成度、高可靠性方向发展，其对浮标系统的电磁兼容性能的要求越来越高。结合电磁干扰的形成因素及电磁干扰的传播途径等理论，分析了水声探测浮标系统在测量过程中出现的毛刺、尖刺等影响系统正常工作的干扰现象形成原因，提出了电磁兼容的改进措施，根据浮标系统结构等设计特点，主要采用了屏蔽、优化电路、隔离设计等抗干扰措施，并给出了改进后的测试结果，实验证明，在进行设备或系统逻辑及功能设计的同时，必须进行电磁兼容设计，才能充分保证系统的高可靠性。

EMC；电磁干扰；EMC设计

电气和电子设备的种类及数量的增加以及电能消耗量的加大，不必要的电磁能量也随之加大，由此将伴随产生大系统的误动作；20世纪40年代为了解决飞机通信系统受到电磁干扰造成飞机事故的问题，开始较为系统地进行电磁兼容技术的研究。20世纪60年代以来，现代科学技术向高频、高速、高灵敏度、高安装密度、高集成度、高可靠性方向发展，对其电磁兼容性能的要求越来越高。

据国际电工委员会(IEC)的定义，电磁兼容(EMC)指的是设备或系统在其电磁环境中能不受干扰地正常工作，而且其自身所发出的电磁能量也不至于干扰和影响其他设备的正常运行。同时这些设备也会从其他电子设备产生的电磁场中吸收能量，使自己不能正常工作。事实上，这种相互影响不仅存在于设备与设备之间，同时也存在于元件与元件之间，部件与部件之间、系统与系统之间，甚至存在于集成电路内部。

干扰的形成包括干扰源、传播途径和被干扰对象。任何形式的自然或电能装置所发射的电磁能量，能使共享同一环境的人或其它生物受到伤害，或使其它设备、分系统或系统发生电磁危害，导致性能降低或失效，即称为电磁干扰源。例如雷电、静电、无线电磁波等。传播途径一种是以金属导体以及电感、电容、变压器或电抗器等为载体，其特点是载体在传导电磁干扰信号的同时也消耗干扰源的能量。另外一种是以电磁波的形式向所处空间辐射干扰，其特点为干扰源对外辐射能量具有一定的方向性，并且辐射的能量随着距离的增加而逐渐减弱。两种传播途径在传播过程中可以相互转换。能量低的往往会成为被干扰对象，而恰恰这部分是设计最薄弱的地方，需要采取一定的抗干扰技术才能保证系统的正常运行。

水声探测浮标系统在定型后的前两年，电磁干扰和电磁兼容问题并没有完全体现出来，但随着科学技术的高速发展，尤其是电子产品淘汰更新周期很快，新生产的水声探测浮标系统也只能选用高速的数据采集和处理系统，从理论上说系统的性能应该有所提高，但电磁干扰问题却越来越突出，导致系统性能下降，甚至有时不能正常工作。采集的噪声信号被系统噪声淹没，根本无法提取，为了解决该问题，在系统设计过程中注重了电磁兼容设计。

1 水声探测浮标电磁干扰分析

在水声探测浮标系统中电磁干扰的传播途径主要有两种，一种是干扰源在空间上的辐射耦合，干扰通过电磁波的形式耦合到敏感设备上。为满足系统小型化的要求，结构设计紧凑，使得系统内部各部分之间的间距很小，导致空间辐射的能量大部分传导给敏感设备。在该系统中敏感设备主要有采集卡、水听器和GPS接收机。干扰源主要有大功率电台和工控机，工控机既是一个干扰源也是敏感设备。电台发射时，采集卡采集的原始数据上有很大的尖刺干扰，如图1所示，同时GPS接收机无法正常接收GPS信号，导致浮标无法正确定位，干扰严重时导致单片机控制系统复位、工控机死机。

电磁干扰另外一种传播途径就是通过导线的传导耦合，它可通过电源线、信号线，当金属导线流过的电流较大时，就可以转化为辐射耦合，把干扰辐射到距离导线较近的敏感设备上。水声探测浮标系统水听器信号的输入端、电台发射馈线输入端、GPS天线输入端都在不锈钢圆筒顶盖的同一端，如图2所示，使得水听器信号线和GPS接收线很容易受电台馈线的辐射干扰的影响。

图1 电台发射时产生的干扰信号

图2 不锈钢圆筒顶盖

2 水声探测浮标的电磁兼容设计

电子设备的各个组成部分在一定空间上形成一个具有相互作用的电磁环境，电磁环境包括了空间、时间和频谱这些要素，因此控制或降低干扰源的辐射能量、切断电磁干扰的耦合途径、同时提供敏感设备或系统的抗干扰能力是电磁兼容设计的主要内容。对浮标的电磁兼容设计主要采用了以下几种方式：

2.1 屏蔽设计

消除辐射干扰最有效的方法是采用屏蔽，按屏蔽的对象不同可分为主动屏蔽和被动屏蔽，即屏蔽噪声源或屏蔽敏感设备。屏蔽的作用原理是利用屏蔽体对电磁能流的反射、吸收和引导作用，而这些作用是与屏蔽结构表面上和屏蔽体内感生的电荷、电流与极化现象密切相关的，从结构设计上充分利用结构体来作为屏蔽体，可达到一举两得的效果。

屏蔽体的设计的原则涉及到多个方面包括敏感设备所处的电磁环境、接收机的敏感度，选择适当的材料、根据材料的电导率、磁导率设计材料的厚度等等。根据这一设计原则，以及水声探测浮标使用环境的要求，设计室选用了不锈钢材料作为屏蔽材料，其屏蔽效果要低于其他的金属材料，但符合环境使用的要求（其他材料不太适合环境要求）。由于安装结构要设计为圆柱体，其内的空间有限，在里面采取屏蔽干扰源有些困难，另外由于电台功率较大，如果屏蔽空间小不利于散热可能导致电台发射功率下降甚至烧毁发射管。最后采用了从空间上把干扰源与敏感设备分开，并分别屏蔽的办法来设计安装结构。电台和工控机采集系统分别设计在两个筒内。水听器输入信号电缆与电台馈线分开安装的设计，符合了不相容信号线不平行走线的原则。

2.2 优化电路板的设计

电源控制板的设计，在功耗允许的范围内尽量采用线性稳压芯片，尤其是为模拟电路供电部分，对电源纹波的要求较高；尽量少用DC－DC电源转换模块，避免引入高频干扰；单独为各个单元供电，不相容的电路应远离，每级电源输入输出端增加滤波电路，减少子系统间的相互干扰；充分考虑PCB板上地线的走线方式，给模拟电路和数字电路供电的地线分开布线，最后采用单点接地的方式；采用CMOS功率管代替继电器控制采集系统的供电，减少开关时的噪声。

2.3 隔离设计

为了抑制由于地电位差产生的地环路干扰，控制器与电台MODEM、GPS的通讯采用光电耦合技术，如图3所示，两部分电路分别由两组电池供电。 大大降低了电台对采集系统以及对模拟电路的干扰。

图3 光合耦合切断地环路

2.4 设备内的布线

设备内布线原则：不相容的信号线不要平行走线，更不能绑扎在一起；在本系统中水听器的信号线不应和电源线绑扎在一起。电源线尽量选用双绞线；射频信号选用同轴电缆，阻值一定要匹配。

3 改进后的效果

3.1 保证了记录信号的一致性

改进后，数据信号幅度大致相等，信号变化趋势一致性较好（如图4所示）。

3.2 解决了记录信号的写硬盘干扰和记录信号的不明尖刺

干扰问题

对原浮标记录的数据进行全文件分析，发现数据中存在的写硬盘干扰和不明原因的尖刺干扰，如图5所示。浮标改进后，上述干扰都已解决，记录数据基本呈白噪声分布，如图6所示。

3.3 解决了记录信号的电台发射干扰问题

浮标系统改进前，电台发射时会引起测量信号出现异常，信号幅度高达1 Vpp，每次发射对信号影响的持续时间约12 s，图7是系统整体放入水中时记录的电台发射对数据的影响。浮标改进后，在空气中测量时，电台对测量数据的影响在强度和持续时间上都不存在了，如图8所示。

图4 各个通道的数据一致性比较

图5 改进前浮标记录的数据文件中存在的各种干扰图

图6 改进后浮标记录的噪声数据基本呈白噪声分布

图7 改进前电台发射对信号的影响

图8 改进后电台发射对信号的影响消失

4 结论

浮标通过电磁兼容设计其性能已大大提高，为水声调查提供了先进的技术装备。通过这次水声探测浮标的改进，可以总结出：电磁兼容性是电子设备或系统的主要性能之一，电磁兼容设计是实现设备或系统规定功能、使系统效能得以充分发挥的重要保证。在进行设备或系统功能设计的同时，必须进行电磁兼容设计。电子设备或系统设计的重点已由逻辑设计和功能设计转移到电磁兼容设计上来了。

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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