最佳后坐力测控系统的抗干扰设计及实现方法

2013-11-21张兰兰王茂森戴劲松伍亚冰

火炮发射与控制学报 2013年1期

张兰兰，王茂森，戴劲松,伍亚冰

(南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094)

在火炮测试系统中，实时监测温度值和压力值对火炮发射至关重要。因此，本文以火炮最佳后坐力控制系统中的温度压力测控部分为主要研究对象，该装置通过实时测量多路温度、压力值，智能调整气腔的压力值，使其达到最优控制的效果，以保证发射的稳定安全进行。

火炮系统是机电高度集中的系统[1]，随着系统越来越复杂，其配备的仪器就越来越多，电场、磁场和电磁场的影响是不可避免的。这就要求设计的系统具有较强的抗干扰能力和良好的电磁兼容性。接地、屏蔽和隔离技术是硬件抗干扰技术中重要的三方面。下面主要针对这三方面进行设计计算。

1 硬件抗干扰设计计算

1.1 接地

接地技术是电磁兼容技术中的一项重要技术。接地按其功能分为两大类：信号接地和安全接地[2]。

1)信号接地：系统的频率在最高为500 kHz，属于低频的范围,所以系统采用一点接地的方式。在一点接地的方式中采用串联单点、并联单点的混合接地方式。如图1所示，将模拟信号和数字信号分别单点接地，以抑制干扰。

2)安全接地：大地具有非常大的电容量，是理想的零电位，不论往大地注入多大的电流或电荷，在稳态使其电位保持为零，因此，安全接地能够保证用电设备和人身安全。如图1所示，系统外壳与大地相连，作为公共参考地。

系统的信号地与系统的外壳采用螺栓螺母进行连接。不仅易于调试而且安全可靠。

印刷线路板的设计和制作时要注意地线的处理。设计电路板时主要采取的措施:线路板地线布线采用“#”字结构,这样可以避免因地线的公共阻抗耦合所造成的干扰；尽可能使印制线粗而短,采用线路板反面大平面接地方法,降低印制线的对地阻抗提高抗干扰能力。

1.2 屏蔽

电磁屏蔽是电磁兼容技术的主要措施之一。电磁屏蔽一般分为两种类型：静电屏蔽和电磁屏蔽[3]。

1)静电屏蔽：要求有完整的屏蔽导体和良好的接地。系统采用金属盒进行电场屏蔽。调理模拟电路和数字电路处于完整的金属盒内，金属盒与屏蔽地连接。

2)电磁屏蔽：采用高电导率和高磁导率的铁磁场性金属坡莫合金做成的金属盒来进行电磁屏蔽。

屏蔽效果如何，用屏蔽效能来衡量。电磁屏蔽包括磁屏蔽和电磁屏蔽。在一般的系统中要求屏蔽效能大于40 dB，军用设备要求大于60 dB。电磁屏蔽效能根据屏蔽效能的定义得：

20lg|eγ l|-20lg|t|+20lg|1-qe-2γ l|=

A+R+C

式中：A为屏蔽体的吸收损耗，A=20lg|eγ l|；R为屏蔽体的反射损耗，R=-20lg|t|;C为屏蔽体内多次反射损耗,C=20lg|1-qe-2γ l|。

屏蔽体的屏蔽效能由两部分构成：吸收损耗和反射损耗。当电磁波入射到不同媒质的分界面时，就会发生反射，于是减小了继续传播的电磁波的强度。反射的电磁波称为反射损耗，当电磁波在屏蔽材料中传播时，会产生损耗，这构成了吸收损耗，吸收损耗是电磁波通过屏蔽体所产生的热损耗引起的。

当屏蔽体较厚时，导体的吸收损耗较大，电磁波在导体内到达边界时已经变得很小，在这种情况下多次反射的影响很小，可以不考虑。而屏蔽体的反射损耗不仅与材料自身的特性有关，还与金属板所处的位置有关。所以下面主要计算屏蔽体的吸收损耗。

吸收损耗的表达式为：

A=20lg|eγ l|

γ为电磁波在屏蔽体内的传播常数：

对于金属导体，σ≫|jωε|，所以有：

由于只讨论金属板对电磁波的衰减，故只取实数部分，因此：

式中:α为屏蔽体的衰减系数；l为屏蔽体的厚度(3 mm)；f为频率(取1 MHz)；μ为屏蔽体材料的磁导率(坡莫合金：μ=1.00×10-2H·m-1)；σ为屏蔽体的材料的电导率(坡莫合金：σ=6.29×106S·m-1)。

A=8.686αl=1.16×104=81 dB

Se>A>60 dB 满足要求。由于随着频率的增高，波长变得与屏蔽体上孔缝的尺寸相当，从而导致屏蔽体的孔缝泄漏成为电磁屏蔽最关键的控制要素。实际的屏蔽体由于制造、装配、维修以及观察要求，其上面一般都开有形状各异、尺寸不同的孔缝，这些孔缝对于屏蔽体的屏效起着重要的作用，因次必须采取措施来抑制孔缝的电磁泄漏。

如图2所示，屏蔽体的屏蔽效能是各个泄漏耦合结构中产生最大泄漏耦合的结构所决定的，即由屏蔽最薄弱的环节所决定的。因此从传感器到测控箱再到上位机整个系统都要做到良好的屏蔽效果。如图2所示。1～6接口均采用航插接插件连接。电源线和CAN总线用屏蔽双绞线进行传输。压力传感器和温度传感器都要有良好的屏蔽措施确保系统的屏蔽系统没有薄弱环节。

1.3 隔离

CAN 总线接口电路设计使用TJA1050作为总线收发器，它完成CAN 控制器与物理总线之间的电平转换和差动收发。尽管TJA1050本身具备一定的保护能力，但其与总线接口部分还是采用一定的安全和抗干扰措施；TJA1050的CANH 和CANL与地之间并联两只10 pF的小电容，可以滤除总线上的高频干扰；另外，为了增强CAN 总线节点的抗干扰能力，总线输入端与地之间分别接入一只瞬态抑制二极管，当两输入与地之间出现瞬变干扰时，收发器输入端电压被钳位在安全范围。

为防止总线过压造成节点损坏， STM32F103内置CAN 控制器的数据收发引脚并不与TJA1050直接相连，通过ADuM1201磁隔离器实现信号隔离传输。除了将CAN 数据信号隔离外，TJA1050使用的电源和地也必须与系统完全隔离，使用5V 隔离输出的开关电源模块IB0505LS提供隔离电源。由于CAN 总线数据传输率较高，为了提高信号质量，网络拓扑结构应尽量设计成单线结构以避免信号反射，同时终端连接120 Ω左右的匹配电阻。

2 系统的软件设计

如图3所示，系统要求对4路模拟量(两路温度、两路压力)进行A/D采集(采样频率为1 kHz)用CAN总线向上位机传输数据并接受上位机的控制信号。系统中微控制器选用32位单片机STM32F103。STM32F103使用的是ARM最新的、先进架构的Cortex-M3内核，有优异的实时性能。拥有两个独立ADC控制器，有18个通道各通道的A/D转换可以单次、连续扫描或间断模式执行[4]。STM32内部集成CAN。

系统采用CAN总线与上位机进行通信。不仅能够实时的将温度压力值传给上位机，而且还能接受上位机的控制信号。测控系统只需要电源线和CAN总线两条线就可以实现功能要求，减小了长距离信号线的传输，这在实际工程应用中有很重要的意义。

系统软件流程图如图4所示。上电后根据上位机传送的模式选择，进入相应的射击模式，智能调节压力，然后实时监测系统的温度、压力值。考虑到意外情况的发生，系统除了智能监控调节功能外，在智能测控箱上还有手动调压控制开关的冗余设计，确保意外情况下人工可以干预以保证系统安全。

3 模拟试验

由于无法现场进行试验，所以采用模拟试验来验证系统屏蔽设计的可行性。手机在拨号时脉冲信号主要是两个频段：低频(2.2～217 Hz)的脉冲信号；高频信号(900～1 800 MHz)。火炮发射时噪声能量主要在1 000 Hz内[5]，所以可以通过多部手机拨号时来模拟低频和高频的复杂电磁场，来验证系统设计的可行性。

图5是在没有屏蔽措施时，系统测出的温度值。系统所测实际温度是16°C。如图所示，温度值波动很大，在12°C～19°C之间波动。所测数据不正确。

图6是系统屏蔽后测量的同一温度值，由图可以看出所测温度波动很小，几乎没有波动，所测数据准确。