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(工程兵科研三所，洛阳 471023)

0 引言

三防信号屏是用于地下工程的专用显示类设备。地下工程战时要防范敌方核武器、生物武器、化学武器的袭击，并根据工程外空气染毒情况改变工程内通风方式，保障工程内空气洁净，人员安全[1]。通常情况下，工程内通风系统有3种工作方式：清洁式通风、滤毒式通风和隔绝式通风，通风方式转换时，需要工程内部人员及时改变工作模式，迅速采取有效措施，以适应新的通风方式下的工程保障要求，三防信号屏就是第一时间将通风方式转换信息发送到工程所有范围的重要设备。

信息化战争条件下，电磁脉冲干扰将成为影响设备正常工作的主要因素[2]。当前，工程使用的三防信号屏没有电磁防护[3]能力，敏感电子元器件直接暴露在复杂电磁环境中，强电场效应和电磁干扰效应会造成设备产生误动作或功能失效，严重影响其工作可靠性。另外，三防信号屏需要从控制中心“手拉手”串接，线路连接长，敷设工程量大，可靠性不高。因此，针对三防信号屏电磁防护能力弱，可靠性低，线路敷设困难的现实问题，开展总线式防电磁三防信号屏研究，解决其线路连接及电磁防护问题十分必要。

1 系统结构及原理

1.1 系统工作原理

三防信号屏是地下工程通风系统的重要组成部分，在工程维护和管理中具有十分重要的作用。地下工程通风系统工作流程为：首先，核生化监测系统探测工程外部染毒情况，分析毒剂种类及危害程度，向监控主机发布通风方式转换指令；其次，监控主机接到指令后，立刻将控制命令转换为数字量信号，控制三防信号屏统一发出通风转换指示信号，警示工程内人员根据通风转换作业要求及时采取措施，保证相关设备运行符合要求；最后，监控主机将控制命令发送到下位机控制器，控制相关阀门、风机、防护门等设备联动动作，切换至需要的通风状态，完成通风方式转换。目前，三防信号屏普遍采用图1(a)所示的连接方式，监控主机将通风切换命令以数字量的形式输出，控制交流接触器动作(清洁、滤毒、隔绝分别用单独的交流接触器控制)，通风状态切换时，只需要将状态转换前的交流接触器打开，再把状态转换后的交流接触器吸合，通过线缆将信号发送至工程内串接的三防信号屏，最终发出统一的通风转换指示。该连接方式需要在现场敷设大量线缆，给系统维护和更新升级带来诸多不便，集中体现在以下几点：1)线缆敷设量大，施工成本高，维护检修困难；2)以改变显示屏供电的硬件方式实现通风状态的切换，显示屏频繁断电, 易造成显示内容缺失及颜色失真；3)任意三防信号屏出现短路/断路故障，都将影响整个系统工作，系统可靠性不高。

针对上述问题，本文设计了一种基于总线技术的通信方式，如图1(b)所示。监控主机接收到通风方式转换指令后，直接将控制命令发送到下位机控制器，控制器将接收信息进行转换处理，一方面，以总线通信协议的方式将信息发送到与之相连的三防信号屏，控制其显示转换；另一方面，控制器直接发出命令控制执行机构联动动作，完成通风方式转换。为实现上述功能，三防信号屏需要具备以下几种基本功能：1)总线通信功能；2)字符生成功能；3)颜色调整功能。

图1 信号传输方式对比

与传统连接方式相比，总线式三防信号屏具有以下优点：1)可就近接入任何下位机控制器，布设灵活，线缆敷设量小，维护保养方便；2)使用软件控制通风状态切换，解决了信号屏频繁通断电的问题；3)信号屏之间相互独立，互不影响，系统可靠性高。

1.2 系统结构设计

电磁脉冲是一种十分严重的电磁干扰源，它具有瞬时性、宽频带、高场强、作用范围大等特点，能够通过天线、孔缝、电缆等多种耦合途径对电子系统产生影响，对电子设备、系统的安全性乃至生存能力构成了严重的威胁。如何提高电子设备、系统在复杂电磁环境中特别是电磁脉冲干扰下的生存能力，已经成为电子设备、系统可靠运行的重要因素[4]。传统的三防信号屏将显示器件直接暴露在环境中，无任何电磁防护措施，地下工程受到电磁脉冲干扰时，将造成设备工作异常、失效甚至损毁，对工程安全造成严重影响，必须采取措施进行防护。

目前，电磁脉冲防护有效且简单的方法是电磁屏蔽，即利用屏蔽体屏蔽电子设备达到有效抑制电磁能量进入设备的方法。在电磁屏蔽施工中，使用最多的是金属屏蔽[5]，金属外壳的屏蔽作用体现在可以降低电子设备对外界以场的形式存在的骚扰抗扰度，通常用屏蔽效能来衡量系统的屏蔽效果[6]。然而对于显示类设备来说，必须保证屏幕正前方良好的透光性。为此，需要选择一种透光率高、电磁屏蔽性能优越、材料力学性能合适的材料。基于上述要求，优选了两种透明电磁屏蔽膜，主要技术参数如表1所示。

表1 透明电磁屏蔽膜技术指标

对于屏蔽壳体来说，屏蔽效能除了和金属材料的材质、屏蔽膜的技术指标有关外，还与屏蔽体上的不连续结构有关，像连接缝隙、穿线孔等[7]。这些不连续结构对整个屏蔽体的总屏蔽效能的影响是错综复杂的，可能存在通过3种途径透过屏蔽体的电磁波，即直接透过屏蔽材料的电磁波，由缝隙透射的波及由开孔透射的波，3种波之间的相位关系十分复杂，屏蔽体的总屏蔽效能不易精确计算。为了从根本上提高屏蔽效果，必须去除或弱化这些不连续结构对屏蔽体的影响。本文采用冲压技术保证壳体一次成型，应用整体封装“三明治”结构保证屏蔽体的整体屏蔽效果。

1)显示屏封装—“三明治”结构。

显示屏、屏蔽膜、保护层由内到外采用“三明治”式结构叠放，剖面图如图2所示。这种结构可以有效保护显示屏，并且有利于设备紧固安装。更重要的是，由于电磁屏蔽膜处在上下两层保护层夹持下，不容易受到损坏，为设备长期稳定运行提供了条件。

图2 信号屏封装剖面图

2)整体封装。

防护外壳包括两部分：壳体和壳盖(如图3所示)，在设备整体封装时，必须考虑壳体和壳盖的封装方式。为了保证封装整体性，将屏蔽膜延长2～4厘米，并顺着壳盖折下，在壳盖紧固夹持时，使用导电胶(或导电纸)将屏蔽膜与防护外壳紧密连接，将壳盖、电磁屏蔽膜、壳体三者构成统一整体，避免由于缝隙降低设备的屏蔽效能。在壳体内部加入了两条支撑架以保证显示屏能安装紧固。同时在壳体后面开了一个穿线孔用来将显示屏信号线和电源线引入壳体。

图3 屏蔽壳体

2 系统软硬件设计

为实现三防信号屏总线通信，本文设计了一种带有总线通信能力的数据采集卡，该采集卡与下位机控制器直接连接，能够高效地完成通风转换指令的采集和通风状态的显示。

2.1 硬件设计

数据采集卡硬件设计如图4所示，微处理器为总线式数据采集卡的控制核心；MAX485ESA为信息传输模块； MC74HC08AN为字符颜色控制芯片；八路总线收发器(74ACT245T)作为数据发送芯片，负责信息输出控制。总的来说，硬件设计包括两部分：控制部分和通信部分。

图4 总体硬件设计图

1)控制部分。

系统微处理器采用的是ATMEL公司生产的微处理器ATmega16。它是高性能，低功耗的AVR微处理器，是一种非易失性程序和数据存储器，无需外接程序存储器EPROM，缩小了电路板的体积，增加了系统的抗干扰性；超高能精简指令，具有先进的RISC系统；两个可编程的USART，同步串行口SPI可以实现微处理器与外设之间高速同步数据传输。两个具有独立的预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器；两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器；工作电压为4.5～5.5 V，电源抗干扰性能力强[8-10]。

控制部分是系统的核心，它控制和完成数据的传输、处理、存储和显示，包括通风状态显示、通风方式切换、模拟量采集显示、字符显示以及字体颜色控制等。其硬件以ATmega16为核心，扩展了外围 LED显示电路、异步通信电路和JTAG编程接口。ATmega16 的引脚配置以及电路设计如图5所示。

图5 ATmega16引脚配置及电路设计

2)通信部分。

在三防信号屏通信系统中，采用PLC作为上位机，数据采集卡作为下位机的主从式通讯结构，首先由PLC完成实时数据采集，经初步处理后通过串口传送到微处理器上，并进行数据存储和处理。PLC中串行接口的电气特性是标准的RS-485协议标准电平，而数据采集板卡是TTL电平[11]，在这里选用常用的SP3485来完成板卡和PLC的双向电平转换。

2.2 软件设计

软件部分需要完成的功能包括：特定字体显示(包括颜色)、总线接口控制。系统程序包括主程序、中断程序、控制程序、字体显示程序等4部分，程序设计流程图如图6所示。系统通信设置如下：波特率9 600 bit/s、数据长度8位、1停止位、偶校验。为了提高效率和控制的实时性，数据的接收和发送均采用中断方式。针对LED显示屏特性，使用字模生成软件得到需要显示字体的二进制码形式，放置在字体显示子程序中，通过调用相应的子程序实现通风方式显示。

图6 程序设计流程图

3 实验结果与分析

为了检验信号屏的屏蔽效果，采用开口同轴探头测试系统[12]检验屏蔽壳体的整体防电磁能力，进行了多组试验。试验测试系统如图7所示，包括：矢量网络分析仪、同轴电缆、测试探头(小法兰)和试样。

图7 三防信号屏整体屏蔽效能测试系统

为检验屏蔽体整体屏蔽效能，分别进行了无屏蔽膜、单层屏蔽膜和双层屏蔽膜测试实验。无屏蔽膜测试实验在探头中间只放置透明保护板，用于校准测试系统，测试结果如图8所示。从图中可以看出，在低频段30～500 MHz，衰减特性曲线起伏相对较大，在高频段1.5～3.5 GHz基本没有衰减。但是，从数量上来说，衰减最大值仅为0.3 dB，说明系统直通测试环境良好，干扰小，效果理想。

图8 无屏蔽膜测试结果

然后，在透明保护板之间加入一层屏蔽膜，并用导电纸封装，同样条件下测试其屏蔽效能，测试结果如图9所示。

图9 单层屏蔽膜测试结果

与无屏蔽膜屏蔽体相比，在加上屏蔽膜后，壳体的整体屏蔽效能有明显提高。从试验结果看，在30～1 500 MHz频段内，封闭壳体对电磁波的衰减量可达32～53 dB。频率高于1 500 MHz时衰减量平均在20 dB左右，屏蔽效果明显，达到了III级电磁防护指标[13]。

为检验多层屏蔽膜对壳体整体屏蔽效果的提升能力，开展了双层屏蔽膜壳体屏蔽效能实验。实验系统与单层膜测试系统相同，唯一不同点是把原来的单层膜换成双层膜。在相同实验条件下测试其屏蔽效能，得到的对比测试结果如图10所示。

图10 单层膜与双层膜对比实验

从图中曲线对比可以看出，双层屏蔽膜的屏蔽效果要优于单层屏蔽膜，但从增长量上看不是线性关系。其中在550～2 000 MHz增加较为明显，其他频段衰减值较为接近。为了增强壳体的整体屏蔽效能，可以通过增加屏蔽膜的层数来实现，但是这种措施会影响显示屏的透光率，实际应用时应综合考虑。总的来说，使用单层屏蔽膜透光率好，不影响显示设备的正常使用，有效提升了设备自身的电磁防护能力，三防信号屏实物如图11所示。

图11 三防信号屏实物图

4 结语

本文设计的总线式防电磁三防信号屏，实现了三防通风状态的实时显示，具有模拟量参数显示的拓展功能，配有RS-485总线接口，可以和下位机控制器以总线方式连接，同时，该设备整体屏蔽性能好，达到了Ⅲ级电磁防护标准。(“总线式防电磁三防信号屏”已获得国家专利，专利号：ZL201120098115.0)。该设备的研制，解决了防护工程电磁屏蔽室外的电子显示设备的电磁防护问题，简化了系统连接结构，提高了系统的综合防护能力。

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