论文部分内容阅读
摘 要：随着机载电子设备的增加，机载电子系统之间的电磁环境也越来越复杂。在复杂电磁环境下，采取有效抗干扰措施才能使系统能够稳定工作。本文通过对机载电子系统综合验证场景的实例分析，简要介绍了几种抗干扰的设计措施。
关键词：机载电子系统；电磁兼容；抗干扰；软件鲁棒性；滤波器
Abstract：With the increase of avionics equipment，the electromagnetic environment of the avionics system becomes more and more complex.In the complex elecrtomagnetic enviroment，effective anti-jamming measures are taken to make the system work stably.In this paper， an example analysis of the avionics system integrated verification scenarious，this paper briefly introduces several anti-jamming design measures.
Key words：Avionics system；EMC；anti-jamming；software Robust；filter
随着电子技术迅猛发展，大量电子设备广泛应用于机载设备的各个领域。电子设备的广泛应用和发展，导致飞机周围空间产生的电磁场电平的不断增加，飞机机载设备之间的电磁环境也越来越复杂。计算机系统对电磁环境比较敏感，同时还会污染局部电磁环境对其他设备形成干扰，各系统的电磁兼容直接影响产品的性能，严重的直接危及飞机的飞行安全。因此，研究控制和消除干扰尤为重要，使机载电子设备或系统与其它设备能够协调工作。
本文通过对机载电子系统在综合过程中硬件及软件的分析，提出几种抗干扰的设计措施及其实例分析。
1 EMC设计和系统间抗干扰分析
机载电子系统的电磁兼容性设计和抗干扰设计是一个综合的技术，需要从设计的软、硬件各个层面共同采取措施。
在设计早期阶段重点关注EMI，电子系统早期的EMC设计有很多优势，可以提高自身工作的稳定性，可以帮助系统减少设计及测试成本。早期的EMC设计方法很多，本文简要介绍了印制板设计、结构设计的措施。
机载复杂系统间的综合还应分析“干扰源”和“受扰者”的耦合情况，采取抗干扰措施，减轻相互的干扰。本文以实例分析的形式展开抗干扰的分析。
2 印制板设计措施
计算机系统中的时钟是最高的频率信号，它的全部能量都集中在由基频和谐波频率组成的窄带内。在大多数情况下，来自时钟的辐射超过其他部分的辐射。因此，为了使时钟回路的总面积不超过几个平方厘米，所有的时钟都应与地回路线相连。为了限制时钟信号对印制线路板的那些引出线耦合，时钟电路应放在远离输入/输出引线的地方。为了减小交扰，时钟引线不应在长距离与信号线或数据总线并行走线。对地址总线、数据总线和其他各种信号线应就近提供一个信号回路，地回路最好设置在最不重要的地址引线附近。
3 屏蔽结构的设计
随着系统的集成度提高，一个电子模块中会集成多个处理器和多种晶振。为解决模块级的电磁兼容性，可设计电子模块的屏蔽结构框并良好接地。在产品整体设计时，选用带信号屏蔽的连接器，对机箱进行密封设计并良好接地。将产品内外的电磁辐射发射通道隔断。采用滤波电连接器：电缆的长度往往由飞机的实际需要决定，控制电缆共模辐射的最好的方法是减小高频共模电流的幅度，因为高频共电流的辐射效率很高，是造成电缆超标辐射的主要因素。减小电缆上共模高频电流的一个有效方法是在电缆的端处使用低通滤波器，滤除电缆上的高频共模电流。滤波电连接器是解决这个问题的理想器件。滤波电连接器的每个插针上有一个低通滤波器，能够将插针上的共模电流滤掉。
4 机载系统综合实例
图1中给出了机载系统综合的一个实例。在此系统中，综合处理机作为信息中转设备将燃油测量系统和其他机载系统的数据发给显控系统供飞行员查看。再结合时标信息将数据发给飞参系统进行数据记录。在本系统中采用了RS422，模拟量，离散量等接口。
早期的EMC优化设计后，在全系统综合时，因系统交联的复杂性，又出现了综合处理机偶发复位的现象。复位出现时测量到的信号波形如图2所示。
根据测量到的波形分析，由软复位产生的系统复位有效时间为40us左右，复位源为软复位。进一步测试，在系统启动燃油系统的422数据传输时，会发生复位。将燃油422断开后，现象消失。分析复位与422通讯的关联情况，在处理机的接收软件中，声明了长度为70的数组作为接收缓冲区。模拟燃油系统422接口数据的包长字为01h～0ffh，发现包长字在超出规定的数组长度时，故障会复现。
根据软复位产生的机理，分析如图3所示。
问题的根源在于422接口受电磁干扰后会偶发出现包长字误码。而驱动软件是根据接收到的包长字进行临时数组数据创建。在422接口接收到误码后引起软件数组越界，进而CPU进入特殊总线周期造成总线超时例外，产生软复位信号，导致复位、死机。
实例中的问题，说明在机载复杂电子系统综合时，在解决“干扰源”的问题后，还需要做好“受扰者”的抗干扰措施。从以下三个方面阐述。
5 电源的抗干扰措施
在许多数据处理机中，最大的射频干扰表现为电源线上的传导发射。可以在主电源线上安装一个L型滤波器，就能十分有效地抑制这类干扰。需通过对用电环境、产品功耗、电源品质的分析计算，选择合适的滤波器。 6 传输线的抗干扰措施
采用双绞线能降低共模干扰（见图4），当电流在线路流动时，由于双绞线位置不断地改变，导线内的电磁感应e的方向也就改变了，从而使其互相抵消， 若采用具有屏蔽的双绞线，既可屏蔽外界的干扰又达到平衡电磁感应的作用。实例中的422数据的干扰源就来自信号线。在实例中，干扰来自燃油系统的422信号线，通过重新敷设双绞电缆，并做好信号线屏蔽连续，消除了此干扰源。
7 软件鲁棒性设计
在进行软件抗干扰设计时，引入了鲁棒性设计的概念。鲁棒性是在异常和危险情况下系统生存的关键。比如说，计算机软件在参数变化，系统噪声，不可预测的干扰输入情况下，能否不死机、不崩溃，就是该软件的鲁棒性。
在有数据采集的计算机系统中，由于受电磁环境的影响，采集的数据中包含有干扰成分。为此，可以采用比较平均法设计数字滤波软件。
比较平均法是为了剔除个别大的干扰产生的数据偏差或控制系统的误动作，其方法是用比较判决，如对采样点连续采样3次，用“3取2”的判决来剔除瞬间强干扰信号造成的错误。实例中涉及了离散量信号的防抖设计，系统中的离散量信号均为慢速系统，使用比较平均法，在保证信号采集的实时性基础上，滤除信号上的干扰。
实例中的422驱动软件的鲁棒性不足。仅按通讯协议建立了基本的通讯。没有考虑传输信号干扰带来的影响。为加强鲁棒性，可以扩展数据的缓冲区，也可以对关键的数据参数进行软件滤波。
8 结语
机载电子系统的电磁兼容性设计和抗干扰设计是一个综合的技术，需要从设计的软、硬件各个层面共同采取措施，并分析“干扰源”和”受扰者”的耦合情况。才能够提高系统工作的稳定性。
因篇幅和作者经验有限，不能逐一进行阐述。本文仅围绕典型案例，列举了相应的抗干扰措施。在实际工程中，这些措施有效的抑制了电磁干扰，尽早通过系统级的电磁兼容试验来验证这些措施也是很有必要的。
参考文献：
[1] 姚志鹏.控制系统鲁棒性研究[J].中国科技财富，2009（04）：9-10.
[2] 迟琼.计算机系统抗干扰分析[J].甘肃冶金.2008（05）：97-99.
[3] 王连坡.电子设备电磁兼容性设计[J].舰船电子工程，2011（01）：160-162.
作者简介：徐楠（1981-），男，陕西西安人，本科，工程师，研究方向：计算机应用技术。
关键词：机载电子系统；电磁兼容；抗干扰；软件鲁棒性；滤波器
Abstract：With the increase of avionics equipment，the electromagnetic environment of the avionics system becomes more and more complex.In the complex elecrtomagnetic enviroment，effective anti-jamming measures are taken to make the system work stably.In this paper， an example analysis of the avionics system integrated verification scenarious，this paper briefly introduces several anti-jamming design measures.
Key words：Avionics system；EMC；anti-jamming；software Robust；filter
随着电子技术迅猛发展，大量电子设备广泛应用于机载设备的各个领域。电子设备的广泛应用和发展，导致飞机周围空间产生的电磁场电平的不断增加，飞机机载设备之间的电磁环境也越来越复杂。计算机系统对电磁环境比较敏感，同时还会污染局部电磁环境对其他设备形成干扰，各系统的电磁兼容直接影响产品的性能，严重的直接危及飞机的飞行安全。因此，研究控制和消除干扰尤为重要，使机载电子设备或系统与其它设备能够协调工作。
本文通过对机载电子系统在综合过程中硬件及软件的分析，提出几种抗干扰的设计措施及其实例分析。
1 EMC设计和系统间抗干扰分析
机载电子系统的电磁兼容性设计和抗干扰设计是一个综合的技术，需要从设计的软、硬件各个层面共同采取措施。
在设计早期阶段重点关注EMI，电子系统早期的EMC设计有很多优势，可以提高自身工作的稳定性，可以帮助系统减少设计及测试成本。早期的EMC设计方法很多，本文简要介绍了印制板设计、结构设计的措施。
机载复杂系统间的综合还应分析“干扰源”和“受扰者”的耦合情况，采取抗干扰措施，减轻相互的干扰。本文以实例分析的形式展开抗干扰的分析。
2 印制板设计措施
计算机系统中的时钟是最高的频率信号，它的全部能量都集中在由基频和谐波频率组成的窄带内。在大多数情况下，来自时钟的辐射超过其他部分的辐射。因此，为了使时钟回路的总面积不超过几个平方厘米，所有的时钟都应与地回路线相连。为了限制时钟信号对印制线路板的那些引出线耦合，时钟电路应放在远离输入/输出引线的地方。为了减小交扰，时钟引线不应在长距离与信号线或数据总线并行走线。对地址总线、数据总线和其他各种信号线应就近提供一个信号回路，地回路最好设置在最不重要的地址引线附近。
3 屏蔽结构的设计
随着系统的集成度提高，一个电子模块中会集成多个处理器和多种晶振。为解决模块级的电磁兼容性，可设计电子模块的屏蔽结构框并良好接地。在产品整体设计时，选用带信号屏蔽的连接器，对机箱进行密封设计并良好接地。将产品内外的电磁辐射发射通道隔断。采用滤波电连接器：电缆的长度往往由飞机的实际需要决定，控制电缆共模辐射的最好的方法是减小高频共模电流的幅度，因为高频共电流的辐射效率很高，是造成电缆超标辐射的主要因素。减小电缆上共模高频电流的一个有效方法是在电缆的端处使用低通滤波器，滤除电缆上的高频共模电流。滤波电连接器是解决这个问题的理想器件。滤波电连接器的每个插针上有一个低通滤波器，能够将插针上的共模电流滤掉。
4 机载系统综合实例
图1中给出了机载系统综合的一个实例。在此系统中，综合处理机作为信息中转设备将燃油测量系统和其他机载系统的数据发给显控系统供飞行员查看。再结合时标信息将数据发给飞参系统进行数据记录。在本系统中采用了RS422，模拟量，离散量等接口。
早期的EMC优化设计后，在全系统综合时，因系统交联的复杂性，又出现了综合处理机偶发复位的现象。复位出现时测量到的信号波形如图2所示。
根据测量到的波形分析，由软复位产生的系统复位有效时间为40us左右，复位源为软复位。进一步测试，在系统启动燃油系统的422数据传输时，会发生复位。将燃油422断开后，现象消失。分析复位与422通讯的关联情况，在处理机的接收软件中，声明了长度为70的数组作为接收缓冲区。模拟燃油系统422接口数据的包长字为01h～0ffh，发现包长字在超出规定的数组长度时，故障会复现。
根据软复位产生的机理，分析如图3所示。
问题的根源在于422接口受电磁干扰后会偶发出现包长字误码。而驱动软件是根据接收到的包长字进行临时数组数据创建。在422接口接收到误码后引起软件数组越界，进而CPU进入特殊总线周期造成总线超时例外，产生软复位信号，导致复位、死机。
实例中的问题，说明在机载复杂电子系统综合时，在解决“干扰源”的问题后，还需要做好“受扰者”的抗干扰措施。从以下三个方面阐述。
5 电源的抗干扰措施
在许多数据处理机中，最大的射频干扰表现为电源线上的传导发射。可以在主电源线上安装一个L型滤波器，就能十分有效地抑制这类干扰。需通过对用电环境、产品功耗、电源品质的分析计算，选择合适的滤波器。 6 传输线的抗干扰措施
采用双绞线能降低共模干扰（见图4），当电流在线路流动时，由于双绞线位置不断地改变，导线内的电磁感应e的方向也就改变了，从而使其互相抵消， 若采用具有屏蔽的双绞线，既可屏蔽外界的干扰又达到平衡电磁感应的作用。实例中的422数据的干扰源就来自信号线。在实例中，干扰来自燃油系统的422信号线，通过重新敷设双绞电缆，并做好信号线屏蔽连续，消除了此干扰源。
7 软件鲁棒性设计
在进行软件抗干扰设计时，引入了鲁棒性设计的概念。鲁棒性是在异常和危险情况下系统生存的关键。比如说，计算机软件在参数变化，系统噪声，不可预测的干扰输入情况下，能否不死机、不崩溃，就是该软件的鲁棒性。
在有数据采集的计算机系统中，由于受电磁环境的影响，采集的数据中包含有干扰成分。为此，可以采用比较平均法设计数字滤波软件。
比较平均法是为了剔除个别大的干扰产生的数据偏差或控制系统的误动作，其方法是用比较判决，如对采样点连续采样3次，用“3取2”的判决来剔除瞬间强干扰信号造成的错误。实例中涉及了离散量信号的防抖设计，系统中的离散量信号均为慢速系统，使用比较平均法，在保证信号采集的实时性基础上，滤除信号上的干扰。
实例中的422驱动软件的鲁棒性不足。仅按通讯协议建立了基本的通讯。没有考虑传输信号干扰带来的影响。为加强鲁棒性，可以扩展数据的缓冲区，也可以对关键的数据参数进行软件滤波。
8 结语
机载电子系统的电磁兼容性设计和抗干扰设计是一个综合的技术，需要从设计的软、硬件各个层面共同采取措施，并分析“干扰源”和”受扰者”的耦合情况。才能够提高系统工作的稳定性。
因篇幅和作者经验有限，不能逐一进行阐述。本文仅围绕典型案例，列举了相应的抗干扰措施。在实际工程中，这些措施有效的抑制了电磁干扰，尽早通过系统级的电磁兼容试验来验证这些措施也是很有必要的。
参考文献：
[1] 姚志鹏.控制系统鲁棒性研究[J].中国科技财富，2009（04）：9-10.
[2] 迟琼.计算机系统抗干扰分析[J].甘肃冶金.2008（05）：97-99.
[3] 王连坡.电子设备电磁兼容性设计[J].舰船电子工程，2011（01）：160-162.
作者简介：徐楠（1981-），男，陕西西安人，本科，工程师，研究方向：计算机应用技术。