淺談高速公路機(jī)電設(shè)備的抗電磁干擾問題

1、淺談高速公路機(jī)電設(shè)備的抗電磁干擾問題            摘要:通過對(duì)具體實(shí)例的分析探討高速公路機(jī)電系統(tǒng)中的電磁干擾問題的解決方法,并介紹了電磁干擾與電磁兼容的概念和技術(shù)發(fā)展。        關(guān)鍵詞:公路;電磁兼容;電磁干擾        幾年前,筆者在一次工程實(shí)施中遇到的一個(gè)問題。該工程是一個(gè)收費(fèi)系統(tǒng)項(xiàng)目,所遇到問

2、題的現(xiàn)象是:車道控制器不定時(shí)地發(fā)生混亂,所運(yùn)行的Win- dows操作系統(tǒng)彈出大量的對(duì)話框,最終顯示“系統(tǒng)內(nèi)存不足”,屏幕變藍(lán),此時(shí)只有重新啟動(dòng)。重新啟動(dòng)后,系統(tǒng)能夠恢復(fù)正常,但以上現(xiàn)象還會(huì)發(fā)生。為此,排除了機(jī)器硬件和病毒的因素后,將焦點(diǎn)集中在與車道控制器相連接的外部設(shè)備上。最后將問題鎖定在收費(fèi)員所使用的鍵盤上,通過增加保護(hù)電路、增強(qiáng)屏蔽等措施,解決了這個(gè)問題。        1電磁干擾的種類及對(duì)高速公路機(jī)電設(shè)備的危害隨著我國(guó)高速公路建設(shè)的蓬勃發(fā)展以及高速公路管理水平的逐步提高,國(guó)內(nèi)很多高速公路都應(yīng)用了大量的機(jī)電設(shè)

3、備。這些設(shè)備主要包括:通信、收費(fèi)、監(jiān)控三大系統(tǒng)中所采用的機(jī)械電子設(shè)備。其中收費(fèi)車道 (廣場(chǎng))設(shè)備及監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備是最容易受到電磁干擾影響的設(shè)備。按照環(huán)境電磁學(xué)的理論,電磁干擾(簡(jiǎn)稱EMI, Electro-magnetic Interference)屬于電磁污染,污染源分為天然污染源和人為污染源。天然的電磁污染是自然現(xiàn)象引起的,最常見的是雷電,火山噴發(fā)、地震和太陽黑子活動(dòng)引起的磁暴等都會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。        人為的電磁污染主要有: 1)脈沖放電。例如切斷大電流電路時(shí)產(chǎn)生的火花放電。2)工頻交變電磁場(chǎng)。例如在大

4、功率電機(jī)、變壓器以及輸電線等附近的電磁場(chǎng)。3)射頻電磁輻射。例如無線電廣播、電視、微波通信等各種射頻設(shè)備的輻射。對(duì)于高速公路機(jī)電設(shè)備最常見的干擾當(dāng)數(shù)雷電, 雷電可分為直擊雷、感應(yīng)雷和球形雷,其中球形雷比較罕見,雷電直接擊中公路機(jī)電設(shè)備也較少,比較常見的是感應(yīng)雷,空中云層放電產(chǎn)生能量巨大的電磁場(chǎng),通過電纜感應(yīng)形成瞬間脈沖高壓進(jìn)入設(shè)備,造成損毀,這是公路機(jī)電設(shè)備的大敵。        高速公路上安裝的緊急電話外場(chǎng)分機(jī)、監(jiān)控系統(tǒng)外場(chǎng)設(shè)備如可變情報(bào)板、可變限速標(biāo)志、車輛檢測(cè)器等,暴露在空曠的野外,而且有較長(zhǎng)的電纜連接,極易

5、引雷,所以做好防雷接地、做好防感應(yīng)雷措施是非常重要的。其次是上面所說的脈沖放電,汽車的火花塞是公路機(jī)電設(shè)備常遇到的電磁污染源,尤其是收費(fèi)系統(tǒng)車道設(shè)備,多為精密的計(jì)算機(jī)設(shè)備,距離車輛較近,而且連接大量的外部設(shè)備,容易引入電磁干擾。在本文開始提到的問題就是由于鍵盤受到電磁干擾而產(chǎn)生的,經(jīng)過仔細(xì)檢查,發(fā)現(xiàn)在出廠時(shí)有些鍵盤的屏蔽線沒有接地,并且鍵盤的電路設(shè)計(jì)缺乏抗干擾特性,所以會(huì)出現(xiàn)上述現(xiàn)象。        電磁干擾的另一個(gè)危害是干擾系統(tǒng)通信,使通信線路產(chǎn)生大量誤碼。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在公路交通管理中的應(yīng)用越來越普遍,在監(jiān)控中心、

6、收費(fèi)站、收費(fèi)廣場(chǎng)的布線中多采用UTP (非屏蔽雙絞線)電纜進(jìn)行布線, UTP電纜屬于平衡傳輸系統(tǒng),它利用傳輸線對(duì)的扭絞來抵消電磁干擾及電磁輻射,但UTP電纜只有具有理想的平衡特性才能有效地抵消電磁干擾及電磁輻射。        理想的平衡UTP是不存在的,因?yàn)閁TP的平衡特性受周圍環(huán)境影響,當(dāng)UTP電纜附近存在金屬物體或隱蔽接地時(shí),由于不同導(dǎo)體與金屬物體或地的距離不同, UTP的平衡特性會(huì)遭到破壞。另外彎曲也會(huì)破壞UTP的平衡特性,在實(shí)際安裝時(shí),電纜不可避免要彎曲,當(dāng)電纜彎曲時(shí),相鄰絞節(jié)將疏密不同,不能有效抵消電磁

7、干擾及電磁輻射。第三, UTP的節(jié)距與電磁干擾或信號(hào)波長(zhǎng)相比必須充分小,才能有效地抵消電磁干擾和電磁輻射,即節(jié)距越小, EMC性能越好,但雙絞線的絞結(jié)節(jié)距不可能無限減小。        實(shí)驗(yàn)證明,當(dāng)外界電磁干擾或網(wǎng)絡(luò)工作頻率超過30MHz時(shí), UTP的EMC性能下降,即網(wǎng)絡(luò)的可靠性降低,誤碼率增大,電磁輻射也相應(yīng)增大。以往公路交通行業(yè)使用的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工作在較低的頻率范圍內(nèi),如10Mbps以太網(wǎng), UTP電纜在這樣低的工作頻帶內(nèi)具有一定的EMC能力,而且計(jì)算機(jī)通信具有出錯(cuò)重發(fā)及糾錯(cuò)能力,所以網(wǎng)絡(luò)能夠在一定的電磁環(huán)境中

8、正常工作。而現(xiàn)在使用的網(wǎng)絡(luò)多為快速以太網(wǎng)(100Mbps),遠(yuǎn)超過30MHz的范圍了,這樣在監(jiān)控中心、收費(fèi)站、收費(fèi)廣場(chǎng)進(jìn)行布線時(shí),一定要嚴(yán)格注意避免將網(wǎng)絡(luò)線布設(shè)在干擾源周圍,也要注意避免將網(wǎng)線與電力線纜平行布設(shè)。如果無法避免,則可以使用屏蔽雙絞線進(jìn)行布線,屏蔽雙絞線的EMC 性能比UTP要高很多,當(dāng)然成本也高一些。        使用屏蔽布線系統(tǒng)的另一個(gè)好處是安全性較高, 我們不僅要考慮防止EMI對(duì)系統(tǒng)的干擾,同時(shí)也要考慮到系統(tǒng)本身也是一個(gè)電磁輻射源, UTP相當(dāng)于發(fā)射的天線,竊聽者可能會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)攔截,不過這個(gè)問題

9、不是本文討論的重點(diǎn)。雖然在收費(fèi)系統(tǒng)的拆賬中心、銀行聯(lián)網(wǎng)點(diǎn)等關(guān)鍵部分可能需要關(guān)注數(shù)據(jù)安全問題,但本文主要討論的是EMI對(duì)系統(tǒng)的影響和系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備之間的EMI影響,不過相信這個(gè)問題也將隨著聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)的規(guī)模擴(kuò)大逐步提上討論日程。        2抗電磁干擾技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀有關(guān)電磁干擾與電磁兼容已形成一個(gè)獨(dú)立的學(xué)科,稱為環(huán)境電磁學(xué),該學(xué)科是環(huán)境物理學(xué)中新形成的一個(gè)分支學(xué)科,主要研究各種電磁污染的來源及其對(duì)人類生活環(huán)境的影響。它的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容是研究和提高電子儀器和電氣設(shè)備在強(qiáng)烈電磁波干擾的環(huán)境中工作的穩(wěn)定性和可靠性。

10、0;       1943年成立的國(guó)際無線電干擾特別委員會(huì)(CIS- PR),早就在測(cè)定方法、干擾標(biāo)準(zhǔn)和抑制技術(shù)等方面開展了研究工作。此后,隨著電工、無線電技術(shù)的飛躍發(fā)展,抗干擾的研究不斷取得成果,國(guó)際和國(guó)內(nèi)的科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究工作,已基本形成了標(biāo)準(zhǔn)體系和認(rèn)證體系,在電子行業(yè)推廣得比較普遍。         3電磁兼容方面的機(jī)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)電磁兼容相關(guān)的組織和機(jī)構(gòu)有IEC (國(guó)際電工委員會(huì))、URSI (國(guó)際無線電科學(xué)聯(lián)盟)、IEEE-

11、EMC (跨國(guó)電氣電子工程師學(xué)會(huì)電磁兼容專業(yè)委員會(huì))、 FCC (美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì))等。相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)系列包括: ISO標(biāo)準(zhǔn)、IEC標(biāo)準(zhǔn)、 FCC標(biāo)準(zhǔn)、EN (歐洲標(biāo)準(zhǔn)),我國(guó)也根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制訂了部分國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。        大部分的國(guó)家都有自己的電磁兼容測(cè)試和認(rèn)證機(jī)構(gòu),并且有規(guī)范的電磁兼容測(cè)試實(shí)驗(yàn)室。如美國(guó)的 FCC認(rèn)證,歐盟的CE認(rèn)證,我國(guó)已在家電行業(yè)推行 CCC認(rèn)證(中國(guó)國(guó)家強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證),由中國(guó)電磁兼容認(rèn)證中心負(fù)責(zé)測(cè)試與認(rèn)證。推廣電磁兼容認(rèn)證,對(duì)于保證設(shè)備的電磁輻射符合標(biāo)準(zhǔn),并且具有較好的電磁干擾防護(hù)水平,

12、是具有很大意義的。對(duì)于公路交通大批量使用的機(jī)電設(shè)備, 應(yīng)當(dāng)通過電磁兼容測(cè)試與認(rèn)證。        4高速公路機(jī)電設(shè)備抗電磁干擾應(yīng)對(duì)措施解決EMI的影響,有兩個(gè)方法:增強(qiáng)防護(hù)性能、提高設(shè)備自愈自檢能力。         (1)增強(qiáng)防護(hù)性能防護(hù)電磁污染,首先要堵住電磁污染傳播的途徑,電磁污染傳遞途徑一是通過空間直接輻射;二是借助電磁耦合由線路傳導(dǎo)。只要截住電磁污染傳播的途徑,就能夠防止電磁污染對(duì)設(shè)備的危害。淺談高速公路機(jī)電設(shè)備的抗

13、電磁干擾問題電磁輻射的防護(hù)手段是在電磁場(chǎng)傳遞的途徑中安設(shè)電磁屏蔽裝置,使有害的電磁場(chǎng)強(qiáng)度降低至容許范圍以內(nèi)。電磁屏蔽裝置一般為金屬材料制成的封閉殼體。        當(dāng)交變的電磁場(chǎng)傳向金屬殼體時(shí),一部分被金屬殼體表面所反射,一部分在殼體內(nèi)部被吸收,這樣透過殼體的電磁場(chǎng)強(qiáng)度便大幅度衰減。電磁屏蔽的效果與電磁波頻率、殼體厚度和屏蔽材料特性等有關(guān)。一般地說,頻率越高,殼體越厚,材料導(dǎo)電性能越好, 屏蔽效果也就越好。電磁屏蔽可分為有源場(chǎng)屏蔽和無源場(chǎng)屏蔽兩類。前者是把電磁污染源用良好接地的屏蔽殼體包圍起來,以防止它對(duì)殼體外部

14、環(huán)境的影響;后者則是用屏蔽殼體包圍需要保護(hù)的區(qū)域,以防止外部的電磁污染源對(duì)殼體內(nèi)部環(huán)境產(chǎn)生干擾。對(duì)于在公路交通行業(yè)使用的機(jī)電設(shè)備,應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)電磁屏蔽,一方面減小對(duì)周邊環(huán)境的電磁輻射,另一方面減小來自外界的電磁干擾。比如在收費(fèi)亭內(nèi),可能會(huì)裝有多種設(shè)備,如車道控制器、顯示器、發(fā)卡/ 讀卡機(jī)、對(duì)講機(jī)、電源設(shè)備等,如果其中有產(chǎn)生電磁干擾的設(shè)備,那么系統(tǒng)工作就很可能出現(xiàn)不正常。另外,只增強(qiáng)屏蔽,而不將屏蔽層有效接地,也會(huì)妨礙屏蔽效果,為了抑制變化的電磁場(chǎng)的干擾而采用的多種屏蔽層、屏蔽體,都必須良好地接地,才能起到良好的屏蔽作用。      

15、60;  (2)提高設(shè)備自愈自檢能力毫無疑問,任何防護(hù)都是針對(duì)一定的電磁干擾水平的,無限制提高防護(hù)水平無疑會(huì)大幅度增加成本。以上面所述鍵盤的案例來說,鍵盤的連接線是比較容易引入電磁干擾的部分,為連接線增加屏蔽層,提高了鍵盤的抗電磁干擾能力,對(duì)于類似于汽車火花塞、電動(dòng)工具等等強(qiáng)度的電磁輻射起到了很好的防護(hù)作用。但電磁干擾強(qiáng)度加大會(huì)怎樣呢?在問題解決之后很久,用戶通知筆者:現(xiàn)象又出現(xiàn)了。于是在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間觀察,沒有發(fā)現(xiàn)任何規(guī)律。在與收費(fèi)員的閑談中偶然發(fā)現(xiàn),由于個(gè)別收費(fèi)員厭倦工作,于是借來電擊槍,在鍵盤連接線旁連續(xù)放電,這樣做幾下, 百分之百會(huì)出現(xiàn)問題。  

16、;      原因找到了,問題也通過增強(qiáng)管理得到解決,但也為鍵盤設(shè)計(jì)增加了教訓(xùn),除了增強(qiáng)連接線的屏蔽層外,還可以通過看門狗電路來解決問題,看門狗電路是一個(gè)形象的說法,是一個(gè)負(fù)責(zé)監(jiān)督鍵盤單片機(jī)軟件的芯片,鍵盤軟件每隔1·5s將看門狗芯片的電平翻轉(zhuǎn)一次,如果1·5s時(shí)沒有翻轉(zhuǎn),看門狗芯片將自動(dòng)觸發(fā)鍵盤的復(fù)位信號(hào),重新啟動(dòng)一次鍵盤軟件,這樣就保證了鍵盤不會(huì)發(fā)出大量的亂碼,系統(tǒng)就不致崩潰了。另外,在車道控制器軟件的編制中,應(yīng)當(dāng)將不用的字符鍵和系統(tǒng)功能鍵等屏蔽掉。上面說到的是收費(fèi)系統(tǒng)的問題,在監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備中,也大量使用了單片機(jī)和外場(chǎng)設(shè)備控