UHP光源舞臺燈具控制系統抗干擾技術*

彭穎茹 蔣偉楷 林學貴 戴健旭 韓笑

（廣州市浩洋電子有限公司）

UHP光源舞臺燈具控制系統抗干擾技術*

彭穎茹 蔣偉楷 林學貴 戴健旭 韓笑

（廣州市浩洋電子有限公司）

UHP光源的舞臺燈具包含調焦、圖案盤、切割和CMY染色等多套系統，系統采用多單片機控制和網絡控制，結構復雜。本文對控制系統采取全面的電磁兼容設計，防止大功率鎮流器和開關電源對系統影響，提高可靠性，并根據干擾源的性質和形式，從硬件、軟件和電源等方面采取一系列抗干擾措施，克服了系統的不穩定性和干擾的影響，取得較好效果。

抗干擾；電磁兼容；屏蔽；接地；軟件抗干擾

1 引言

UHP燈泡（Ultra High Performance）屬于冷光源的超高壓汞燈泡，具有體積小、壽命長、色譜較寬等優點，已普遍用于投影機和大屏幕背投電視上，取得較好效果。本項目舞臺燈具采用新型UHP光源，相對于其它普通光源燈具，大大提高了光效和燈泡壽命，節能效果顯著，產品出口歐美。由于出口產品對電磁兼容等方面有嚴格標準，必須通過相應EMC標準測試。UHP光源舞臺燈具不僅功率密度增加、體積縮小，且大功率高壓電子鎮流器和開關電源對控制系統產生干擾，因此系統抗干擾和可靠性非常重要[1～3]。

UHP光源舞臺燈具控制系統工作環境比較特殊和復雜，要求系統具有較高可靠性和安全性。舞臺燈具系統包含調焦、圖案盤、切割、CMY染色和無線遙控等多套系統，結構復雜，需采用多單片機控制。影響系統可靠、安全運行的主要因素是來自系統內部和外部的各種電氣干擾及系統結構設計、元器件選擇、安裝、制造工藝和外部環境條件等。最大限度地降低大功率鎮流器和開關電源等對單片機系統的干擾，以提高系統的可靠性。

2 電路系統結構與電磁兼容分析

圖1為舞臺燈具控制系統電路結構圖，采用多路開關電源和多單片機控制，提高系統抗干擾性和穩定性。系統采用模塊化結構，增加功能只需要增加控制板，所有控制都采用AVR單片機。

圖1 控制系統電路結構圖

由圖1可知干擾源主要有三類：① 內部高壓電子鎮流器，燈泡啟動時鎮流器產生2kV～5kV的驅動電壓，正常工作時80V～100V電壓；② 開關電源和燈泡等產生的干擾；③ 外部電源干擾，包括電源和變壓器空間輻射、開關電源耦合干擾、信號通道和通信電路中阻抗不匹配、du/dt、di/dt干擾等。干擾通過空中電磁波、信號線和電源線等通道傳播。

UHP舞臺燈具電磁兼容設計采用了主動預防、整體規劃的方案，按照規范進行設計和測試，使系統盡量減小電磁干擾的影響及對其它電子設備產生影響。針對干擾的產生來源、傳播途徑、侵入位置和形式，采取“綜合治理”的措施，從硬件、軟件和電源等方面采取一系列抗干擾措施[1,3～5]，抑制耦合通道、減弱電路對噪聲干擾的敏感性。

3 硬件抗干擾措施

采用多種硬件抗干擾措施可以削弱或抑制絕大部分干擾。本文主要采用電源濾波技術、隔離技術、屏蔽技術、接地技術和去耦電路等抗干擾措施[1,3,4]。

3.1電源抗干擾

舞臺燈具強弱電混合一體，弱電部分容易受強電干擾，采用強弱電隔離、分路供電等手段減少對單片機系統的干擾。步進電機驅動電路采用有隔離的交流85V～265V寬輸入范圍、24V輸出開關穩壓電源，控制回路再變壓穩壓。每塊控制板采用34063電源模塊連接電感，提供5V單片機穩壓電源，不會受到導線細小或負載跳變的影響，提高電源可靠性。

電源干擾抑制主要采用隔離、濾波和屏蔽層等方法。在變壓器初、次級間插入接地的屏蔽層，能使干擾電壓通過屏蔽層旁路掉，從而減小輸出端共模干擾電壓。在電源輸入端加如圖2所示的抗干擾濾波器，具有雙向抑制作用，C1抑制高頻差模干擾；C2和C3抑制高頻共模干擾；L1磁環中兩個線圈15圈繞向相同，可有效抑制回路的共模干擾；在交流電源輸入端采用RV壓敏電阻，該器件在超過閾值電壓后阻抗急劇下降，對尖峰電壓有強抑制作用。

圖2 電源抗干擾濾波器

3.2 屏蔽技術

UHP舞臺燈具控制系統屏蔽主要針對內部鎮流器、開關電源、割斷電場、高頻磁場或電磁場耦合的空間耦合通道，相對于外部干擾，燈具本身就是一個屏蔽體。

鎮流器與開關電源的屏蔽。鎮流器采用由導電性能良好的完整閉合銅作電場屏蔽體，需要良好接地；而開關電源的磁場屏蔽采用鐵磁材料，可不必接地，以防止輻射干擾。

3.3 信號隔離

信號隔離可分為對模擬信號和數字信號的隔離。輸入數字信號采用光電耦合器，隔離傳導干擾的能力可以達到500V～1kV。光電耦合器輸入輸出采用不同電源，而且不能共地。輸出數字信號采用繼電器和光控可控硅隔離，繼電器的線圈和觸點之間沒有電氣上的聯系，避免強電和弱電的直接接觸，實現了抗干擾隔離。

模擬信號有線性光電隔離、變壓器隔離和數字端光電隔離三種方法，舞臺燈具只有兩個風扇電機調速是模擬輸出信號，采用PWM信號的數字輸出和光電隔離，控制風扇電機的轉速。

3.4 接地技術

單片機系統良好接地可以在很大程度上抑制系統內部噪聲耦合和外部干擾的侵入。系統中采用多種接地方式，強電是采用電網接地方式，即黃綠線接電源地；內部弱電電源采用浮地方式。在模塊傳輸信號中采用雙絞線可以有效防止干擾，其中雙絞線中一根作信號線，另一根兩端接地可以防止電磁干擾，所以在不同的場合要采用相應的接地方式。

單片機信號線屏蔽線接地。控制系統內部較長的低頻信號線用金屬編織屏蔽線連接，在靠近鎮流器干擾嚴重的一端屏蔽層單點接地，避免兩端接地電阻壓降造成干擾耦合。對于高頻通信線，信號線長度超過信號波長的1/4，采用兩端接地或多點接地，以減少接地阻抗和防止電纜傳輸中反射干擾。

晶振外殼需要接地，且在晶振時鐘線上加濾波電容。晶振周圍都是高頻電路，需要采用地線包圍以減少干擾。在高頻的電路板上走線，相當于電容、電阻和電感三者的串聯，會產生高次諧波，晶振布局如果靠近電路板邊緣或走線過長，會充當發射天線。

3.5 去耦電路

數字電路信號在快速電平轉換時會產生很大沖擊電流，并在傳輸線和供電電源內阻上產生較大壓降，形成嚴重脈沖噪聲。為此在數字電路接口部分加入RC濾波環節，抑制脈沖噪聲。每個芯片配置去耦電容，既可吸收集成電路開關瞬間充放電能量，又能旁路掉該器件的高頻噪聲，可有效抑制干擾。一般去耦電容取0.1μF，驅動芯片取0.33μF，以加大充放電容量。

4 軟件抗干擾措施

竄入單片機系統的干擾頻譜很寬，硬件抗干擾措施只能抑制某個頻段干擾，仍有一些干擾會侵入系統，還要采用軟件抗干擾措施[5]。

(1) 通信抗干擾技術。舞臺燈具通過DMX-512接口協議與控臺連接形成網絡，為避免DMX512信號傳輸受干擾，通過設置，在DMX512傳輸信號末端接終端器，即在最后一臺燈具的XLR信號輸出口2、3插腳之間接120歐姆電阻。

(2) 系統軟件陷阱技術。當亂飛程序進入非程序區或表格區，采用冗余指令不能使程序進入正常軌道時，可以設定軟件陷阱，攔截亂飛程序，將其引向一個指定初始位置。為了提高抗干擾性能，將陷阱指令組分散放置在用戶程序各模塊之間的空余單元里。正常程序不執行這些陷阱指令，當程序亂飛落到這些陷阱區時，自動將亂飛程序拉到正確軌道。

(3) “看門狗”技術。當程序飛到一個無程序區或PC指針指向一個不存在的地址時，采用看門狗技術使程序脫離死循環。ATmega 8位單片機內部有一個相對獨立的計數自動重啟部件，啟動后一旦單片機程序出問題，不在一定時間內清除計數值，就會出現計數最高值溢出，使單片機重啟復位。

5 電磁兼容測試

產品出口歐美必須通過嚴格的EMC測試[2]，該產品按照EN55015和EN61000的標準，對電磁騷擾和電磁干擾等10多項指標進行嚴格測試，如電磁騷擾的磁場發射、輻射發射和諧波電流發射等指標，電磁抗干擾的靜電放電試驗、射頻場強度的敏感性試驗、電快速瞬變脈沖群試驗、磁場抗擾性試驗等。輻射騷擾電磁場的測試往往難以達到，圖3為初次測試結果，不規則曲線為測試線，可見在40MHz、83MHz和108MHz時都超標，最大超標10%。經過分析并采取整改措施：底板加屏蔽處理、總電源輸入端加鐵氧體共軛磁環、開關電源和鎮流器輸入端串入低損耗濾波器。整改后測試曲線如圖4所示，完全達到指標要求。2011年3月通過了嚴格的CE認證，達到歐盟電磁兼容技術標準。

圖3 輻射騷擾電磁場初次測試曲線(垂直極化)

圖4 輻射騷擾電磁場整改測試曲線(垂直極化)

6 結束語

基于UHP燈泡的舞臺燈具控制系統具有結構緊湊、強弱電結合和多單片機的特點，容易受到干擾，大多數干擾是一些常見的噪聲源和耦合途徑，例如大功率鎮流器和開關電源的噪聲干擾。雖然歐盟對于EMC標準要求嚴格，但是只要系統地采取抗干擾的方法，并對一些突出干擾采取針對性措施，根據結構和電路的實際情況將這些方法有效地結合使用，就能達到最佳抗干擾效果。

[1] 安紅戰,周亞焱.單片機抗干擾技術應用探討[J].機床電器,2011,38(1):40-41.

[2] 郭遠東.LED舞臺燈電磁兼容整改實例[J].江南大學學報(自然科學版),2011,10(9):63-66.

[3] 王幸之,王雷,鐘愛琴,等.單片機應用系統電磁干擾與抗干擾技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2006.

[4] 李志宇.單片機控制系統抗干擾設計[J].電子測量技術,2007,30(6):100-102,117.

[5] 覃毅,湯榮江,等.單片機應用系統的軟件抗干擾措施[J].廣州:單片機開發與應用,2007,23:101-103.

Anti-Interference Technology of UHP Lamp Stage Lighting Control System

Peng Yingru Jiang Weikai Lin Xuegui Dai Jianxu Han Xiao
(Guangzhou Hao Yang Electronic Co. Ltd)

The UHP lamp stage lighting contains several sub-systems including focus, gobo wheel, profiling, CMY color mixing and network control system. Multi-chips control and wireless network control are always adopted for this system, which makes the structure too complicated. Electro Magnetic design is adopted for the control system and to prevent the impact of high power ballast and switch source on the system, thus increasing reliability and reducing the impact of the interfere on the system. This paper introduces a series of anti-interference measures in software, hardware and power source to overcome adverse effects of instability and interference according to the character and form of interfering sources.

Anti-Interference; Shied; Optoelectronic Isolate; Grounding; Software

廣州市番禺區科技計劃項目（2011-專02-4.20）

彭穎茹，女，1971年7月生，籍貫廣東番禺，從事舞臺燈光設備技術研發十余年。