機載電子系統抗干擾設計分析

徐楠 周前柏 包健龍

摘 要：隨著機載電子設備的增加，機載電子系統之間的電磁環境也越來越復雜。在復雜電磁環境下，采取有效抗干擾措施才能使系統能夠穩定工作。本文通過對機載電子系統綜合驗證場景的實例分析，簡要介紹了幾種抗干擾的設計措施。

關鍵詞：機載電子系統；電磁兼容；抗干擾；軟件魯棒性；濾波器

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

隨著電子技術迅猛發展，大量電子設備廣泛應用于機載設備的各個領域。電子設備的廣泛應用和發展，導致飛機周圍空間產生的電磁場電平的不斷增加，飛機機載設備之間的電磁環境也越來越復雜。計算機系統對電磁環境比較敏感，同時還會污染局部電磁環境對其他設備形成干擾，各系統的電磁兼容直接影響產品的性能，嚴重的直接危及飛機的飛行安全。因此，研究控制和消除干擾尤為重要，使機載電子設備或系統與其它設備能夠協調工作。

本文通過對機載電子系統在綜合過程中硬件及軟件的分析，提出幾種抗干擾的設計措施及其實例分析。

1 EMC設計和系統間抗干擾分析

機載電子系統的電磁兼容性設計和抗干擾設計是一個綜合的技術，需要從設計的軟、硬件各個層面共同采取措施。

在設計早期階段重點關注EMI，電子系統早期的EMC設計有很多優勢，可以提高自身工作的穩定性，可以幫助系統減少設計及測試成本。早期的EMC設計方法很多，本文簡要介紹了印制板設計、結構設計的措施。

機載復雜系統間的綜合還應分析“干擾源”和“受擾者”的耦合情況，采取抗干擾措施，減輕相互的干擾。本文以實例分析的形式展開抗干擾的分析。

2 印制板設計措施

計算機系統中的時鐘是最高的頻率信號，它的全部能量都集中在由基頻和諧波頻率組成的窄帶內。在大多數情況下，來自時鐘的輻射超過其他部分的輻射。因此，為了使時鐘回路的總面積不超過幾個平方厘米，所有的時鐘都應與地回路線相連。為了限制時鐘信號對印制線路板的那些引出線耦合，時鐘電路應放在遠離輸入/輸出引線的地方。為了減小交擾，時鐘引線不應在長距離與信號線或數據總線并行走線。對地址總線、數據總線和其他各種信號線應就近提供一個信號回路，地回路最好設置在最不重要的地址引線附近。

3 屏蔽結構的設計

隨著系統的集成度提高，一個電子模塊中會集成多個處理器和多種晶振。為解決模塊級的電磁兼容性，可設計電子模塊的屏蔽結構框并良好接地。在產品整體設計時，選用帶信號屏蔽的連接器，對機箱進行密封設計并良好接地。將產品內外的電磁輻射發射通道隔斷。采用濾波電連接器：電纜的長度往往由飛機的實際需要決定，控制電纜共模輻射的最好的方法是減小高頻共模電流的幅度，因為高頻共電流的輻射效率很高，是造成電纜超標輻射的主要因素。減小電纜上共模高頻電流的一個有效方法是在電纜的端處使用低通濾波器，濾除電纜上的高頻共模電流。濾波電連接器是解決這個問題的理想器件。濾波電連接器的每個插針上有一個低通濾波器，能夠將插針上的共模電流濾掉。

4 機載系統綜合實例

圖1中給出了機載系統綜合的一個實例。在此系統中，綜合處理機作為信息中轉設備將燃油測量系統和其他機載系統的數據發給顯控系統供飛行員查看。再結合時標信息將數據發給飛參系統進行數據記錄。在本系統中采用了RS422，模擬量，離散量等接口。

早期的EMC優化設計后，在全系統綜合時，因系統交聯的復雜性，又出現了綜合處理機偶發復位的現象。復位出現時測量到的信號波形如圖2所示。

根據測量到的波形分析，由軟復位產生的系統復位有效時間為40us左右，復位源為軟復位。進一步測試，在系統啟動燃油系統的422數據傳輸時，會發生復位。將燃油422斷開后，現象消失。分析復位與422通訊的關聯情況，在處理機的接收軟件中，聲明了長度為70的數組作為接收緩沖區。模擬燃油系統422接口數據的包長字為01h～0ffh，發現包長字在超出規定的數組長度時，故障會復現。

根據軟復位產生的機理，分析如圖3所示。

問題的根源在于422接口受電磁干擾后會偶發出現包長字誤碼。而驅動軟件是根據接收到的包長字進行臨時數組數據創建。在422接口接收到誤碼后引起軟件數組越界，進而CPU進入特殊總線周期造成總線超時例外，產生軟復位信號，導致復位、死機。

實例中的問題，說明在機載復雜電子系統綜合時，在解決“干擾源”的問題后，還需要做好“受擾者”的抗干擾措施。從以下三個方面闡述。

5 電源的抗干擾措施

在許多數據處理機中，最大的射頻干擾表現為電源線上的傳導發射。可以在主電源線上安裝一個L型濾波器，就能十分有效地抑制這類干擾。需通過對用電環境、產品功耗、電源品質的分析計算，選擇合適的濾波器。

6 傳輸線的抗干擾措施

采用雙絞線能降低共模干擾（見圖4），當電流在線路流動時，由于雙絞線位置不斷地改變，導線內的電磁感應e的方向也就改變了，從而使其互相抵消， 若采用具有屏蔽的雙絞線，既可屏蔽外界的干擾又達到平衡電磁感應的作用。實例中的422數據的干擾源就來自信號線。在實例中，干擾來自燃油系統的422信號線，通過重新敷設雙絞電纜，并做好信號線屏蔽連續，消除了此干擾源。

7 軟件魯棒性設計

在進行軟件抗干擾設計時，引入了魯棒性設計的概念。魯棒性是在異常和危險情況下系統生存的關鍵。比如說，計算機軟件在參數變化，系統噪聲，不可預測的干擾輸入情況下，能否不死機、不崩潰，就是該軟件的魯棒性。

在有數據采集的計算機系統中，由于受電磁環境的影響，采集的數據中包含有干擾成分。為此，可以采用比較平均法設計數字濾波軟件。

比較平均法是為了剔除個別大的干擾產生的數據偏差或控制系統的誤動作，其方法是用比較判決，如對采樣點連續采樣3次，用“3取2”的判決來剔除瞬間強干擾信號造成的錯誤。實例中涉及了離散量信號的防抖設計，系統中的離散量信號均為慢速系統，使用比較平均法，在保證信號采集的實時性基礎上，濾除信號上的干擾。

實例中的422驅動軟件的魯棒性不足。僅按通訊協議建立了基本的通訊。沒有考慮傳輸信號干擾帶來的影響。為加強魯棒性，可以擴展數據的緩沖區，也可以對關鍵的數據參數進行軟件濾波。

8 結語

機載電子系統的電磁兼容性設計和抗干擾設計是一個綜合的技術，需要從設計的軟、硬件各個層面共同采取措施，并分析“干擾源”和”受擾者”的耦合情況。才能夠提高系統工作的穩定性。

因篇幅和作者經驗有限，不能逐一進行闡述。本文僅圍繞典型案例，列舉了相應的抗干擾措施。在實際工程中，這些措施有效的抑制了電磁干擾，盡早通過系統級的電磁兼容試驗來驗證這些措施也是很有必要的。

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作者簡介：徐楠（1981-），男，陜西西安人，本科，工程師，研究方向：計算機應用技術。