復(fù)雜干擾環(huán)境下機載電源通信可靠性研究

葛 偉，李克鋒，楊志云，錢瑜明，劉 虹

（上海空間電源研究所，上海 200245）

1 研究背景

無人機電源通信的作用是將機上電源參數(shù)、狀態(tài)等信息傳輸?shù)降孛嬗^測站，供地面人員對電源的狀態(tài)進(jìn)行讀取、判斷，是對機上電源監(jiān)測的一種方式。電源為機上負(fù)載提供工作所需電能，其通信異常將對機上設(shè)備工作的安全性和可靠性構(gòu)成隱患，因此需要采取相應(yīng)的設(shè)計方式提高電源通信的可靠性。目前，提高電源通信可靠性的方式主要從硬件電路、軟件和空間物理隔離3個方面入手[1]。在電路中加入電氣隔離可以消除傳導(dǎo)干擾；通過軟件強壯性設(shè)計可以避免軟件執(zhí)行過程中的失效模式，并增加系統(tǒng)自恢復(fù)能力；通過空間物理隔離如電纜包裹磷銅網(wǎng)，印制板組件置于屏蔽空間內(nèi)，可以增加產(chǎn)品抗輻射干擾的能力。

2 異常現(xiàn)象

安裝于無人機艙內(nèi)的電源組件采用RS485通信模式，在飛行過程中發(fā)生的通信異常現(xiàn)象分為兩種——沒有數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)跳變明顯。

3 原因分析

機載電源由電池組、印制板組件、內(nèi)部連接導(dǎo)線以及外殼組成。其中，印制板組件具有電池組、電池單元相應(yīng)保護(hù)和RS485通信功能。機載電源在無人機啟動后的整個工作過程中為機上設(shè)備供電，無人機在啟動過程中的用電由28 V地面電源提供。

根據(jù)無人機陣地上電狀態(tài)電源通信異常的現(xiàn)象，結(jié)合在機艙內(nèi)電源安裝位置、與其他設(shè)備的連接方式以及外部電源輸入等方面內(nèi)容對問題進(jìn)行綜合分析，對電源通信異常的原因歸納為“電磁干擾”“噪聲干擾”“軟件強壯性不足”及“上位機通信異常”4個方面。其中，“噪聲干擾”分為“通信線路受28 V電源噪聲干擾”和“集成電路受28 V電源噪聲干擾”兩部分；電源通信異常的故障樹分析如圖1所示。

圖1 電源通信異常故障樹

電源通信異常原因分析過程的具體內(nèi)容[2]，如表1所示。

4 問題定位

對整機進(jìn)行上電復(fù)測，在過程中先后采取“包覆鋁箔”“改裝電纜”“更換地面電源”的防干擾措施。根據(jù)現(xiàn)場防干擾措施采取前、后的數(shù)據(jù)及現(xiàn)象比較結(jié)果看，采取的措施效果較為明顯。

采取防干擾措施后，對整機重復(fù)加、斷電，每次加電均有通信數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)顯示的穩(wěn)定性明顯提高。將上述3種措施綜合在一起的情況下，通信出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)的現(xiàn)象雖存在但非常少，可以解釋為鋁箔包覆嚴(yán)密性不夠，電源內(nèi)部印制板組件及外部插頭插座部位仍然遭受少量電磁干擾。從原理上來說，電磁干擾只能減弱而無法完全規(guī)避，所以從理論上解釋也說得通。

根據(jù)測試比較的結(jié)果，結(jié)合陣地上電狀態(tài)的異常現(xiàn)象，將電源通信異常的原因定位到“受飛控模塊電磁干擾影響”“電纜制作缺乏設(shè)計和工藝性”“受陣地上電狀態(tài)所用28 V地面電源噪聲影響”及“軟件強壯性不足”上。對于“地面觀測站上位機通信異常”，由于反復(fù)的測試沒有出現(xiàn)相應(yīng)的異常現(xiàn)象作為判斷依據(jù)，暫時無法說明一定有問題，但可以作為地面觀測站設(shè)計改進(jìn)的一個方向。

所以，電源通信異常現(xiàn)象最終確定為如下4個方面的原因綜合作用所致[3]：（1）受飛控模塊電磁輻射影響；（2）電纜制作缺乏設(shè)計性和工藝性；（3）受陣地上電狀態(tài)所用地面28 V電源噪聲影響；（4）軟件強壯性不足。

表1 電源通信異常原因分析表

5 排故過程

5.1 電源編號

對出現(xiàn)通信異常現(xiàn)象的6塊電源進(jìn)行編號，具體如表2所示。

表2 電源編號列表

5.2 解決措施

根據(jù)原因定位，依次對電源、電纜以及地面電源采取相應(yīng)的措施。

5.2.1 殼體隔離

措施內(nèi)容：對通信異常的電源殼體外表面（包括插頭插座部位）整體包覆鋁箔。

實施效果：①～⑥電源分別安裝在整機上多次加、斷電測試，發(fā)現(xiàn)①～⑥電源通信功能明顯改善，每次上電后觀察5 min，每次出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)的次數(shù)減少為5～8次，電源⑤、⑥始終沒有通信。

5.2.2 電纜更改

措施內(nèi)容：在殼體隔離措施的基礎(chǔ)上更改電纜，RS485通信線雙絞，且僅在通信線外部包裹防波套，把28 V正負(fù)線置于防波套外軍綠套管內(nèi)。

實施效果：①～⑥電源分別在整機上多次加、斷電測試，發(fā)現(xiàn)①～④電源通信功能進(jìn)一步改善，電源⑤恢復(fù)通信，各電源每次上電后觀察5 min，每次出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)的次數(shù)降為2次以內(nèi)，電源⑥通信仍未恢復(fù)。

5.2.3 地面電源更改

措施內(nèi)容：在電纜更改措施的基礎(chǔ)上更改地面電源，將28 V啟動電源由二次電源供電更換為蓄電池供電。

實施效果：①～⑥電源分別在整機上多次加、斷電測試，發(fā)現(xiàn)①～④電源通信功能基本正常，各電源每次上電后觀察15 min，出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)的次數(shù)均明顯降低，其中電源③達(dá)到了只出現(xiàn)1次異常數(shù)據(jù)的效果。對于1次數(shù)據(jù)異常，完全可以理解為鋁箔包覆嚴(yán)密性不夠，電源內(nèi)部印制板組件及外部插頭插座部位仍然遭受少量電磁干擾所致。

5.2.4 提高軟件強壯性

措施內(nèi)容：對軟件進(jìn)行升級，提高強壯性。

實施效果：①～⑤電源軟件升級后（電源⑥軟件更新未成功）依次裝機并重復(fù)加、斷電測試，通信功能始終正常，電壓參數(shù)跳變的幅度降為±2 V以內(nèi)，不再出現(xiàn)誤差10 V以上的情況。

5.3 措施有效性判斷

根據(jù)每項改進(jìn)措施實施后測試結(jié)果明顯改善的事實，確認(rèn)上述4項措施有效，有效性的具體說明如表3所示。

①～⑤電源仍出現(xiàn)偶然的微幅跳變，原因是電連接器安裝部位鋁箔無法嚴(yán)密包覆，存在少量電磁輻射從電連接器安裝部位縫隙進(jìn)入內(nèi)部干擾印制板組件及電連接器所致。

⑥未恢復(fù)通信的電源，故障原因是28 V電源長期不穩(wěn)定損傷電源內(nèi)部印制板組件上MP2451電源芯片。

6 產(chǎn)品改進(jìn)建議

依據(jù)上述過程分析，對后續(xù)類似、相關(guān)產(chǎn)品擬提出具體的設(shè)計、制造改進(jìn)措施，以保證產(chǎn)品通信功能的可實現(xiàn)性、可靠性，具體建議如表4所示[4]。

表3 措施有效性說明

表4 產(chǎn)品改進(jìn)建議表

7 結(jié) 論

機上電源產(chǎn)品通信的可靠性關(guān)系到工作時對電源產(chǎn)品遠(yuǎn)程監(jiān)測的可實現(xiàn)性，電源產(chǎn)品的工作狀態(tài)又關(guān)系到機上負(fù)載能否正常、安全工作，因此必須對復(fù)雜干擾環(huán)境下電源產(chǎn)品通信的可靠性加以重視，并采取相應(yīng)措施落實到設(shè)計過程和制造過程中。對與本論文類似應(yīng)用環(huán)境下的電源產(chǎn)品，可以依據(jù)表4的內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，提升電源產(chǎn)品通信的防干擾性能和自身可靠性。