UHP光源舞臺(tái)燈具控制系統(tǒng)抗干擾技術(shù)*

彭穎茹 蔣偉楷 林學(xué)貴 戴健旭 韓笑

（廣州市浩洋電子有限公司）

UHP光源舞臺(tái)燈具控制系統(tǒng)抗干擾技術(shù)*

彭穎茹 蔣偉楷 林學(xué)貴 戴健旭 韓笑

（廣州市浩洋電子有限公司）

UHP光源的舞臺(tái)燈具包含調(diào)焦、圖案盤、切割和CMY染色等多套系統(tǒng)，系統(tǒng)采用多單片機(jī)控制和網(wǎng)絡(luò)控制，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。本文對(duì)控制系統(tǒng)采取全面的電磁兼容設(shè)計(jì)，防止大功率鎮(zhèn)流器和開關(guān)電源對(duì)系統(tǒng)影響，提高可靠性，并根據(jù)干擾源的性質(zhì)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(tǒng)的不穩(wěn)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(zhǎng)、色譜較寬等優(yōu)點(diǎn)，已普遍用于投影機(jī)和大屏幕背投電視上，取得較好效果。本項(xiàng)目舞臺(tái)燈具采用新型UHP光源，相對(duì)于其它普通光源燈具，大大提高了光效和燈泡壽命，節(jié)能效果顯著，產(chǎn)品出口歐美。由于出口產(chǎn)品對(duì)電磁兼容等方面有嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，必須通過相應(yīng)EMC標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。UHP光源舞臺(tái)燈具不僅功率密度增加、體積縮小，且大功率高壓電子鎮(zhèn)流器和開關(guān)電源對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，因此系統(tǒng)抗干擾和可靠性非常重要[1～3]。

UHP光源舞臺(tái)燈具控制系統(tǒng)工作環(huán)境比較特殊和復(fù)雜，要求系統(tǒng)具有較高可靠性和安全性。舞臺(tái)燈具系統(tǒng)包含調(diào)焦、圖案盤、切割、CMY染色和無線遙控等多套系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需采用多單片機(jī)控制。影響系統(tǒng)可靠、安全運(yùn)行的主要因素是來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件選擇、安裝、制造工藝和外部環(huán)境條件等。最大限度地降低大功率鎮(zhèn)流器和開關(guān)電源等對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的干擾，以提高系統(tǒng)的可靠性。

2 電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與電磁兼容分析

圖1為舞臺(tái)燈具控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖，采用多路開關(guān)電源和多單片機(jī)控制，提高系統(tǒng)抗干擾性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，增加功能只需要增加控制板，所有控制都采用AVR單片機(jī)。

圖1 控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知干擾源主要有三類：① 內(nèi)部高壓電子鎮(zhèn)流器，燈泡啟動(dòng)時(shí)鎮(zhèn)流器產(chǎn)生2kV～5kV的驅(qū)動(dòng)電壓，正常工作時(shí)80V～100V電壓；② 開關(guān)電源和燈泡等產(chǎn)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(guān)電源耦合干擾、信號(hào)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(hào)線和電源線等通道傳播。

UHP舞臺(tái)燈具電磁兼容設(shè)計(jì)采用了主動(dòng)預(yù)防、整體規(guī)劃的方案，按照規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)和測(cè)試，使系統(tǒng)盡量減小電磁干擾的影響及對(duì)其它電子設(shè)備產(chǎn)生影響。針對(duì)干擾的產(chǎn)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(duì)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(shù)、隔離技術(shù)、屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)和去耦電路等抗干擾措施[1,3,4]。

3.1電源抗干擾

舞臺(tái)燈具強(qiáng)弱電混合一體，弱電部分容易受強(qiáng)電干擾，采用強(qiáng)弱電隔離、分路供電等手段減少對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的干擾。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用有隔離的交流85V～265V寬輸入范圍、24V輸出開關(guān)穩(wěn)壓電源，控制回路再變壓穩(wěn)壓。每塊控制板采用34063電源模塊連接電感，提供5V單片機(jī)穩(wěn)壓電源，不會(huì)受到導(dǎo)線細(xì)小或負(fù)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(jí)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(huán)中兩個(gè)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(duì)尖峰電壓有強(qiáng)抑制作用。

圖2 電源抗干擾濾波器

3.2 屏蔽技術(shù)

UHP舞臺(tái)燈具控制系統(tǒng)屏蔽主要針對(duì)內(nèi)部鎮(zhèn)流器、開關(guān)電源、割斷電場(chǎng)、高頻磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)耦合的空間耦合通道，相對(duì)于外部干擾，燈具本身就是一個(gè)屏蔽體。

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

3.3 信號(hào)隔離

信號(hào)隔離可分為對(duì)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的隔離。輸入數(shù)字信號(hào)采用光電耦合器，隔離傳導(dǎo)干擾的能力可以達(dá)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(shù)字信號(hào)采用繼電器和光控可控硅隔離，繼電器的線圈和觸點(diǎn)之間沒有電氣上的聯(lián)系，避免強(qiáng)電和弱電的直接接觸，實(shí)現(xiàn)了抗干擾隔離。

模擬信號(hào)有線性光電隔離、變壓器隔離和數(shù)字端光電隔離三種方法，舞臺(tái)燈具只有兩個(gè)風(fēng)扇電機(jī)調(diào)速是模擬輸出信號(hào)，采用PWM信號(hào)的數(shù)字輸出和光電隔離，控制風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

3.4 接地技術(shù)

單片機(jī)系統(tǒng)良好接地可以在很大程度上抑制系統(tǒng)內(nèi)部噪聲耦合和外部干擾的侵入。系統(tǒng)中采用多種接地方式，強(qiáng)電是采用電網(wǎng)接地方式，即黃綠線接電源地；內(nèi)部弱電電源采用浮地方式。在模塊傳輸信號(hào)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(hào)線，另一根兩端接地可以防止電磁干擾，所以在不同的場(chǎng)合要采用相應(yīng)的接地方式。

單片機(jī)信號(hào)線屏蔽線接地。控制系統(tǒng)內(nèi)部較長(zhǎng)的低頻信號(hào)線用金屬編織屏蔽線連接，在靠近鎮(zhèn)流器干擾嚴(yán)重的一端屏蔽層單點(diǎn)接地，避免兩端接地電阻壓降造成干擾耦合。對(duì)于高頻通信線，信號(hào)線長(zhǎng)度超過信號(hào)波長(zhǎng)的1/4，采用兩端接地或多點(diǎn)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(shí)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(dāng)于電容、電阻和電感三者的串聯(lián)，會(huì)產(chǎn)生高次諧波，晶振布局如果靠近電路板邊緣或走線過長(zhǎng)，會(huì)充當(dāng)發(fā)射天線。

3.5 去耦電路

數(shù)字電路信號(hào)在快速電平轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大沖擊電流，并在傳輸線和供電電源內(nèi)阻上產(chǎn)生較大壓降，形成嚴(yán)重脈沖噪聲。為此在數(shù)字電路接口部分加入RC濾波環(huán)節(jié)，抑制脈沖噪聲。每個(gè)芯片配置去耦電容，既可吸收集成電路開關(guān)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(qū)動(dòng)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(jī)系統(tǒng)的干擾頻譜很寬，硬件抗干擾措施只能抑制某個(gè)頻段干擾，仍有一些干擾會(huì)侵入系統(tǒng)，還要采用軟件抗干擾措施[5]。

(1) 通信抗干擾技術(shù)。舞臺(tái)燈具通過DMX-512接口協(xié)議與控臺(tái)連接形成網(wǎng)絡(luò)，為避免DMX512信號(hào)傳輸受干擾，通過設(shè)置，在DMX512傳輸信號(hào)末端接終端器，即在最后一臺(tái)燈具的XLR信號(hào)輸出口2、3插腳之間接120歐姆電阻。

(2) 系統(tǒng)軟件陷阱技術(shù)。當(dāng)亂飛程序進(jìn)入非程序區(qū)或表格區(qū)，采用冗余指令不能使程序進(jìn)入正常軌道時(shí)，可以設(shè)定軟件陷阱，攔截亂飛程序，將其引向一個(gè)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(zhí)行這些陷阱指令，當(dāng)程序亂飛落到這些陷阱區(qū)時(shí)，自動(dòng)將亂飛程序拉到正確軌道。

(3) “看門狗”技術(shù)。當(dāng)程序飛到一個(gè)無程序區(qū)或PC指針指向一個(gè)不存在的地址時(shí)，采用看門狗技術(shù)使程序脫離死循環(huán)。ATmega 8位單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的計(jì)數(shù)自動(dòng)重啟部件，啟動(dòng)后一旦單片機(jī)程序出問題，不在一定時(shí)間內(nèi)清除計(jì)數(shù)值，就會(huì)出現(xiàn)計(jì)數(shù)最高值溢出，使單片機(jī)重啟復(fù)位。

5 電磁兼容測(cè)試

產(chǎn)品出口歐美必須通過嚴(yán)格的EMC測(cè)試[2]，該產(chǎn)品按照EN55015和EN61000的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)電磁騷擾和電磁干擾等10多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試，如電磁騷擾的磁場(chǎng)發(fā)射、輻射發(fā)射和諧波電流發(fā)射等指標(biāo)，電磁抗干擾的靜電放電試驗(yàn)、射頻場(chǎng)強(qiáng)度的敏感性試驗(yàn)、電快速瞬變脈沖群試驗(yàn)、磁場(chǎng)抗擾性試驗(yàn)等。輻射騷擾電磁場(chǎng)的測(cè)試往往難以達(dá)到，圖3為初次測(cè)試結(jié)果，不規(guī)則曲線為測(cè)試線，可見在40MHz、83MHz和108MHz時(shí)都超標(biāo)，最大超標(biāo)10%。經(jīng)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(huán)、開關(guān)電源和鎮(zhèn)流器輸入端串入低損耗濾波器。整改后測(cè)試曲線如圖4所示，完全達(dá)到指標(biāo)要求。2011年3月通過了嚴(yán)格的CE認(rèn)證，達(dá)到歐盟電磁兼容技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 輻射騷擾電磁場(chǎng)初次測(cè)試曲線(垂直極化)

圖4 輻射騷擾電磁場(chǎng)整改測(cè)試曲線(垂直極化)

6 結(jié)束語(yǔ)

基于UHP燈泡的舞臺(tái)燈具控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、強(qiáng)弱電結(jié)合和多單片機(jī)的特點(diǎn)，容易受到干擾，大多數(shù)干擾是一些常見的噪聲源和耦合途徑，例如大功率鎮(zhèn)流器和開關(guān)電源的噪聲干擾。雖然歐盟對(duì)于EMC標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)格，但是只要系統(tǒng)地采取抗干擾的方法，并對(duì)一些突出干擾采取針對(duì)性措施，根據(jù)結(jié)構(gòu)和電路的實(shí)際情況將這些方法有效地結(jié)合使用，就能達(dá)到最佳抗干擾效果。

[1] 安紅戰(zhàn),周亞焱.單片機(jī)抗干擾技術(shù)應(yīng)用探討[J].機(jī)床電器,2011,38(1):40-41.

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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(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)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(tái)燈光設(shè)備技術(shù)研發(fā)十余年。