基于總線技術(shù)的防電磁三防信號(hào)屏設(shè)計(jì)

, , , 吳中,

(工程兵科研三所，洛陽(yáng) 471023)

0 引言

三防信號(hào)屏是用于地下工程的專用顯示類設(shè)備。地下工程戰(zhàn)時(shí)要防范敵方核武器、生物武器、化學(xué)武器的襲擊，并根據(jù)工程外空氣染毒情況改變工程內(nèi)通風(fēng)方式，保障工程內(nèi)空氣潔凈，人員安全[1]。通常情況下，工程內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)有3種工作方式：清潔式通風(fēng)、濾毒式通風(fēng)和隔絕式通風(fēng)，通風(fēng)方式轉(zhuǎn)換時(shí)，需要工程內(nèi)部人員及時(shí)改變工作模式，迅速采取有效措施，以適應(yīng)新的通風(fēng)方式下的工程保障要求，三防信號(hào)屏就是第一時(shí)間將通風(fēng)方式轉(zhuǎn)換信息發(fā)送到工程所有范圍的重要設(shè)備。

信息化戰(zhàn)爭(zhēng)條件下，電磁脈沖干擾將成為影響設(shè)備正常工作的主要因素[2]。當(dāng)前，工程使用的三防信號(hào)屏沒(méi)有電磁防護(hù)[3]能力，敏感電子元器件直接暴露在復(fù)雜電磁環(huán)境中，強(qiáng)電場(chǎng)效應(yīng)和電磁干擾效應(yīng)會(huì)造成設(shè)備產(chǎn)生誤動(dòng)作或功能失效，嚴(yán)重影響其工作可靠性。另外，三防信號(hào)屏需要從控制中心“手拉手”串接，線路連接長(zhǎng)，敷設(shè)工程量大，可靠性不高。因此，針對(duì)三防信號(hào)屏電磁防護(hù)能力弱，可靠性低，線路敷設(shè)困難的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，開(kāi)展總線式防電磁三防信號(hào)屏研究，解決其線路連接及電磁防護(hù)問(wèn)題十分必要。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

1.1 系統(tǒng)工作原理

三防信號(hào)屏是地下工程通風(fēng)系統(tǒng)的重要組成部分，在工程維護(hù)和管理中具有十分重要的作用。地下工程通風(fēng)系統(tǒng)工作流程為：首先，核生化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)探測(cè)工程外部染毒情況，分析毒劑種類及危害程度，向監(jiān)控主機(jī)發(fā)布通風(fēng)方式轉(zhuǎn)換指令；其次，監(jiān)控主機(jī)接到指令后，立刻將控制命令轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，控制三防信號(hào)屏統(tǒng)一發(fā)出通風(fēng)轉(zhuǎn)換指示信號(hào)，警示工程內(nèi)人員根據(jù)通風(fēng)轉(zhuǎn)換作業(yè)要求及時(shí)采取措施，保證相關(guān)設(shè)備運(yùn)行符合要求；最后，監(jiān)控主機(jī)將控制命令發(fā)送到下位機(jī)控制器，控制相關(guān)閥門、風(fēng)機(jī)、防護(hù)門等設(shè)備聯(lián)動(dòng)動(dòng)作，切換至需要的通風(fēng)狀態(tài)，完成通風(fēng)方式轉(zhuǎn)換。目前，三防信號(hào)屏普遍采用圖1(a)所示的連接方式，監(jiān)控主機(jī)將通風(fēng)切換命令以數(shù)字量的形式輸出，控制交流接觸器動(dòng)作(清潔、濾毒、隔絕分別用單獨(dú)的交流接觸器控制)，通風(fēng)狀態(tài)切換時(shí)，只需要將狀態(tài)轉(zhuǎn)換前的交流接觸器打開(kāi)，再把狀態(tài)轉(zhuǎn)換后的交流接觸器吸合，通過(guò)線纜將信號(hào)發(fā)送至工程內(nèi)串接的三防信號(hào)屏，最終發(fā)出統(tǒng)一的通風(fēng)轉(zhuǎn)換指示。該連接方式需要在現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)大量線纜，給系統(tǒng)維護(hù)和更新升級(jí)帶來(lái)諸多不便，集中體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：1)線纜敷設(shè)量大，施工成本高，維護(hù)檢修困難；2)以改變顯示屏供電的硬件方式實(shí)現(xiàn)通風(fēng)狀態(tài)的切換，顯示屏頻繁斷電, 易造成顯示內(nèi)容缺失及顏色失真；3)任意三防信號(hào)屏出現(xiàn)短路/斷路故障，都將影響整個(gè)系統(tǒng)工作，系統(tǒng)可靠性不高。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于總線技術(shù)的通信方式，如圖1(b)所示。監(jiān)控主機(jī)接收到通風(fēng)方式轉(zhuǎn)換指令后，直接將控制命令發(fā)送到下位機(jī)控制器，控制器將接收信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，一方面，以總線通信協(xié)議的方式將信息發(fā)送到與之相連的三防信號(hào)屏，控制其顯示轉(zhuǎn)換；另一方面，控制器直接發(fā)出命令控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)動(dòng)作，完成通風(fēng)方式轉(zhuǎn)換。為實(shí)現(xiàn)上述功能，三防信號(hào)屏需要具備以下幾種基本功能：1)總線通信功能；2)字符生成功能；3)顏色調(diào)整功能。

圖1 信號(hào)傳輸方式對(duì)比

與傳統(tǒng)連接方式相比，總線式三防信號(hào)屏具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)可就近接入任何下位機(jī)控制器，布設(shè)靈活，線纜敷設(shè)量小，維護(hù)保養(yǎng)方便；2)使用軟件控制通風(fēng)狀態(tài)切換，解決了信號(hào)屏頻繁通斷電的問(wèn)題；3)信號(hào)屏之間相互獨(dú)立，互不影響，系統(tǒng)可靠性高。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電磁脈沖是一種十分嚴(yán)重的電磁干擾源，它具有瞬時(shí)性、寬頻帶、高場(chǎng)強(qiáng)、作用范圍大等特點(diǎn)，能夠通過(guò)天線、孔縫、電纜等多種耦合途徑對(duì)電子系統(tǒng)產(chǎn)生影響，對(duì)電子設(shè)備、系統(tǒng)的安全性乃至生存能力構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。如何提高電子設(shè)備、系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境中特別是電磁脈沖干擾下的生存能力，已經(jīng)成為電子設(shè)備、系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要因素[4]。傳統(tǒng)的三防信號(hào)屏將顯示器件直接暴露在環(huán)境中，無(wú)任何電磁防護(hù)措施，地下工程受到電磁脈沖干擾時(shí)，將造成設(shè)備工作異常、失效甚至損毀，對(duì)工程安全造成嚴(yán)重影響，必須采取措施進(jìn)行防護(hù)。

目前，電磁脈沖防護(hù)有效且簡(jiǎn)單的方法是電磁屏蔽，即利用屏蔽體屏蔽電子設(shè)備達(dá)到有效抑制電磁能量進(jìn)入設(shè)備的方法。在電磁屏蔽施工中，使用最多的是金屬屏蔽[5]，金屬外殼的屏蔽作用體現(xiàn)在可以降低電子設(shè)備對(duì)外界以場(chǎng)的形式存在的騷擾抗擾度，通常用屏蔽效能來(lái)衡量系統(tǒng)的屏蔽效果[6]。然而對(duì)于顯示類設(shè)備來(lái)說(shuō)，必須保證屏幕正前方良好的透光性。為此，需要選擇一種透光率高、電磁屏蔽性能優(yōu)越、材料力學(xué)性能合適的材料。基于上述要求，優(yōu)選了兩種透明電磁屏蔽膜，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 透明電磁屏蔽膜技術(shù)指標(biāo)

對(duì)于屏蔽殼體來(lái)說(shuō)，屏蔽效能除了和金屬材料的材質(zhì)、屏蔽膜的技術(shù)指標(biāo)有關(guān)外，還與屏蔽體上的不連續(xù)結(jié)構(gòu)有關(guān)，像連接縫隙、穿線孔等[7]。這些不連續(xù)結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)屏蔽體的總屏蔽效能的影響是錯(cuò)綜復(fù)雜的，可能存在通過(guò)3種途徑透過(guò)屏蔽體的電磁波，即直接透過(guò)屏蔽材料的電磁波，由縫隙透射的波及由開(kāi)孔透射的波，3種波之間的相位關(guān)系十分復(fù)雜，屏蔽體的總屏蔽效能不易精確計(jì)算。為了從根本上提高屏蔽效果，必須去除或弱化這些不連續(xù)結(jié)構(gòu)對(duì)屏蔽體的影響。本文采用沖壓技術(shù)保證殼體一次成型，應(yīng)用整體封裝“三明治”結(jié)構(gòu)保證屏蔽體的整體屏蔽效果。

1)顯示屏封裝—“三明治”結(jié)構(gòu)。

顯示屏、屏蔽膜、保護(hù)層由內(nèi)到外采用“三明治”式結(jié)構(gòu)疊放，剖面圖如圖2所示。這種結(jié)構(gòu)可以有效保護(hù)顯示屏，并且有利于設(shè)備緊固安裝。更重要的是，由于電磁屏蔽膜處在上下兩層保護(hù)層夾持下，不容易受到損壞，為設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行提供了條件。

圖2 信號(hào)屏封裝剖面圖

2)整體封裝。

防護(hù)外殼包括兩部分：殼體和殼蓋(如圖3所示)，在設(shè)備整體封裝時(shí)，必須考慮殼體和殼蓋的封裝方式。為了保證封裝整體性，將屏蔽膜延長(zhǎng)2～4厘米，并順著殼蓋折下，在殼蓋緊固夾持時(shí)，使用導(dǎo)電膠(或?qū)щ娂?將屏蔽膜與防護(hù)外殼緊密連接，將殼蓋、電磁屏蔽膜、殼體三者構(gòu)成統(tǒng)一整體，避免由于縫隙降低設(shè)備的屏蔽效能。在殼體內(nèi)部加入了兩條支撐架以保證顯示屏能安裝緊固。同時(shí)在殼體后面開(kāi)了一個(gè)穿線孔用來(lái)將顯示屏信號(hào)線和電源線引入殼體。

圖3 屏蔽殼體

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)三防信號(hào)屏總線通信，本文設(shè)計(jì)了一種帶有總線通信能力的數(shù)據(jù)采集卡，該采集卡與下位機(jī)控制器直接連接，能夠高效地完成通風(fēng)轉(zhuǎn)換指令的采集和通風(fēng)狀態(tài)的顯示。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集卡硬件設(shè)計(jì)如圖4所示，微處理器為總線式數(shù)據(jù)采集卡的控制核心；MAX485ESA為信息傳輸模塊； MC74HC08AN為字符顏色控制芯片；八路總線收發(fā)器(74ACT245T)作為數(shù)據(jù)發(fā)送芯片，負(fù)責(zé)信息輸出控制。總的來(lái)說(shuō)，硬件設(shè)計(jì)包括兩部分：控制部分和通信部分。

圖4 總體硬件設(shè)計(jì)圖

1)控制部分。

系統(tǒng)微處理器采用的是ATMEL公司生產(chǎn)的微處理器ATmega16。它是高性能，低功耗的AVR微處理器，是一種非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，無(wú)需外接程序存儲(chǔ)器EPROM，縮小了電路板的體積，增加了系統(tǒng)的抗干擾性；超高能精簡(jiǎn)指令，具有先進(jìn)的RISC系統(tǒng)；兩個(gè)可編程的USART，同步串行口SPI可以實(shí)現(xiàn)微處理器與外設(shè)之間高速同步數(shù)據(jù)傳輸。兩個(gè)具有獨(dú)立的預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；兩個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；工作電壓為4.5～5.5 V，電源抗干擾性能力強(qiáng)[8-10]。

控制部分是系統(tǒng)的核心，它控制和完成數(shù)據(jù)的傳輸、處理、存儲(chǔ)和顯示，包括通風(fēng)狀態(tài)顯示、通風(fēng)方式切換、模擬量采集顯示、字符顯示以及字體顏色控制等。其硬件以ATmega16為核心，擴(kuò)展了外圍 LED顯示電路、異步通信電路和JTAG編程接口。ATmega16 的引腳配置以及電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 ATmega16引腳配置及電路設(shè)計(jì)

2)通信部分。

在三防信號(hào)屏通信系統(tǒng)中，采用PLC作為上位機(jī)，數(shù)據(jù)采集卡作為下位機(jī)的主從式通訊結(jié)構(gòu)，首先由PLC完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，經(jīng)初步處理后通過(guò)串口傳送到微處理器上，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理。PLC中串行接口的電氣特性是標(biāo)準(zhǔn)的RS-485協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)電平，而數(shù)據(jù)采集板卡是TTL電平[11]，在這里選用常用的SP3485來(lái)完成板卡和PLC的雙向電平轉(zhuǎn)換。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分需要完成的功能包括：特定字體顯示(包括顏色)、總線接口控制。系統(tǒng)程序包括主程序、中斷程序、控制程序、字體顯示程序等4部分，程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。系統(tǒng)通信設(shè)置如下：波特率9 600 bit/s、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度8位、1停止位、偶校驗(yàn)。為了提高效率和控制的實(shí)時(shí)性，數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送均采用中斷方式。針對(duì)LED顯示屏特性，使用字模生成軟件得到需要顯示字體的二進(jìn)制碼形式，放置在字體顯示子程序中，通過(guò)調(diào)用相應(yīng)的子程序?qū)崿F(xiàn)通風(fēng)方式顯示。

圖6 程序設(shè)計(jì)流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了檢驗(yàn)信號(hào)屏的屏蔽效果，采用開(kāi)口同軸探頭測(cè)試系統(tǒng)[12]檢驗(yàn)屏蔽殼體的整體防電磁能力，進(jìn)行了多組試驗(yàn)。試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖7所示，包括：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、同軸電纜、測(cè)試探頭(小法蘭)和試樣。

圖7 三防信號(hào)屏整體屏蔽效能測(cè)試系統(tǒng)

為檢驗(yàn)屏蔽體整體屏蔽效能，分別進(jìn)行了無(wú)屏蔽膜、單層屏蔽膜和雙層屏蔽膜測(cè)試實(shí)驗(yàn)。無(wú)屏蔽膜測(cè)試實(shí)驗(yàn)在探頭中間只放置透明保護(hù)板，用于校準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。從圖中可以看出，在低頻段30～500 MHz，衰減特性曲線起伏相對(duì)較大，在高頻段1.5～3.5 GHz基本沒(méi)有衰減。但是，從數(shù)量上來(lái)說(shuō)，衰減最大值僅為0.3 dB，說(shuō)明系統(tǒng)直通測(cè)試環(huán)境良好，干擾小，效果理想。

圖8 無(wú)屏蔽膜測(cè)試結(jié)果

然后，在透明保護(hù)板之間加入一層屏蔽膜，并用導(dǎo)電紙封裝，同樣條件下測(cè)試其屏蔽效能，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9 單層屏蔽膜測(cè)試結(jié)果

與無(wú)屏蔽膜屏蔽體相比，在加上屏蔽膜后，殼體的整體屏蔽效能有明顯提高。從試驗(yàn)結(jié)果看，在30～1 500 MHz頻段內(nèi)，封閉殼體對(duì)電磁波的衰減量可達(dá)32～53 dB。頻率高于1 500 MHz時(shí)衰減量平均在20 dB左右，屏蔽效果明顯，達(dá)到了III級(jí)電磁防護(hù)指標(biāo)[13]。

為檢驗(yàn)多層屏蔽膜對(duì)殼體整體屏蔽效果的提升能力，開(kāi)展了雙層屏蔽膜殼體屏蔽效能實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與單層膜測(cè)試系統(tǒng)相同，唯一不同點(diǎn)是把原來(lái)的單層膜換成雙層膜。在相同實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)試其屏蔽效能，得到的對(duì)比測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

圖10 單層膜與雙層膜對(duì)比實(shí)驗(yàn)

從圖中曲線對(duì)比可以看出，雙層屏蔽膜的屏蔽效果要優(yōu)于單層屏蔽膜，但從增長(zhǎng)量上看不是線性關(guān)系。其中在550～2 000 MHz增加較為明顯，其他頻段衰減值較為接近。為了增強(qiáng)殼體的整體屏蔽效能，可以通過(guò)增加屏蔽膜的層數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是這種措施會(huì)影響顯示屏的透光率，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)綜合考慮?？偟膩?lái)說(shuō)，使用單層屏蔽膜透光率好，不影響顯示設(shè)備的正常使用，有效提升了設(shè)備自身的電磁防護(hù)能力，三防信號(hào)屏實(shí)物如圖11所示。

圖11 三防信號(hào)屏實(shí)物圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的總線式防電磁三防信號(hào)屏，實(shí)現(xiàn)了三防通風(fēng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示，具有模擬量參數(shù)顯示的拓展功能，配有RS-485總線接口，可以和下位機(jī)控制器以總線方式連接，同時(shí)，該設(shè)備整體屏蔽性能好，達(dá)到了Ⅲ級(jí)電磁防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。(“總線式防電磁三防信號(hào)屏”已獲得國(guó)家專利，專利號(hào)：ZL201120098115.0)。該設(shè)備的研制，解決了防護(hù)工程電磁屏蔽室外的電子顯示設(shè)備的電磁防護(hù)問(wèn)題，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)連接結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的綜合防護(hù)能力。

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