1、淺談高速公路機電設備的抗電磁干擾問題            摘要:通過對具體實例的分析探討高速公路機電系統中的電磁干擾問題的解決方法,并介紹了電磁干擾與電磁兼容的概念和技術發展。        關鍵詞:公路;電磁兼容;電磁干擾        幾年前,筆者在一次工程實施中遇到的一個問題。該工程是一個收費系統項目,所遇到問

2、題的現象是:車道控制器不定時地發生混亂,所運行的Win- dows操作系統彈出大量的對話框,最終顯示“系統內存不足”,屏幕變藍,此時只有重新啟動。重新啟動后,系統能夠恢復正常,但以上現象還會發生。為此,排除了機器硬件和病毒的因素后,將焦點集中在與車道控制器相連接的外部設備上。最后將問題鎖定在收費員所使用的鍵盤上,通過增加保護電路、增強屏蔽等措施,解決了這個問題。        1電磁干擾的種類及對高速公路機電設備的危害隨著我國高速公路建設的蓬勃發展以及高速公路管理水平的逐步提高,國內很多高速公路都應用了大量的機電設

3、備。這些設備主要包括:通信、收費、監控三大系統中所采用的機械電子設備。其中收費車道 (廣場)設備及監控外場設備是最容易受到電磁干擾影響的設備。按照環境電磁學的理論,電磁干擾(簡稱EMI, Electro-magnetic Interference)屬于電磁污染,污染源分為天然污染源和人為污染源。天然的電磁污染是自然現象引起的,最常見的是雷電,火山噴發、地震和太陽黑子活動引起的磁暴等都會產生電磁干擾。        人為的電磁污染主要有: 1)脈沖放電。例如切斷大電流電路時產生的火花放電。2)工頻交變電磁場。例如在大

4、功率電機、變壓器以及輸電線等附近的電磁場。3)射頻電磁輻射。例如無線電廣播、電視、微波通信等各種射頻設備的輻射。對于高速公路機電設備最常見的干擾當數雷電, 雷電可分為直擊雷、感應雷和球形雷,其中球形雷比較罕見,雷電直接擊中公路機電設備也較少,比較常見的是感應雷,空中云層放電產生能量巨大的電磁場,通過電纜感應形成瞬間脈沖高壓進入設備,造成損毀,這是公路機電設備的大敵。        高速公路上安裝的緊急電話外場分機、監控系統外場設備如可變情報板、可變限速標志、車輛檢測器等,暴露在空曠的野外,而且有較長的電纜連接,極易

5、引雷,所以做好防雷接地、做好防感應雷措施是非常重要的。其次是上面所說的脈沖放電,汽車的火花塞是公路機電設備常遇到的電磁污染源,尤其是收費系統車道設備,多為精密的計算機設備,距離車輛較近,而且連接大量的外部設備,容易引入電磁干擾。在本文開始提到的問題就是由于鍵盤受到電磁干擾而產生的,經過仔細檢查,發現在出廠時有些鍵盤的屏蔽線沒有接地,并且鍵盤的電路設計缺乏抗干擾特性,所以會出現上述現象。        電磁干擾的另一個危害是干擾系統通信,使通信線路產生大量誤碼。計算機網絡在公路交通管理中的應用越來越普遍,在監控中心、

6、收費站、收費廣場的布線中多采用UTP (非屏蔽雙絞線)電纜進行布線, UTP電纜屬于平衡傳輸系統,它利用傳輸線對的扭絞來抵消電磁干擾及電磁輻射,但UTP電纜只有具有理想的平衡特性才能有效地抵消電磁干擾及電磁輻射。        理想的平衡UTP是不存在的,因為UTP的平衡特性受周圍環境影響,當UTP電纜附近存在金屬物體或隱蔽接地時,由于不同導體與金屬物體或地的距離不同, UTP的平衡特性會遭到破壞。另外彎曲也會破壞UTP的平衡特性,在實際安裝時,電纜不可避免要彎曲,當電纜彎曲時,相鄰絞節將疏密不同,不能有效抵消電磁

7、干擾及電磁輻射。第三, UTP的節距與電磁干擾或信號波長相比必須充分小,才能有效地抵消電磁干擾和電磁輻射,即節距越小, EMC性能越好,但雙絞線的絞結節距不可能無限減小。        實驗證明,當外界電磁干擾或網絡工作頻率超過30MHz時, UTP的EMC性能下降,即網絡的可靠性降低,誤碼率增大,電磁輻射也相應增大。以往公路交通行業使用的計算機網絡工作在較低的頻率范圍內,如10Mbps以太網, UTP電纜在這樣低的工作頻帶內具有一定的EMC能力,而且計算機通信具有出錯重發及糾錯能力,所以網絡能夠在一定的電磁環境中

8、正常工作。而現在使用的網絡多為快速以太網(100Mbps),遠超過30MHz的范圍了,這樣在監控中心、收費站、收費廣場進行布線時,一定要嚴格注意避免將網絡線布設在干擾源周圍,也要注意避免將網線與電力線纜平行布設。如果無法避免,則可以使用屏蔽雙絞線進行布線,屏蔽雙絞線的EMC 性能比UTP要高很多,當然成本也高一些。        使用屏蔽布線系統的另一個好處是安全性較高, 我們不僅要考慮防止EMI對系統的干擾,同時也要考慮到系統本身也是一個電磁輻射源, UTP相當于發射的天線,竊聽者可能會進行數據攔截,不過這個問題

9、不是本文討論的重點。雖然在收費系統的拆賬中心、銀行聯網點等關鍵部分可能需要關注數據安全問題,但本文主要討論的是EMI對系統的影響和系統內部設備之間的EMI影響,不過相信這個問題也將隨著聯網收費的規模擴大逐步提上討論日程。        2抗電磁干擾技術的發展現狀有關電磁干擾與電磁兼容已形成一個獨立的學科,稱為環境電磁學,該學科是環境物理學中新形成的一個分支學科,主要研究各種電磁污染的來源及其對人類生活環境的影響。它的一個重要研究內容是研究和提高電子儀器和電氣設備在強烈電磁波干擾的環境中工作的穩定性和可靠性。

10、0;       1943年成立的國際無線電干擾特別委員會(CIS- PR),早就在測定方法、干擾標準和抑制技術等方面開展了研究工作。此后,隨著電工、無線電技術的飛躍發展,抗干擾的研究不斷取得成果,國際和國內的科研機構進行了大量的研究工作,已基本形成了標準體系和認證體系,在電子行業推廣得比較普遍。         3電磁兼容方面的機構和標準電磁兼容相關的組織和機構有IEC (國際電工委員會)、URSI (國際無線電科學聯盟)、IEEE-

11、EMC (跨國電氣電子工程師學會電磁兼容專業委員會)、 FCC (美國聯邦通信委員會)等。相關的標準系列包括: ISO標準、IEC標準、 FCC標準、EN (歐洲標準),我國也根據國際標準制訂了部分國家標準。        大部分的國家都有自己的電磁兼容測試和認證機構,并且有規范的電磁兼容測試實驗室。如美國的 FCC認證,歐盟的CE認證,我國已在家電行業推行 CCC認證(中國國家強制性產品認證),由中國電磁兼容認證中心負責測試與認證。推廣電磁兼容認證,對于保證設備的電磁輻射符合標準,并且具有較好的電磁干擾防護水平,

12、是具有很大意義的。對于公路交通大批量使用的機電設備, 應當通過電磁兼容測試與認證。        4高速公路機電設備抗電磁干擾應對措施解決EMI的影響,有兩個方法:增強防護性能、提高設備自愈自檢能力。         (1)增強防護性能防護電磁污染,首先要堵住電磁污染傳播的途徑,電磁污染傳遞途徑一是通過空間直接輻射;二是借助電磁耦合由線路傳導。只要截住電磁污染傳播的途徑,就能夠防止電磁污染對設備的危害。淺談高速公路機電設備的抗

13、電磁干擾問題電磁輻射的防護手段是在電磁場傳遞的途徑中安設電磁屏蔽裝置,使有害的電磁場強度降低至容許范圍以內。電磁屏蔽裝置一般為金屬材料制成的封閉殼體。        當交變的電磁場傳向金屬殼體時,一部分被金屬殼體表面所反射,一部分在殼體內部被吸收,這樣透過殼體的電磁場強度便大幅度衰減。電磁屏蔽的效果與電磁波頻率、殼體厚度和屏蔽材料特性等有關。一般地說,頻率越高,殼體越厚,材料導電性能越好, 屏蔽效果也就越好。電磁屏蔽可分為有源場屏蔽和無源場屏蔽兩類。前者是把電磁污染源用良好接地的屏蔽殼體包圍起來,以防止它對殼體外部

14、環境的影響;后者則是用屏蔽殼體包圍需要保護的區域,以防止外部的電磁污染源對殼體內部環境產生干擾。對于在公路交通行業使用的機電設備,應當加強電磁屏蔽,一方面減小對周邊環境的電磁輻射,另一方面減小來自外界的電磁干擾。比如在收費亭內,可能會裝有多種設備,如車道控制器、顯示器、發卡/ 讀卡機、對講機、電源設備等,如果其中有產生電磁干擾的設備,那么系統工作就很可能出現不正常。另外,只增強屏蔽,而不將屏蔽層有效接地,也會妨礙屏蔽效果,為了抑制變化的電磁場的干擾而采用的多種屏蔽層、屏蔽體,都必須良好地接地,才能起到良好的屏蔽作用。      

15、60;  (2)提高設備自愈自檢能力毫無疑問,任何防護都是針對一定的電磁干擾水平的,無限制提高防護水平無疑會大幅度增加成本。以上面所述鍵盤的案例來說,鍵盤的連接線是比較容易引入電磁干擾的部分,為連接線增加屏蔽層,提高了鍵盤的抗電磁干擾能力,對于類似于汽車火花塞、電動工具等等強度的電磁輻射起到了很好的防護作用。但電磁干擾強度加大會怎樣呢?在問題解決之后很久,用戶通知筆者:現象又出現了。于是在現場進行了長時間觀察,沒有發現任何規律。在與收費員的閑談中偶然發現,由于個別收費員厭倦工作,于是借來電擊槍,在鍵盤連接線旁連續放電,這樣做幾下, 百分之百會出現問題。  

16、;      原因找到了,問題也通過增強管理得到解決,但也為鍵盤設計增加了教訓,除了增強連接線的屏蔽層外,還可以通過看門狗電路來解決問題,看門狗電路是一個形象的說法,是一個負責監督鍵盤單片機軟件的芯片,鍵盤軟件每隔1·5s將看門狗芯片的電平翻轉一次,如果1·5s時沒有翻轉,看門狗芯片將自動觸發鍵盤的復位信號,重新啟動一次鍵盤軟件,這樣就保證了鍵盤不會發出大量的亂碼,系統就不致崩潰了。另外,在車道控制器軟件的編制中,應當將不用的字符鍵和系統功能鍵等屏蔽掉。上面說到的是收費系統的問題,在監控外場設備中,也大量使用了單片機和外場設備控