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电磁兼容发射数据处理系统的设计与实现

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  摘 要
  电磁兼容性测试主要通过发射和抗扰度这两大方向来体现试验品的特性。其中所谓“发射”,是利用相关产品标准(如 GB 4343.1和GB 13837等)中所规定的限值来衡量试验品的无线电干扰特性。电磁骚扰测试频率范围一直在扩大,检测结果数据也随之增多,每个敏感频点的测试数据的细节在波形图片中尚不够直观,利用MATLAB和C#软件联合编程编写含有新算法函数的软件,利用新算法函数软件来处理原接收机硬件获取的数据,可帮助检测人员筛选数据。
  【关键词】电磁兼容试验 发射 无线电干扰特性 MATLAB与C#联合编程
  MATLAB是一款先进的数据处理软件,自动诞生开始一直大受联合编程者的欢迎,它十分方便与Visual Studio系列编译语言融合,在开发具备友好界面和高数学特性的工具软件时,可采用的最有方法就是利用MATLAB和C#进行联合编程。电磁兼容试验中的端子骚扰(Conducted Emission)和功率骚扰(Disturbance Power)也属于国家CCC产品强制试验中的EMI项目,其测试成本投入相对辐射骚扰(RE)低廉很多,一款专业为端子骚扰和功率骚扰接收机定制数据处理软件,可帮助检定人员高效而准确的生成测试原始记录。
  1 研究背景
  电磁兼容试验在我国兴起于上世纪90年代。针对不用的产品特性,所用的检测标准不尽相同。考虑到端子骚扰的话,信息类产品主要源自GB 9254,音视频类产品和家用电器主要需要符合GB 13837和GB 4343.1的规定,而工业、科学和医疗设备需要满足的又是GB 4824。这些国家强制标准还映射到了各行各业自己的对应产品标准中,例如铁道部的TB/T 3034与我们的国标都是源自CISPR 11、CISPR 22等诸多对电磁兼容骚扰测试限值和方法进行了规定的标准。
  对于某类型产品而言三个频率段的电磁兼容实验限值一般都包含在同一份国家标准中。虽然三个测试的频率段有所交集,但是其试验方法、设备和场地却不尽相同。
  2 研究目的
  一般电磁兼容实验室常面对可能包括:家用电器、电动工具、音视频设备、信息技术设备、电信终端和医疗设备。上述设备在进行EMC试验时所用到的主要设备和摆放方式几乎相同、相通,例如一套由频率范围为150kHz~30MHz的接收机和人工电源网络组成的测试系统,便可进行90%以上常见产品的射频传导骚扰限值试验。以某品牌接收机为例,其可生成的REPORT型式虽然包括txt文档、数字位图和PDF文档,但是其内容全部不能进行编辑,不能按需选择生成仅包涵重点信息的报告,按照频率点提取的扫描峰值总量有6000多行数据,要进行全部数据的查阅极为不方便。现有设备除了对冗余数据筛选能力不足以外,对EMI测量数据的计量特性体现也不足,比如说在最终结果的数值修约和不确定度的评定几乎不涉及。
  3 研究技术路线和解决方案
  根据射频传导骚扰和功率骚扰试验工作需要处理的数据所具备的特殊情况,设计系统的开发平台、运行环境、系统功能和计量特性,主要功能除符合我院实际工作需要外,还需将系统移植到使用同样测试硬件的我省部分企业实验室,从而保证系统能发挥应有的作用和具备相应的价值。
  3.1 系统开发平台
  联合编程的开发平台其实可选择的并不多,利用Visual Studio和MATLAB完成联合编程基本原理已被广泛论证且普遍适用。考虑到操作界面的友好性与可扩展性,选用MATLAB R2009a与Visual Studio 2010 C#语言进行联合编程最为合适。
  3.2 系统功能及实现方案
  3.2.1 数据格式批量调整
  EMI Receiver可输出的数据格式需要经过调整才可被MATLAB语言编译的函数提取并进行后续处理,而MATLAB语言获取数据的能力略显不足,其强大的图像和数据处理功能不言而喻,但是只有首现借助C#,编译可调整数据格式的函数才能让MATLAB发挥其优势。
  3.2.2 数据筛选和计算
  通过程序转换后的数据在xls文件中占6024行,冗余信息量大且查阅困难,利用MATLAB编写的程序具有直观的操作界面现将全部数据呈现在操作员面前(见图1),它可将波形图、限值和扫描结果直接呈现在操作员面前,点击程序中“数据处理”按钮后数据自动筛选功能立即开始运行,在筛选工作开始的同时,程序会指引操作员将被筛选过的数据存入指定位置,以便和后期运算衔接。
  一般接收机工作原理都是在预扫中获得全部频率点的电压电平峰值,对其中超越了限值的频率点进行准峰值和平均值扫描,这样获得的矩阵就包括了频率点、峰值、准峰值和平均值。但是这样的一个矩阵在被导出的时涵盖了敏感点和非敏感点的全部信息,对于工作来说,非敏感点数据不作为判定依据,所以程序能够实现将非敏感度点信息剔除的功能。生成仅含敏感点数据的矩阵后,对于检定工作来说最重要的就是计算全部敏感频率点在对应限值下的余量,因为标准的合格判定都是建立在限值余量(Margin)之上。
  经过筛选和计算的数据被直接呈现在程序界面中(见图2),主要内容包括仅包括敏感频率点的峰值(Peak)、准峰值(QPeak)、平均值(Avg)、准峰值限值(Limit QP)、准峰值余量(Margin QP)、平均值限值(Limit Avg)和平均值限值(Margin Avg)。
  3.2.3 数据判定
  通过筛选和计算之后的数据可直接用于检测结果的判定,敏感点被罗列出来后只需观察其准峰值和平均值余量,如果Margin QP和Margin Avg两个纵行中出现负数,那么自然检测结果可记作“不合格”。但是从事计量工作的人都明白,只有引入系统不确定度后的结果才能作为用于最终判定。   在将系统不确定度植入程序软件之前我们首现需要明确它的来源。以电源端子传导骚扰为例,它主要是测量待测物对公共电网产生的干扰。测试频率由9kHz~30MHz,该试验主要是由测量接收机、人工电源网络、电缆和限幅器组成。影响测量结果的要素包括测量接收机读数、人工电源网络阻抗、电缆校准和限幅器的校准,测试的重复性等。不确定度按照不同来源(见表1)被视作彼此独立、互不相关的不确定度分量,利用“方合根”得出的值就被视作测试系统的合成不确定度被载入本文所述软件的数据判定模块。
  3.2.4 报告生成
  一份完整的EMC测试报告应该包括:曲线图、敏感读点结果、引用测试标准信息和部分EUT信息。测试报告被提交委托测试者手中后,对方可以清楚得知EUT测试结果或测试失败的原因。一份测试报告作为检定证书的原始记录时,篇幅其实不用特别长,通过一份Report,检测人员最需要获取的信息是测试数据能否支持合格判定。敏感点被罗列出来以后,检定员就可以快捷的复现失败部分的试验,以便验证试验复现性,同时被记录下的敏感频率点将可以更好的引起研发人员的关注。
  4 总结与展望
  本文论证了利用MATLAB语言编译的数据筛选函数和数据计算函数,可被利用于EMC端子骚扰、功率骚扰试验数据的处理方面。试验输出的庞大矩阵信息在MATLAB程序中可以被快速处理,且MATLAB的数学功能无论是在普通计算还是不确定度的评定中都可以被充分运用,着实可以帮助电磁兼容检定员提高工作效率。本文在讲述技术方案时,论证了将C#语言作为程序操作界面的编译语言的优势,在取得这一优势的同时C#与MATLAB的联合编程的可行性也在电磁兼容发射数据处理系统中得到了良好验证。本文论述的程序虽然编译难度不大,但是本程序是针对电磁兼容试验频率范围广、数据计算量大、不确定度评定复杂和标准变更频率高等特点来量身定制的,将软件投入单位实际工作后,充分证明了此软件的功能性和稳定性都满足设计的要求,可被运用于EMC检测工作。
  参考文献
  [1]余洪文,方强,熊洋洋.电源端子传导骚扰试验测量不确定度的评定[J].日用电器,2012(4):36-38.
  [2]李凯,王劲松.Visual C#与Matlab混合编程原理及其在数据图形化中的应用[J].数字技术与应用,2014(9):55-56.
  [3] 孙玮.电磁兼容发射测量中的不确定度[J].环境技术,2013(5):36-39.
  [4] 杨志豪,黄昊培,李蕴,孙鲁,陈凯. 电源端口骚扰电压测量中的不确定度分析[J].现代电子技术,2013(22):105-107.
  作者简介
  陈宁(1983-),男,湖南省长沙市人。曾荣获俄罗斯国立莫斯科大学硕士研究生学历。现为湖南省计量检测研究院工程师,从事家用电器、车载电子产品、医疗电气设备和计量器具的电磁兼容检测方法研究工作。
  作者单位
  湖南省计量检测研究院 湖南省长沙市 410014
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