基于泄漏电流仪通讯的抗干扰性能分析
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摘要： 为设计计算机对泄漏电流仪的控制，建立了RS232通讯的连接，但发现在进行电磁兼容测试时有干扰，因此开展了对计算机上位机和泄漏电流仪间有线、无线通讯的测试比较，从抗干扰情况角度进行通讯能力评价，旨在评价现阶段所搭建的智能泄漏电流仪的抗干扰测试平台，从而以保证计算机上位机与泄漏电流仪通讯的可靠性。
Abstract： In order to design computer to control leakage current meter， connection of RS232 communication is established. But it is found that there is interference in the electromagnetic compatibility test， therefore， the comparison of the wired and wireless communication between host computer and leakage current meter is carried out. The communication capability evaluation from the view of anti-disturbance is designed to evaluate the anti-interference test platform of intelligent leak current instrument set up at the present stage， so as to ensure the reliability of the communication between host computer and leakage current meter.
关键词： 电磁干扰；无线通讯；群脉冲
Key words： electromagnetic interference；wireless communication；group pulse
中图分类号：O441.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）19-0125-04
0 引言
随着现代科学技术的不断发展，电力电子设备得到了广泛应用，与此同时，电磁干扰问题也引起了人们的关注。因此很多国家纷纷制定了一系列的电磁兼容认证与测试标准[1-4]，要求进入市场的电力电子产品必须通过相关标准测试，如此可最大限度杜绝电磁干扰问题的发生。
我国关于电磁兼容性问题的研究起步较晚，直到上世纪六十年代该问题才逐渐在我国引起了关注。我国最早对电磁兼容性问题展开研究的是上海电器科学研究所，于1962年该研究所就开始进行无线电干扰的测量和船用电机电器无线电干扰标准的制定工作。在此之前我国对于电磁兼容性知之甚少，所以几乎所有的舰船都没有提出抗电磁干扰的要求，导致很多舰船设备相互干扰，无法真正发挥作用和优势，影响和降低了其通讯、探测、导航能力，因此有必要建立了电磁兼容试验研究室。[5-6]
本课题主要研究泄漏电流仪与计算机通讯时电磁干扰的影响问题，通过进行泄漏电流与计算机有线和无线通讯设计，进而对通讯时的防群脉冲干扰进行测试和分析。
1 泄漏电流仪简介
泄漏电流仪是按照IEC、ISO、BS、UL、JIS等国际国内的安全标准要求而设计的。泄露输出电压0-250V连续可调，输出功率为500VA，适合各种家用电器、电源、电机、医疗、化工、电子仪器、仪表、整机等，以及强电系统的泄露电流的测试，同时也是科研实验室、技术监督部门不可缺少的泄漏电流试验设备。
CS5505型泄漏电流仪为智能型耐压测试仪，它采用CPU控制技术、VFD显示屏，能实时显示泄露电流值和测试电压值。CS5505型泄露电流测试仪的测试网络符合GB4706.1-2005（IEC335-1：1999）要求，采用真有效AC-DC转换，可根据不同安全标准以及用户的不同需求连续任意设置泄漏电流报警值。在测试方面精度高，测试时间精度提高到±1%以上，而且测试范围提高到999秒功能更加丰富实用。设置的各项参数本机可自动保存，不会因为关机或者掉电而丢失，开机后，不需要进行新的设置。本机配有“RS232C”接口，可与PC机组成测试系统，进行质量统计、分析、报表打印等作业。
2 RS232有线通讯、Zigbee无线通讯的介绍
2.1 RS232有线通讯介绍
RS232标准（协议）的全称是EIA-RS-232C标准，其中EIA（Electronic Industry Association）代表美国电子工业协会，RS（Recommend Standard）代表推荐标准，232是标识号，C代表RS232的最新一次修改。[7]RS232接口是个人计算机上的通讯接口之一，由电子工业协会（EIA）所制定的异步传输标准接口。通常RS-232接口以9个引脚（DB-9）或是25个引脚（DB-25）的型态出现，一般个人计算机上会有两组RS-232接口，分别称为COM1和COM2。
2.2 Zigbee无线通讯介绍
ZigBee 名字来源于“蜜蜂”的通信方式，“蜜蜂”之间通过跳“ZigZag”舞蹈来相互交流信息，以便共享食物源的方向、距离和位置等信息。其标准由ZigBee Alliance与IEEE 802.15.4的任务小组来共同制订。其中实体层、M A C层、数据链接层，以及传输过程中的资料加密机制等发展由IEEE所主导，ZigBee联盟负责高层应用、测试和市场推广等工作。[8]
ZigBee技术的抗干扰特性主要是指抗同频干扰，即来自共用相同频段的其他技术的干扰，对于同频干扰抵御能力的强弱直接影响到设备的性能。ZigBee在2.4GHz频段内具备强抗干扰能力，这将能够可靠地与WiFi、蓝牙、WirelessUSB以及家用的微波炉、无线电话互不干扰。
3 群脉冲抗扰度试验介绍
3.1 群脉冲发生器的工作原理
电快速瞬变脉冲群试验的目的是验证电子设备机械开关对电感性负载切换、继电器触点弹跳、高压开关切换等引起的瞬时扰动的抗干扰能力[9]。这种试验方法是一种耦合到电源线路、控制线路、信号线路上的由许多快速瞬变脉冲组成的脉冲群试验。容易出现问题的场合有电力设备或监控电网的设备、使用在工业自动化上面的设备、医疗监护等检测微弱信号设备。
电快速瞬变（EFT），脉冲群持续时间为15ms，脉冲群间隔为300ms，单脉冲宽度为50ns，脉冲上升沿5ns，脉冲重复率为2.5kHz。开关断开电感负载时产生反电势。反电势向寄生电容充电，随着充电电压的升高，开关断开处要出现击穿现象，共用此电源的其它电路或装置就要受到该脉冲电压的影响，这就是EFT形成的原因。
EFT的特点是脉冲成群出现，重复频率高，单个脉冲的上升时间短暂、能量较小，一般不会造成设备本身的损坏，但脉冲群会对装置中半导体器件结电容充电，当结电容上的能量累积到一定程度，便会引起装置的误动作。对地电容是EFT的一个主要传播途径，属共模干扰，是EMC抗扰性试验中容易出现问题的一个项目。EFT电压的大小取决于负载电路的电感、负载断开速度和介质的耐受能力。
3.2 群脉冲试验的条件配置
3.2.1 接地参考平面
接地参考平面应该为一块最小厚度为0.25mm的金属板（铜或铝），也可以使用其他的金属材料，但它们的最小厚度应为0.65mm。接地平面最小尺寸为1m×1m，实际尺寸与EUT大小有关。
3.2.2 耦合装置
EMS61000-4智能型群脉冲发生器内置的单相耦合/去耦网络或EFTC-2群脉冲电容耦合夹。
3.2.3 试验条件
①EUT（受试设备）应放置在接地参考平面上， 并用厚度为0.1m±0.01m的绝缘支座与之隔开；②接地平面至少应比EUT的四周伸出0.1m并与保护接地相连接，除了位于EUT下方接地平面外，EUT和所有其它导电性结构（例如屏蔽室的墙壁）之间的最小距离大于0.5m；③试验设有接地电缆，与接地参考平面和所有接头的连接应保证电感量最小；④在耦合装置和EUT之间的信号线和电源线的长度应为0.5m±0.05m。如果设备的电源电缆的长度超过0.5m，那么超过的部分应折叠在一起并放置在接地参考平面上方0.1m处，EUT和耦合装置之间的距离应保持在0.5m±0.05m。台式设备信号线抗干扰性型式试验的配置如图1所示。
3.3 群脉冲试验的参数要求
本课题选用EMS61000-4 智能型群脉冲发生器，表1为群脉冲发生器特性参数要求，试验中选择的参数为试验电压1kV，频率100kHz，脉冲持续时间0.75ms。
4 测试系统组成与实现
4.1 测试硬件部分
4.1.1 无线通讯设备――Zigbee
通过对常见的无线通讯设备蓝牙、WiFi、Zigbee之间的综合比较。从使用成本，整体性能和维护成本上考虑，实际选择Zigbee通讯模块作为实际上位机与测试设备之间的无线通讯模块。
ZigBee技术的抗干扰特性主要是指抗同频干扰，即来自共用相同频段的其它技术的干扰，对于同频干扰抵御能力的强弱直接影响到设备的性能。ZigBee在2.4GHz频段内具备强抗干扰能力，这意味着能够可靠地与WiFi、蓝牙、WirelessUSB以及家用的微波炉、无线电话共存。
4.1.2 有线通讯设备――RS232
考虑到实际操作时上位机与测试设备一对一操作简便，以及后续实际推广过程中，与其它有线通讯相替换的可行性。实际研究过程中，选择较基础简单的RS232总线进行通讯。
遵循RS232标准（协议）的全称是EIA-RS-232C标准，其接口是个人计算机上的通讯接口之一通常RS-232接口以9个引脚（DB-9）或是25个引脚（DB-25）的型态出现。
4.2 测试软件部分
本研究采用以VB为手段的人机交互界面创建，具有窗体可视化，后续数据库调用便捷，开发周期短，程序操作度高、安全性强等诸多优点。本系统软件主要包括：测试登入界面的创建，测试方案的选用，测试过程受控性的实时记录与监控，测试数据以及相关结果的录入与保存。
图2为主程序流程图。在用户登入界面成功转至主测试界面后，软件自行进行相关初始化与建立通讯。通过用户选择相关测试参数后，开始测试，界面通过可视化图形的变化对测试过程进行监控，通过对实时数据折线图的观察，进行实际测试状态的直观了解。其后，通过实时数据的数据存入，建立完善的数据库体系，便于后期的数据调用和研究。
图3为用户交互界面。主界面为用户提供方案选择的同时，实时录入现场数据，监控现场状态。辅以测试数据的导出，系统参数的设计等功能，使测试系统更具人性化。
5 测试数据与测试结果的比较与研究
5.1 有线通讯测试结果
5.1.1 有线通讯测试（未干扰）
将PC与泄漏电流仪用RS232有线通讯线连接，试验结果如表2。
将其绘制成折线图，如图4所示。
图4中所示泄漏电流值均在0.1左右波动，测试数据较稳定。
5.1.2 有线通讯测试（加干扰）
将群脉冲发生器的脉冲信号通过耦合夹传递到RS232有线通讯线中，观察其对有线通讯干扰的影响，得到如表3所示数据。
绘制折线图得到如图5所示结果。
从图5中可以看出：8s、16s、17s、20s时泄漏电流超出阈值，即泄漏电流数据超出安全电流值，可以看出干扰对通讯影响较大。
5.2 无线通讯测试（加干扰）
将Zigbee模块连接至PC和泄漏电流仪，设置通讯参数，同时施加群脉冲干扰，测试结果如表4所示。
将其绘制成折线图，如图6所示。
如图所示，加干扰的无线通讯测试对比未加干扰有线通讯，数据有所波动，但均在阈值以下。
脉冲群试验是利用干扰对线路结电容充电，当其能量积累到一定程度，就可能引起线路（乃至系统）出错。因此线路出错有个过程，而且有一定偶然性，不能保证间隔多少时间必定出错，特别是当试验电压接近临界值时，故试验中群脉冲耦合到通讯线路中对通讯系统的干扰是杂乱的，与未加干扰的系统测试相比有明显的差异。从试验中可以看出无线通讯的稳定性明显优于有线通讯，其原因是收到群脉冲辐射干扰时，有线通讯会将脉冲信号直接耦合到通讯线。
6 结论
本文运用VB编写了一套泄漏电流仪的自动通讯软件，并在此基础上，施加群脉冲干扰试验，比较有线通讯与无线通讯的稳定性。主要内容如下：
①结合实际测试流程，在比较各软件开发平台的优劣后，选择利用VB进行上位机控制软件的编写。在完成测试系统基本功能的前提下，对操作者的使用需求进行分析，为上位机软件增加辅助功能模块，如信息采集与保存、测试结果报告生成和系统设置等。
②以通讯抗干扰为目标，提出利用ZigBee通讯技术，并分析了系统主要模块，对各模块中的主要芯片进行了分析与选型。完成各个模块设计的同时，对模块电路从元器件选择到PCB板的布置进行了抗干扰设计，提高ZigBee模块的电磁兼容性。
参考文献：
[1]GJB 151A-1997，军用设备和分系统敏感度要求[S].
[2]GJB 152A-1997，军用设备和分系统敏感度测量[S].
[3]GB6833.1-1986，电子测量仪器电磁兼容性试验规范总则[S].
[4]GB/T6113.1-1995，无线电干扰和抗扰度测量设备规范[S].
[5]朱立文.国内外电磁兼容发展动态[J].电子质量，2003（7）.
[6]赖祖武.电磁干扰防护与电磁兼容[M].北京：原子能出版社，1993.
[7]林卓然.VB语言程序设计[M].北京：电子工业出版社，2012.
[8]潘方.RS232串口通讯在PC机与单片机通讯中的应用[A].现代电子技术，2012（7）.
[9]王楠，侯紫峰，宋建平，许铭.蓝牙无线连接可靠性措施的研究与实现[J].小型微型计算机系统，2003.