专利名称：定性检测pcb板电磁干扰辐射性能的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种定性检测PCB板电磁干扰辐射性能的装置及方法，属于电磁检测技术领域。
背景技术：
近年来，随着电子信息科学的飞速发展，高速PCB板的工作频率成几何速率增长， 其所在器件的集成度及功率等级也越来越高，这给PCB板内部甚至整个系统的电磁兼容性 (Electromagnetic Compatible,EMC)带来了许多问题。在此背景下，各国政府制定了大量的标准限制高速PCB板对外的电磁辐射强度。如欧盟的CE标准和美国的FCC标准就强制规定了产品在面世前，必须通过一系列极其严格的测试，这些测试往往需要高昂的测试经费和漫长的测试周期。这些存在的问题，使设计人员在系统设计的初期就要考虑到电磁兼容方面的需求。目前主流的电磁干扰辐射扫描系统有EMSCAN公司的EMSCAN电磁干扰扫描系统和英国IIT公司的ETSi4334等，其中以EMSCAN最具代表性。EMSCAN电磁干扰扫描系统由1218个H场探头组成，按32X40的阵列排放，各探头分布在7. 6mmX7. 6mm的矩形栅格内，探头的方向按人字型排列。其控制器用来实现扫描器内探头的自动切换并控制频谱分析仪进行滤波和扫频。计算机通过以太网与控制器相连， EMSCAN的所有控制和数据处理，全部由安装在计算机上的软件实现。EMSCAN具有频谱扫描功能和空间扫描功能。频谱扫描结果可体现出被测物产生的频率分量数量及每个频率分量的幅度；空间扫描的结果，是针对一个频率点的，是一张以颜色代表幅度的地形图，能实时看清PCB产生的某个频率点的动态的电磁场分布情况。但是EMSCAN阵列探头之间存在的相互干扰，严重影响了对PCB板电磁辐射的检测结果的准确性；同时EMSCAN的价格昂贵，高达38万美金。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有对PCB板电磁干扰辐射的检测结果准确性低及价格昂贵的问题，提供一种定性检测PCB板电磁干扰辐射性能的装置及方法。本发明所述定性检测PCB板电磁干扰辐射性能的装置，它包括近场探头、前置放大器、频谱分析仪、PC机、单片机电路、X轴电机隔离及驱动单元、X轴电机H桥驱动电路、X 轴方向步进电机、Y轴电机隔离及驱动单元、Y轴电机H桥驱动电路和Y轴方向步进电机， PC机内部嵌入有数据处理及图像显示单元，PC机的模式控制信号输出端连接单片机电路的模式控制信号输入端，单片机电路的χ轴电机控制信号输出端连接χ轴电机隔离及驱动单元的控制信号输入端，χ轴电机隔离及驱动单元的控制信号输出端连接X轴电机H桥驱动电路的控制信号输入端，X轴电机H 桥驱动电路的控制信号输出端连接X轴方向步进电机的控制信号输入端；单片机电路的Y轴电机控制信号输出端连接Y轴电机隔离及驱动单元的控制信号输入端，Y轴电机隔离及驱动单元的控制信号输出端连接Y轴电机H桥驱动电路的控制信号输入端，Y轴电机H桥驱动电路的控制信号输出端连接Y轴方向步进电机的控制信号输入端；PC机的频谱分析仪参数设置输出端连接频谱分析仪的参数设置输入端，频谱分析仪的采集信号输出端连接PC机的采集信号输入端，频谱分析仪的采集信号输入端连接前置放大器的采集信号输出端，前置放大器的采集信号输入端连接近场探头的采集信号输出端，数据处理及图像显示单元用于对PC机的采集信号输入端接收到的图像数据进行处理，还用于对所述图像数据进行显示输出，还用于产生模式控制信号；X轴方向步进电机的输出轴用于驱动近场探头沿X轴方向做直线运动，Y轴方向步进电机的输出轴用于驱动近场探头沿Y轴方向做直线运动。本发明所述基于上述装置的检测方法，通过PC机发送LabVIEW软件的控制指令， 单片机电路根据接收到的控制指令确定近场探头的扫描工作模式，单片机电路同时根据接收到的控制指令获得X轴方向步进电机和Y轴方向步进电机的运动方向和运动距离，并根据所述运动距离计算获得相应电机的驱动信号的驱动脉冲数，然后将运动方向及驱动脉冲数形成控制信号用于驱动相应电机运动，从而带动近场探头完成定位动作；在所述近场探头完成定位之后，通过频谱分析仪接收近场探头的采集信号，并将采集的信号传输给PC机，最终通过数据处理及图像显示单元将处理后的数据及图像进行显示，实现对PCB 板电磁辐射性能的实时检测。本发明的优点是本发明具有经济、快速、可重复对PCB板电磁干扰辐射强弱进行检测，并且检测结果准确性高的优点，它可以在整个PCB板的设计周期，随时进行干扰源的定位和整版辐射的测量，及时采取有效措施来消除或抑制系统内部和对外电磁干扰，大大提高了产品的通过率、缩短了产品的设计周期，节约了设计成本。在电磁兼容预测试方面有着其它设备无法替代的优势。本发明确定了两相步进电机的驱动结构，采用H桥斩波驱动电路方案，结构简单， 成本较低。以单片机为核心，设计控制软件，能够接收PC机的指令，准确计算电机运行步数和方向，发出控制指令，实现对步进电机运动的控制，定位精度达1mm。
图1为本发明的结构示意图；图2为实施方式二所述Y轴电机电流检测单元和X轴电机电流检测单元的检测流程示意图；图3为实施方式四中正弦信号所产生的磁场辐射测试曲线图，图中Ml和M2为频率标不点；图4为对实施方式四中正弦信号增加磁场干扰抑制措施后，正弦信号产生的磁场辐射测试曲线图，图中Ml为频率标示点；图5为实施方式四中由示波器测试得到的方波上升沿波形图；图6为实施方式四中对方波信号产生的电场辐射的测试结果曲线图，图中Ml和M2为频率标示点；图7为实施方式四中对方波信号增加屏蔽后产生的电场辐射的测试结果曲线图， 图中Ml和M2为频率标示点；图8为实施方式四中由示波器测得继电器的时域信号图；图9为实施方式四中测得继电器上的磁场辐射曲线图；图10为实施方式四中增加干扰屏蔽措施后继电器上的磁场辐射曲线图；图11为实施方式四中PCB板无外接电磁辐射时的频谱图，图中Ml和M2为频率标示点。图12为实施方式四中PCB板上CPLD周围的电磁辐射频率图，图中Ml和M2为频率标不点；图13为实施方式四中PCB板上AD转换器周围的电磁辐射频率图，图中Ml和M2 为频率标示点；图14为实施方式四中PCB板不加电磁干扰抑制时的电磁干扰测量结果15为实施方式四中PCB板增加电磁干扰抑制时的电磁干扰测量结果16为实施方式四中6W37芯片的同相传输原理图；图17为实施方式四中H桥驱动电路的MOS管驱动电路图；图18为实施方式四中H桥驱动电路的电路图；图19为电机电流检测单元的电路图；图20为实施方式四中型号为PA-303N的前置放大器的典型增益特性图；图21为实施方式四中XE164FM-72F80单片机的主程序流程图；图22为实施方式四中XE164FM-72F80单片机UART子程序的流程图；图23为实施方式四中XE164FM-72F80单片机中坐标计算子程序的流程24为实施方式四中XE164FM-72F80单片机中脉冲输出子程序的流程25为实施方式四中PC机的数据处理和图像显示子程序的流程图。
具体实施例方式具体实施方式
一下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的定性检测PCB 板电磁干扰辐射性能的装置，它包括近场探头1、前置放大器2、频谱分析仪3、PC机4、单片机电路5、X轴电机隔离及驱动单元6-1、X轴电机H桥驱动电路6-2、X轴方向步进电机6_3、 Y轴电机隔离及驱动单元7-1、Y轴电机H桥驱动电路7-2和Y轴方向步进电机7-3，PC机 4内部嵌入有数据处理及图像显示单元8，PC机4的模式控制信号输出端连接单片机电路5的模式控制信号输入端，单片机电路5的X轴电机控制信号输出端连接X轴电机隔离及驱动单元6-1的控制信号输入端， X轴电机隔离及驱动单元6-1的控制信号输出端连接X轴电机H桥驱动电路6-2的控制信号输入端，X轴电机H桥驱动电路6-2的控制信号输出端连接X轴方向步进电机6-3的控制信号输入端；单片机电路5的Y轴电机控制信号输出端连接Y轴电机隔离及驱动单元7-1的控制信号输入端，Y轴电机隔离及驱动单元7-1的控制信号输出端连接Y轴电机H桥驱动电路7-2的控制信号输入端，Y轴电机H桥驱动电路7-2的控制信号输出端连接Y轴方向步进电机7-3的控制信号输入端；PC机4的频谱分析仪参数设置输出端连接频谱分析仪3的参数设置输入端，频谱分析仪3的采集信号输出端连接PC机4的采集信号输入端，频谱分析仪3的采集信号输入端连接前置放大器2的采集信号输出端，前置放大器2的采集信号输入端连接近场探头1 的采集信号输出端，数据处理及图像显示单元8用于对PC机4的采集信号输入端接收到的图像数据进行处理，还用于对所述图像数据进行显示输出，还用于产生模式控制信号；X轴方向步进电机6-3的输出轴用于驱动近场探头1沿X轴方向做直线运动，Y轴方向步进电机7-3的输出轴用于驱动近场探头1沿Y轴方向做直线运动。本实施方式中所述的近场探头1可设置在机械扫描平台上，由X轴方向步进电机
6-3和Y轴方向步进电机7-3通过驱动机械扫描平台实现对近场探头1的扫描定位，近场探头1、前置放大器2和频谱分析仪3用来实现对信号的采集工作，本发明装置的定位精度由 X轴方向步进电机6-3、Y轴方向步进电机7-3及机械扫描平台的结构共同决定。所述的机械扫描平台是一种二维的运动平台，采用滑动螺旋传动形式。由步进电机驱动螺杆转动，螺杆带动螺母移动。
具体实施方式
二 下面结合图2说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于，它还包括Y轴电机电流检测单元7-4和X轴电机电流检测单元6-4，Y轴电机电流检测单元7-4用于采集Y轴方向步进电机7-3的工作电流，该Y轴电机电流检测单元7-4的电流信号输出端连接单片机电路5的Y轴电机电流信号输入端；X轴电机电流检测单元6-4用于采集X轴方向步进电机6-3的工作电流，该X轴电机电流检测单元6-4的电流信号输出端连接单片机电路5的X轴电机电流信号输入端。其它组成及连接关系与实施方式一相同。本实施方式中Y轴电机电流检测单元7-4和X轴电机电流检测单元6-4用来对两个步进电机的相电流进行实时采集，在单片机5内部，会将实时接收的相电流信号与内部预存的安全值作比较，一旦超过安全值，就会报警，并停止发送脉冲控制信号。
具体实施方式
三下面结合图1说明本实施方式，本实施方式是基于实施方式一所述的定性检测PCB板电磁干扰辐射性能的装置的检测方法，通过PC机4发送LabVIEW软件的控制指令，单片机电路5根据接收到的控制指令确定近场探头1的扫描工作模式，单片机电路5同时根据接收到的控制指令获得X轴方向步进电机6-3和Y轴方向步进电机
7-3的运动方向和运动距离，并根据所述运动距离计算获得相应电机的驱动信号的驱动脉冲数，然后将运动方向及驱动脉冲数形成控制信号用于驱动相应电机运动，从而带动近场探头1完成定位动作；在所述近场探头1完成定位之后，通过频谱分析仪3接收近场探头1的采集信号， 并将采集的信号传输给PC机4，最终通过数据处理及图像显示单元8将处理后的数据及图像进行显示，实现对 PCB板电磁辐射性能的实时检测。PC机4内部的数据处理及图像显示单元8在LabVIEW软件的应用环境下与单片机 5采用串口通信，LabVIEff软件同时实现对频谱分析仪3的参数设置、对频谱分析仪3的数据通过USB 口进行读取，以及将图像送由数据处理及图像显示单元8进行图像显示。
当近场探头1完成定位后，即开始对被测PCB板的电磁辐射情况进行采集，电磁干扰辐射信号经近场探头1转换成电压信号，所述电压信号再送入前置放大器2后输入到频谱分析仪3，由频谱分析仪3对信号进行频谱分析，得到每个频率点的辐射情况，由PC机4 对数据进行读取，得到电磁干扰的幅频信息。本发明方法通过编程实现人机交互界面，控制整个系统的启停工作状态，及近场探头1的扫描方式、步进电机单步运行的距离，及完成图像显示。PC机4通过LabVIEW完成了与下位机单片机5的串口通信，控制步进电机带动近场探头1完成扫描定位动作，以及与频谱分析仪3的USB通信，实现对频谱分析仪3的参数设置和数据读取，完成了人机通信界面设计。
具体实施方式
四下面结合图3至图25说明本实施方式，单片机5XE164FM-72F80L 通过串口接收PC机4上LabVIEW软件发送的控制指令，根据相应指令，选择正确的近场探头1扫描工作模式。同时根据指令分析X轴方向步进电机6-3和Y轴方向步进电机7-3的运动方向和距离，计算出所需驱动脉冲数，利用捕获比较CCU6单元，输出脉冲控制信号，该控制信号经过6附37非线性高速光耦，保证了电气隔离，并由三相全桥驱动芯片6ED003L06-F 驱动由MOSFET组成的H桥式驱动电路，从而驱动相应的步进电机运动，完成近场探头1的扫描定位动作。在整个扫描过程中，分别由小型精密电流互感器采集步进电机的相电流，经过由0P07运放组成的Y轴电机电流检测单元7-4和X轴电机电流检测单元6-4，送入单片机5的AD模块，经PEC通道传送AD转换结果，完成对步进电机相电流的实时采集。单片机 5将采集回来的电流值与内部预存的安全值作比较，一旦超过安全值，就报警，并停止发送 PWM控制波。对本方法所基于的装置进行功能测试为验证所述装置处于正常的工作状态，选择正弦信号产生的磁场和方波信号产生的电场进行测试，其中正弦信号频谱分布结果是只有自身频率处有频谱分量，其余频率点的频谱分量均为0 ；方波信号频谱分析结果是除了自身频率外还包含一系列奇次谐波的离散频谱分布。正弦信号产生磁场的测试由正弦信号产生的辐射是磁场辐射，利用近场探头 1LFR400进行其辐射强度的测试。设置频谱分析仪3的起始频率为IOKHz，终止频率为IOMHz，扫描点数为1024，峰峰值为14. 6V，频率为5MHz的正弦信号所产生的磁场辐射测试结果如图3所示。通过增加磁场干扰抑制措施，正弦信号产生的磁场辐射测试结果如图4所示。由理论分析可知，正弦信号的频谱分布情况与正弦信号自身的频率有关，测试中使用正弦信号的频率为5MHz，由图3得到信号的频谱恰好分布在5MHz处，可以证明本发明装置能正常的工作。比较图3和图4可知，增加干扰抑制措施后，在5MHz处的磁场辐射强度由-30dBm变成了 _53dBm，磁场辐射强度减小。同样说明整个装置能正确地定性的反应电路中的磁场辐射情况。方波信号产生电场的测试由方波信号产生的辐射是电场辐射，利用近场探头 1LFR400进行其辐射强度的测试。峰峰值为14. 6V，频率为IOKHz的方波信号，由示波器测试得到的方波上升沿波形如图5所示，由图5可知上升时间τ = 12.如s，频谱分布的范围为1/ τ = 80. 65MHz。设置频谱分析仪3的起始频率是IOOKHz，终止频率为IOOMHz，扫描点数为1024，则由方波信号产生的电场辐射测试结果如图6所示，通过增加磁场干扰抑制措施，方波信号产生的电场辐射测试结果如图7所示。由图6得到方波信号电场辐射的频谱分布的频率范围为80MHz左右，与图5得到的结论一致，可以看出方波产生电场辐射的频谱分布包含为基波及其奇次谐波，并且谐波分量的幅值按1/η (η为谐波分量次数)变化，与理论分析保持一致，这些都充分得验证了本发明装置可以正常工作。由图6和图7可知，增加干扰抑制措施后，在频谱分布的整个范围内电场辐射强度都减小，最大值由-50daii变成了 -59dBm，同样可以说明本发明装置能正确地定性的反应电路中的电场辐射情况。大电感中磁场的测试继电器触点的闭合和分开使得在被控制电路中产生很陡峭的电流或电压的上升沿和下降沿，从而产生具有丰富高频谐波分量的传导发射干扰和辐射发射干扰，这些干扰对继电器所在的电路系统及其周围设备的正常工作是一种潜在的危害。因此，测试由继电器和大电感组成电路中的磁场辐射情况有着非常重要的意义， 取继电器和电感组成的电路中电源电压为8V，继电器HKE H2S4H-S-DC12V的驱动电压为 12V,继电器的工作频率为2. 2Hz，电感为1. 28mH,电阻为20 Ω。由示波器测得继电器的时域信号如图8所示，由于大电感中的寄生电容效应，会产生谐振现象，振荡周期为5. 332us，则可以得到磁场辐射的谐振频率为187. 55ΚΗζ。设置频谱分析仪3的起始频率为IOKHz，终止频率为SOOKHz，扫描点数为1024，测得继电器上的磁场辐射情况如图9所示，增加干扰屏蔽措施后，再测得继电器上的磁场辐射情况如图10所示。由图9可知，继电器上的磁场辐射谐振频谱在190ΚΗΖ左右，与时域得到的谐振频率187. 55ΚΗζ基本保持一致，利用图像也可以得到电感的寄生电容参数。比较图9和图10可知，增加二极管续流电路和接地屏蔽铁片，继电器上的磁场辐射明显的减小，特别是在谐振点200ΚΗΖ处，因此为了减小继电器通断引起的磁场辐射，可以采取这些措施有效的减弱其两端的干扰辐射。下面对PCB板产生的电磁辐射进行测量选取一个被测物PCB板，对PCB板上的控制器CPLD和AD转换器周围的电磁场辐射进行测量，并对整个PCB板进行扫描，对感兴趣的
频率点进行二维显示。使用LF R400近场探头1完成对PCB板上磁场辐射的所有测试，设置频谱分析仪 3的起始频率为ΙΟΚΗζ，终止频率为10MHz，由于PCB板的电磁辐射比较的小，所以增加前置放大器2PA-303N来提高系统测试的准确度，没有外接电磁辐射源时，各频率点的辐射强度如图11所示。对PCB板上的控制器CPLD的扫描CPLD作为整个PCB板的控制器，始终处在工作状态，因此CPLD上的电磁干扰辐射也会比较大。控制器CPLD周围电磁干扰辐射情况的测试结果如图12所示。比较图12和图11的测试结果可知，图12显示整个测试频率段内的电磁场辐射都增加了，进而说明控制器CPLD周围存在大量的电磁干扰辐射，并且辐射主要集中在频率 1. 5MHz的附近。
对PCB板上的AD转换器的扫描AD转换器实现模拟量和数字量的转换，并把转化的数字信号传送给控制器CPLD，因此在AD转换器的信号线上也会存在大量的电磁干扰辐射，AD转换器信号线上电磁干扰辐射的测试结果如图13所示。比较图13和图11的测试结果可知，整个测试频率范围内的辐射强度都增加了，主要原因是信号线上的数字信号产生各个频率段的辐射导致整天辐射增强。上述的测试结果与理论分析结果都保持一致，也充分说明本发明装置能正确的反应各点的电磁辐射情况。对PCB板的扫描为了找到PCB板中某个频率点辐射强度较大的地方，需要对PCB 板进行全部的扫描，频率扫描范围是从IOKHz到10MHz，图像显示的频率为1. 5MHz，不加任何电磁干扰抑制时整个PCB板的电磁干扰测量结果如图14所示，增加抑制电磁干扰屏蔽器后，整个PCB板的电磁干扰测量结果如图15所示。所扫描的控制器CPLD、晶振以及AD转换器区域的电磁辐射干扰，由图14可知图像颜色相对较深，即电磁场辐射强度较大，与图12得出的结论一致，在这个区域存在大量的电磁场辐射。比较图15和图14可知，经过电磁干扰抑制后的PCB板上各点的电磁辐射明显的减小，通过本发明装置的设计，使得测量结果“可视化”，能够完成对PCB板电磁干扰辐射的定向测量，根据图像快速的找到PCB板上辐射强度较大地方，对改善PCB的设计质量等都有很重要的意义。本发明方法采用虚拟仪器的思想，在PC机4上以LabVIEW软件为核心编程实现人机交互界面。由此能够快速得到PCB板上每个点的辐射情况，找到电磁辐射较大的位置，对其增加电磁干扰抑制措施，若改进后电路的电磁干扰辐射减小，则说明该抑制措施对电路中的电磁干扰起到了一定的作用，找到了合理的抑制电磁干扰的措施，它对电路的设计有
着至关重要的作用。单片机5的控制软件，可以控制近场探头1实现逐点扫描和单点扫描两种不同的工作模式。单片机5采用英飞凌公司推出的16位电机控制应用的单片机XE164FM-72F80作为本发明电机控制系统的控制芯片，相比于传统的电机控制芯片DSP、PIC等，该芯片具有运算速度快、功能模块多而且强大等优点。它同时具有强大的智能片上外设子系统，其中包括两个可同步ADC，一个捕获/比较单元C0P2 (具有两个独立时间基准)，两个16位定时器 /计数器；多达4个用于灵活PWM信号产生的捕获/比较单元(CCU6)，多达6个串行通道， 具有警告中断的实时时钟，两个多功能通用定时器单元等。本发明中利用单片机XE164FM-72F80的ADC单元、CCU61单元、CCU62单元、PEC单元、UART单元实现了控制电路的设计。ADC单元XE164FM-72F80芯片有两个ADC单元，分别为ADCO和ADCl。ADC模块是采用逐次逼近技术，以电容网络实现的。转换过程分为三个阶段。采样阶段将电容网络和选中的模拟输入端相连，对电容网络充放电直至达到模拟信号的电压值。实际转换阶段将电容网络和模拟输入端断开，在逐次逼近过程中通过参考电压VAREF反复对电容网络充放电。后校准阶段调整电容网络以适用于变化的条件，如温度将校准后的结果写入结果寄存器，并产生中断请求。
利用ADCl单元选择其通道2，4，5，6共4路通道分别对X轴方向步进电机6_3A、B 两相，Y轴方向步进电机7-3A、B两相电流进行数模转换。选择连续转换方式，实现对电机电流的实时检测。转换结果利用PEC通道进行传输。其中，ADC模块的基准电压采用的是 TL431搭建的5V基准源。相比于利用XE164FM-72F80芯片的供电电源，能够减少电源纹波， 有利于提高XE164FM-72F80的转换精度。三个(XU6模块每个(XU6模块由带有三路捕获/比较通道的定时器T12和带有一路比较通道的定时器T13组成。T12的各通道既能独立产生PWM信号或接受捕获信号，各通道也可共同产生驱动交流电机或逆变器的控制信号序列。每个(XU6具有3路捕获/比较通道，各路可单独用作捕获或比较通道。支持三相PWM产生(6路输出，每相两路信号分别用于控制上桥臂或下桥臂开关)。CCU6的特殊工作模式也可用于控制无刷直流电机，使用霍尔传感器或利用反电动势检测的控制方案，此外CCU6支持切换和多相电机控制。利用CCU61和CCU62分别输出4路脉冲控制信号控制X轴方向步进电机6_3、Y轴方向步进电机7-3运动。利用Τ12定时器，选择合适周期，设定脉冲频率，利用Τ12周期中断方式和匹配中断方式，更改脉冲次序和脉冲输出设置，形成软件环形分配器。同时利用 C⑶6的的死区控制方式，设定2us的死区时间，防止H桥的上、下桥臂同时导通。针对二相步进电机的单8拍运行方式可能出现的在某一时刻只有一相能够流通电流的情况，通过利用Τ12周期中断，修改CCTO模块的输出端口属性，将另一相控制信号输出IO 口置为高阻态，禁止其输出控制信号，从而达到单8拍运行方式。PEC单元XE164FM-72F80芯片提供8路类似DMA功能的PEC通道。可以由任何中断请求触发，在任意两个内存地址之间传递字节数据或字数据。仅仅从当前CPU进程中 “窃取”一个时钟周期去完成，无需保存/恢复现场。占用时间少，效率高。每路PEC通道拥有独立的计数器，用于指定传输的次数，当传输完指定次数后，可以触发EOP(Endof PEC)中断。在每次PEC传输完成后，可以配置为自动增加源地址或目标地址，灵活性高。系统利用PEC传送通道完成ADC转换结果的后台实时传输，不影响程序运行时间， 具有极高的效率。通过设置PEC通道OJfADCO的第一通道的转换结果，传递到既定的地址，以供过流保护判断程序调用，实现过流保护功能。同理，分别设置PEC通道1，2，3，传递其余三路ADC转换结果。UART单元XE164FM-72F80芯片包括3个异步/同步串行接口，USICO、USICl和 USIC2。USIC模块支持全双工异步通信和半双工同步通信。特性和功能如下全双工异步工作模式，8位或8位数据帧，LSB在先，奇偶校验位产生和检查，1或2个停止位；带有自动地址/数据字节检测的多处理器通信模式；回环能力，双缓存发送器/接收器，具有多种中断产生方式异步工作模式的自动波特率检测单元。利用USIC模块的以上特性，可以配初始化配置软件DAvE配置相关初始化设置，配置UART串口通信。本系统利用XE164FM-72F80芯片的USICO接口的第一通道CH0，并设置 P7. 3，P7. 4为TX，RX端口，设置波特率为9600，单次接收中断方式。步进电机的选型本发明选用二相步进电机，它具有结构简单，控制逻辑简单， 价格便宜，通用性强等优点。由于近场探头1较轻，不需要经过复杂的电机选择校验计算，直接结合本发明装置的技术指标要求，可选择江苏合泰电机公司生产的两相混合式 57BYGH206步进电机。该步进电机具有体积小，静力矩大，稳定性好等优点。
隔离及驱动单元的设计利用6W37高速非线性光耦，传递单片机5输出的控制信号，并保证控制电路的弱电信号与主电路的强电信号进行电气隔离，提高了系统的稳定性和可靠性，同时通过三相桥驱动芯片6ED003L06-F驱动由MOSFET组成的双H桥驱动电路。6N137 一般有两种应用方式一种是同相传递，如图16所示；另一种是反相传递。 由于第6脚Vo输出电路属于集电极开路电路，两种电路都必须在必须上拉一个电阻，同时由于第2脚和第3脚之间是一个LED，必须串接一个限流电阻。本系统采用的是同相传递方式，单片机信号串接一个523 Ω的电阻与6Ν137的2脚相连，3接接单片机的信号地。同时 6脚接一个阻值为IOkQ的上拉电阻。驱动芯片选择为英飞凌公司三相全桥驱动芯片6ED003L06-F，可驱动由MOSFET或者IGBT组成的三相桥式电能变换电路。基于英飞凌公司特有技术，6ED003L06-F在暂态高速信号变换上有着优越的性能。6ED003L06-F具有如下特性采用超薄SOI技术.，最高可达600V的工作电压，互相独立的6路驱动电路，CMOS和LSTTL逻辑电平输入，特有电流过大保护电路及关断电路具可编程的错误自延时功能。如图17所示，6ED003L06-F输入端接收来自经过6附37光耦隔离后的2路单片机 PWM控制信号，分别控制H桥的1，3桥臂及2，4桥臂的导通和关断。电容C3，C4皆是具有优良高频特性的钽电容，电容值均为4. 7uF，此时，电容C3，C4均起到一个泵升电压的作用， 从而产生一个高达15V的VHS电压使H桥上桥臂的MOSFET管导通。二极管Dl，D2是大功率二快恢复二极管FR107，电阻R9的作用是一个限流保护作用。H桥驱动电路本发明装置采用由英飞凌公司的IPP60R190C6型MOSFET组成的H 桥式驱动电路，如图18所示。IPP60R190C6M0SFET具有开关频率高，导通电阻小，耐压值高等优点。由8个IPP60R190C6构成2个H桥，考虑到本发明装置需要X-Y两个方向的运动， 我们由16个MOSFET构成2个步进电机的H桥式驱动电路。为了减少电机控制系统中功率MOSFET管由于开关动作产生的电磁场EMI干扰和 EMI辐射，采用RCD缓冲抑制电路，有效抑制MOSFET管高速开关产生的EMI辐射。并且在 M0SFET管基极与驱动芯片6ED003L06-F输出端串上一个20Ω的电阻，具有一定的滤波及保护作用。电机电流检测单元的电路设计电机电流检测单元对步进电机的相电流进行实时监测，并将其传回单片机5内部，由于步进电机相电流大小在IA到2A之间，采用北京耀华德昌电子有限公司推出的高精密小型电流互感器TA12，该互感器具有环氧灌封、超微晶铁芯、外形尺寸小、全封闭等特点。由于采用H桥式驱动电路驱动二相步进电机，并且在4象限内工作，步进电机相电流会出现正负变化。因此采用由高精度运放0P07，及线性稳压源TL431组成的电机电流检测单元。具体结构如图19所示。近场探头1的选择对探头近远场的划分是根据电偶极子和磁偶极子两类基本源的场随着l/r(r为场点至源点的距离)的变化而确定的，r= λ/2 π为近远场的分界点。 当1~< λ/2π为近场，r> λ/2 π为远场。本装置中所使用的近场探头1包括高频探头 RF系列(30M-3GHZ)，和低频探头LF系列。前置放大器2的选择选择型号为ΡΑ-303Ν的前置放大器，其典型增益特性图如图 20所示。
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频谱分析仪3的选择本发明装置中频谱分析仪选择为罗德&斯瓦茨公司的 FS300，FS300是高精度的频谱分析仪，频率范围为9KHz至3GHz。采用现代数字频率处理技术，使得它能够提供高质量的测量特性，同时具有符合人类工程学的用户接口。频谱分析仪3直接接收外界信号，成为超外差接收直接扫描频谱分析仪。其基本工作原理采用频率扫描超外差的工作方式。混频器将天线上接收到的信号与本振压控振荡器产生的信号混频，当混频的频率等于中频时，这个信号可以通过中频放大器，被放大后，进行峰值检波。检波后的信号被视频放大器进行放大，然后显示出来。由于本振电路的振荡频率随着时间变化，因此频谱分析仪在不同的时间接收的频率是不同的。当本振振荡器的频率随着时间进行扫描时，屏幕上就显示出了被测信号在不同频率上的幅度，将不同频率上信号的幅度记录下来，就得到了被测信号的频谱。根据这个频谱，就能够知道被测设备是否有超过标准规定的干扰发射，或产生干扰的信号频率是多少。频谱分析仪3的频率扫描范围通过调整扫描频率范围，可以对感兴趣的频率进行细致的观察。扫描频率范围越宽，则扫描一遍所需要时间越长，频谱上各点的测量精度越低，因此，在可能的情况下，尽量使用较小的频率范围。频谱分析仪3的参考电平和参考电平偏移参考电平是用来设置图像显示的基准线，如参考电平为-IOdBm时，某个频率点的辐射强度是-28dBm ；而当参考电平为-20dBm， 该点的辐射强度为_38daii。设置参考电平偏移特别适合在前端有放大器的电路，根据放大倍数的大小设置偏置值的大小，从而使得频谱分析仪上该点所显示的值即为该点的实际值，使得测量更加方便。频谱分析仪3的扫描时间接收的信号从扫描频率范围的最低端扫描到最高端所使用的时间叫做扫描时间。扫描时间与扫描频率范围是相匹配的。如果扫描时间过短，测量到的信号幅度比实际的信号幅度要小。频谱分析仪3的分辨率带宽分辨率带宽RBW(Resolution Bandwidth)代表两个不同频率的信号能够被清楚分辨出来的最小频宽差异，两个不同频率的信号频宽如低于频谱分析仪3的RBW，此时该两信号将重叠，难以分辨。较低的RBW有助于不同频率信号的分辨与量测，但是低的RBW将滤除较高频率的信号成份，导致信号显示时产生失真，失真幅值与设定的RBW密切相关。较高的RBW固然有助于宽频带信号的检测，将增加噪声底层值 (Noise Floor)，降低量测灵敏度，对于检测低强度的信号易产生阻碍，因此适当的RBW宽度是正确使用频谱分析仪的关键。对XE164FM-72F80单片机主程序的设计在该电机控制系统中，利用初始化配置软件DAvE配置XE164FM-72F80功能子模块中的捕获/比较单元(XU61，(XU62和异步/同步串行接口模块USIC0，同时利用编译调试软件TASKing进行仿真编译，并通过串口 USICO接收来自上位机LabVIEW软件发出的控制指令，然后分析控制指令，根据控制指令采取特定动作，启动坐标计算子程序，计算电机运行脉冲和电机运行方向，调用脉冲输出子程序，由捕获/比较单元CCU61、CCU62输出相应的PWM控制信号，分别控制X轴方向步进电机6_3、 Y轴方向步进电机7-3做出相应的运动，进而带动近场探头1完成扫描或者定位动作，其主程序的流程图如图21所示。对XE164FM-72F80单片机UART子程序的设计在电机控制系统中，使用 XE164FM-72F80的ASCO模块，利用DAvE配置UART通信参数，使用P7. 3和P7. 4端口分别做TXD和RXD端口，经过配置，选用波特率为9600，8位数据位。整个接收过程使用最高等级的中断方式，并且连续中断9次，接收完一次指令，修改判断标志，中断服务程序如图22所示。 当成功接收完指令后，会修改状态标志，主程序根据判断状态标志从而进入分析指令环节， 然后根据相关指令启动PWM生成子程序和坐标计算子程序，进而控制步进电机运行。对XE164FM-72F80单片机坐标计算子程序的设计电机控制系统利用步进电机特性，结合近场探头1分辨率和丝杠螺距，选择步进电机单次运行距离，采用特定编程运行方式，将单次步进电机步距为Imm到9mm的编程可控。坐标计算子程序中根据指令计算X轴方向步进电机6_3、Υ轴方向步进电机7-3运行方向。通过与当前坐标计算进而求出步进电机运行脉冲数，重置脉冲计算器F，调用脉冲输出子程序，计算器F减计数。当F = 0时，步进电机运行到目的地址，重置当前探头X地址、Y地址，坐标计算子程序如图23所示。对XE164FM-72F80单片机脉冲输出子程序的设计首先，主程序经过指令分析后， 调用坐标计算子程序，求出步进电机运行方向和所需脉冲数。然后启动脉冲输出子程序。针对系统所采用的二相步进电机单8拍运行方式(Α+，Α+Β+，B+, Β+Α-, A-, Α-Β-, B-, B-A+)，利用Τ12定时器中断构成环形分配器，产生单8拍运行脉冲。即每一个Τ12定时器中断服务程序中，按Α+，Α+Β+，B+, Β+Α-, A-, A-B-, B-, B-A+次序更改一次脉冲次序。由于单8拍运行方式中，有时需对一相进行封锁，保证某一时刻只有一相导通。利用C⑶6单元，通过对IO 输出寄存器进行配置，将相应相的脉冲输出IO 口置为高阻态，封锁脉冲输出。与此同时，利用PEC传送通道，将ADC将电流互感器采集回来的步进电机相电流传送至结果数组，从而节省了 AD结果读取时间。将电流值与内部预设的安全值作比较，判断是否过流。若过流，封锁脉冲输出，停止Τ12定时器计数，发送报警信息，脉冲输出子程序如图M所示。PC机4主程序的设计首先对频谱分析仪3的各个参数(通信地址、起始、停止频率、扫描点数幅度参考线)进行设置，通过USB 口将设置信息传递给频谱分析仪3，再对近场探头1的扫描方式进行选择，若为单点扫描，则需输入目的扫描点的χ、y地址，还需选择图像是瞬态显示还是峰值保持显示，瞬态显示则对点的频谱图进行动态显示，峰值扫描显示则对该点扫描一段时间，得到每个频率点辐射强度的最大值，进而得到单点扫描的频谱分量图；若为全部扫描，可选择探头工作在手动方式还是自动方式，手动方式时，可利用按键 “向上”、“向下”、“向左”、“向右”来控制探头x、y方向的运动，自动方式时，需设置被测物的板长和板宽，并将这些信息通过RS-232传送给单片机5，单片机5控制步进电机带动探头按照“蛇形”规律进行扫描，扫描完成后将图像显示出来，实现“可视化”测试。PC机4的数据处理和图像显示子程序的设计对频谱分析仪3中得到的数据进行单位转换，如果是单点扫描，则需根据起始和停止频率以及扫描点数，将每个频率分量值与辐射强度值一一对应；如果是全部扫描，则得到PCB板上各个点在这个频率范围之内的频谱分量值，根据想要观察的频率点，获取PCB板上该频率点的所有值，并结合全部扫描的运动轨迹，将这些值进行重新排列，得到一个二维数组，利用LabVIEW软件中的强度显示控件进行图像显示，数据处理和图像显示子程序设计流程图如图25所示。
权利要求
1.一种定性检测PCB板电磁干扰辐射性能的装置，其特征在于它包括近场探头(1)、 前置放大器O)、频谱分析仪(3)、PC机G)、单片机电路(5)、X轴电机隔离及驱动单元 (6-1)、X轴电机H桥驱动电路(6-2)、X轴方向步进电机(6-3)、Y轴电机隔离及驱动单元 (7-1)、Y轴电机H桥驱动电路(7-2)和Y轴方向步进电机(7-3)，PC机(4)内部嵌入有数据处理及图像显示单元(8)，PC机⑷的模式控制信号输出端连接单片机电路(5)的模式控制信号输入端，单片机电路(5)的X轴电机控制信号输出端连接X轴电机隔离及驱动单元(6-1)的控制信号输入端，X轴电机隔离及驱动单元(6-1)的控制信号输出端连接X轴电机H桥驱动电路(6-2)的控制信号输入端，X轴电机H桥驱动电路(6-2)的控制信号输出端连接X轴方向步进电机 (6-3)的控制信号输入端；单片机电路(5)的Y轴电机控制信号输出端连接Y轴电机隔离及驱动单元(7-1)的控制信号输入端，Y轴电机隔离及驱动单元(7-1)的控制信号输出端连接Y轴电机H桥驱动电路(7-2)的控制信号输入端，Y轴电机H桥驱动电路(7-2)的控制信号输出端连接Y轴方向步进电机(7-3)的控制信号输入端；PC机(4)的频谱分析仪参数设置输出端连接频谱分析仪(3)的参数设置输入端，频谱分析仪(3)的采集信号输出端连接PC机(4)的采集信号输入端，频谱分析仪(3)的采集信号输入端连接前置放大器O)的采集信号输出端，前置放大器O)的采集信号输入端连接近场探头(1)的采集信号输出端，数据处理及图像显示单元(8)用于对PC机的采集信号输入端接收到的图像数据进行处理，还用于对所述图像数据进行显示输出，还用于产生模式控制信号；X轴方向步进电机(6-3)的输出轴用于驱动近场探头(1)沿X轴方向做直线运动，Y轴方向步进电机(7-3)的输出轴用于驱动近场探头(1)沿Y轴方向做直线运动。
2.根据权利要求1所述的定性检测PCB板电磁干扰辐射性能的装置，其特征在于它还包括Y轴电机电流检测单元(7-4)和X轴电机电流检测单元(6-4)，Y轴电机电流检测单元(7-4)用于采集Y轴方向步进电机(7-3)的工作电流，该Y轴电机电流检测单元(7-4)的电流信号输出端连接单片机电路(5)的Y轴电机电流信号输入端；X轴电机电流检测单元(6-4)用于采集X轴方向步进电机(6-3)的工作电流，该X轴电机电流检测单元(6-4)的电流信号输出端连接单片机电路(5)的X轴电机电流信号输入端。
3.根据权利要求1所述的定性检测PCB板电磁干扰辐射性能的装置，其特征在于所述单片机电路(5)采用XE164FM-72F80L型单片机电路。
4.根据权利要求1所述的定性检测PCB板电磁干扰辐射性能的装置，其特征在于所述频谱分析仪( 采用FS300型频谱分析仪。
5.根据权利要求1所述的定性检测PCB板电磁干扰辐射性能的装置，其特征在于所述近场探头(1)的型号为LFR400。
6.一种基于权利要求1所述定性检测PCB板电磁干扰辐射性能的装置的检测方法，其特征在于通过PC机(4)发送LabVIEW软件的控制指令，单片机电路(5)根据接收到的控制指令确定近场探头(1)的扫描工作模式，单片机电路(5)同时根据接收到的控制指令获得X轴方向步进电机(6- 和Y轴方向步进电机(7-3)的运动方向和运动距离，并根据所述运动距离计算获得相应电机的驱动信号的驱动脉冲数，然后将运动方向及驱动脉冲数形成控制信号用于驱动相应电机运动，从而带动近场探头(1)完成定位动作；在所述近场探头(1)完成定位之后，通过频谱分析仪C3)接收近场探头(1)的采集信号，并将采集的信号传输给PC机(4)，最终通过数据处理及图像显示单元(8)将处理后的数据及图像进行显示，实现对PCB 板电磁辐射性能的实时检测。
全文摘要
定性检测PCB板电磁干扰辐射性能的装置及方法，属于电磁检测技术领域。它解决了现有对PCB板电磁干扰辐射的检测结果准确性低及价格昂贵的问题。它通过PC机发送控制指令，单片机电路根据控制指令确定近场探头的扫描工作模式，单片机电路同时控制X轴方向步进电机和Y轴方向步进电机的运动方向和运动距离，单片机电路的控制信号驱动相应电机运动，从而带动近场探头完成定位动作，近场探头完成定位之后，通过频谱分析仪接收近场探头的采集信号，并将采集的信号传输给PC机，最终通过数据处理及图像显示单元将处理后的数据及图像进行显示。本发明用于检测PCB板的电磁干扰辐射。
文档编号G01R23/16GK102162828SQ201010609730
公开日2011年8月24日 申请日期2010年12月28日 优先权日2010年12月28日
发明者吕超, 孙婷, 景海涛, 李龙涛, 王立欣, 邓晨华 申请人:哈尔滨工业大学