俞葉萍, 潘萬欣

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 艦船自動化系統(tǒng)事業(yè)部，上海 200135)

0 引 言

靜電放電抗擾度試驗是中國船級社(China Classification Society,CCS)型式認(rèn)可試驗中電磁兼容類試驗中的一個試驗項目,目的是通過模擬帶靜電的人產(chǎn)生的靜電放電效應(yīng)來測試靜電放電效應(yīng)對受試設(shè)備的影響，以確保受試設(shè)備滿足規(guī)范的要求[1]。駕駛室航行值班報警系統(tǒng)(Bridge Navigational Watch Alarm System，BNWAS)作為船舶航行安全設(shè)備，必須通過CCS型式認(rèn)可試驗，滿足上船資質(zhì)。

本文主要針對BNWAS在首次靜電放電抗擾度試驗過程中出現(xiàn)的數(shù)碼管和指示燈瞬間全暗的現(xiàn)象和在試驗之后出現(xiàn)的顯示功能不能自動恢復(fù)的現(xiàn)象，對易受電磁干擾的MAX7219顯示驅(qū)動電路進(jìn)行軟件和硬件分析，找出故障發(fā)生原因并采取相應(yīng)的措施減少或消除該外部干擾。

1 BNWAS靜電放電抗擾度試驗

BNWAS受試設(shè)備靜電放電抗擾度試驗的試驗條件和試驗方法如下。

1.1 試驗條件

1) 設(shè)備工作：受試設(shè)備在AC 220 V額定電壓和50 Hz頻率下工作，并接入DC 24 V應(yīng)急電源。

2) 試驗電壓：接觸放電6 kV。

3) 放電點(diǎn)：操作面板單元、I/O控制單元、選擇單元、復(fù)位單元和報警單元的外殼、按鈕及常規(guī)操作人員能接觸到的點(diǎn)和面。

1.2 試驗方法

將BNWAS受試設(shè)備放在金屬接地平板上，并與其絕緣，用符合IEC 61000-4-2有關(guān)規(guī)定的靜電放電發(fā)生器對操作人員在正常使用BNWAS受試設(shè)備過程中可能接觸的點(diǎn)和面進(jìn)行接觸靜電放電。

在試驗過程中,靜電放電發(fā)生器垂直于受試設(shè)備表面放置，在預(yù)選的放電點(diǎn)上施加6 kV的正負(fù)極性脈沖，以20次/s或20次/s以上的頻率，每極性各10個脈沖放電，相鄰2次放電的時間間隔大于1 s，觀察受試設(shè)備是否發(fā)生故障[1]。試驗連接框圖見圖1，實(shí)際試驗場景見圖2。

圖1 試驗連接框圖

圖2 實(shí)際試驗場景

1.3 首次試驗結(jié)果

BNWAS受試設(shè)備故障情況：當(dāng)將靜電放電發(fā)生器垂直作用在復(fù)位單元外殼上時，操作面板單元數(shù)碼管和指示燈瞬間熄滅；當(dāng)移開靜電放電發(fā)生器之后，操作面板單元數(shù)碼管和指示燈仍無法恢復(fù)顯示功能。

2 試驗分析

2.1 故障查找

試驗之后，對BNWAS受試設(shè)備的功能進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)只有操作面板單元的顯示功能喪失,其他功能均正常。操作面板單元顯示電路由1塊MAX7219芯片連接2個8段數(shù)碼管和13個指示燈構(gòu)成(見圖3)。電路連接簡單，在排除數(shù)碼管和指示燈故障之后，MAX7219芯片成為故障定位點(diǎn)。

2.2 故障分析

在一般的實(shí)驗室環(huán)境下，操作面板單元上的數(shù)碼管和指示燈均正常顯示，且能持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。在靜電放電抗擾度試驗中出現(xiàn)數(shù)碼管和指示燈全暗的現(xiàn)象，這主要是系統(tǒng)中加入6 kV電壓的騷擾脈沖引起的，這種外部強(qiáng)干擾造成MAX7219不能正常工作。分析該故障發(fā)生的原因，主要有以下2點(diǎn)。

1) 內(nèi)部缺少限制回轉(zhuǎn)電流的段驅(qū)動，抗電磁兼容能力差。

MAX7219內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖4[2]，由于箭頭所指的段驅(qū)動中沒有采取限制回轉(zhuǎn)電流的措施來減少電磁干擾(EMI)，其本身的抗電磁兼容能力較差。

由于MAX7219是通過加在V+與ISET引腳之間的一個外部電阻來控制數(shù)碼管和指示燈的顯示亮度的，且內(nèi)部的段驅(qū)動電流一般是流入ISET端電流的100倍[3]，因此只要流入ISET端的電流上有毛刺或電源紋波，這些干擾就會直接進(jìn)入實(shí)際驅(qū)動數(shù)碼管和指示燈的段電流中，并與有效電流一起放大100倍。因此，在強(qiáng)干擾環(huán)境下，這些串入電流的尖刺會嚴(yán)重地干擾數(shù)碼管和指示燈的正常顯示。

圖3 操作面板單元顯示電路

圖4 MAX7219內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2) 工作時序受干擾之后數(shù)據(jù)易丟失。

MAX7219時序見圖5[2]，串行數(shù)據(jù)在DIN端輸入16位數(shù)據(jù)包，無論LOAD端處于何種狀態(tài)，在CLK時鐘的上升沿，數(shù)據(jù)均被移入內(nèi)部16位移位寄存器，隨后在LOAD端的上升沿被載入數(shù)據(jù)寄存器或控制寄存器。需注意的是，在數(shù)據(jù)傳送過程中，LOAD端要在第16個時鐘的上升沿同時或之后、下個時鐘的上升沿之前變?yōu)楦唠娖?，否則數(shù)據(jù)會丟失。

因此，在數(shù)據(jù)傳送期間若有毛刺或尖脈沖串?dāng)_到LOAD信號線或CLK時鐘線，MAX7219的工作時序會受到干擾，影響DIN端數(shù)據(jù)的正常傳送，造成數(shù)碼管和指示燈不能正常顯示。

圖5 MAX7219時序

3 改進(jìn)措施

根據(jù)上述分析，對操作面板單元上的顯示驅(qū)動電路進(jìn)行硬件和軟件改進(jìn)，改進(jìn)硬件之后的MAX7219顯示驅(qū)動電路見圖6。

圖6 改進(jìn)硬件之后的MAX7219顯示驅(qū)動電路

3.1 在V+和ISET引腳端對地并接濾波電容

如圖6所示，在MAX7219芯片的V+和ISET引腳端對地并接的濾波電容C21上并接一個4.7 μF/16 V的電解電容C22，用來濾去電路中的低頻干擾，提高流入ISET端電流的純凈度。

改進(jìn)時注意：在電路制板上，濾波電容C21和電解電容C22要就近V+和ISET引腳，并盡可能地靠近地腳布放[4]。

3.2 在CLK、LOAD和DIN信號線上對地并接濾波電容

如圖6所示，分別在CLK、LOAD和DIN信號線上就近對地并接0.1 μF的濾波電容C18、C19和C20，用來濾除信號線上的毛刺。

改進(jìn)時注意：連接單片機(jī)與MAX7219的3根信號線在電路板上的布線要盡可能短。

另外，單片機(jī)在不對MAX7219讀寫時，CLK時鐘線是處于低電平狀態(tài)的，而LOAD信號線保持高電平狀態(tài)。為避免信號線在不工作時因發(fā)生電平跳變而造成電路不穩(wěn)定，在CLK時鐘線上加一個下拉電阻R37，使該端口電壓在不工作時固定在低電平上；在LOAD信號線上加一個上拉電阻R38，使該端口電壓在不工作時固定在高電平上。

3.3 在程序中加入抗干擾保護(hù)代碼

對于MAX7219顯示驅(qū)動電路的應(yīng)用，關(guān)鍵是管理和設(shè)置好其內(nèi)部的14個寄存器(如圖4所示),其中:數(shù)據(jù)寄存器8個，寄存著與DIG 0-DIG 7相對應(yīng)的顯示數(shù)據(jù)；控制寄存器6個，分別為譯碼控制、顯示亮度控制、掃描頻率限制、消隱控制、顯示測試和無操作寄存器，寄存著譯碼模式、亮度調(diào)節(jié)、掃描個數(shù)和消隱點(diǎn)亮等參數(shù)[5]。在BNWAS顯控程序中，用到MAX7219的4個數(shù)據(jù)寄存器和5個控制寄存器。

圖7為顯控主程序的部分流程圖，其中對控制寄存器的配置僅在“系統(tǒng)初始化”程序中完成。在“CAN通信故障報警”“復(fù)位按鈕故障報警”和“失電報警處理”等其他調(diào)用數(shù)碼管和指示燈的顯示子程序中，除了顯示參數(shù)需要更改以外，不再配置控制寄存器，缺少相應(yīng)的容錯機(jī)制。

MAX7219內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有一定的局限性，容易受到外部干擾。為了使MAX7219能在強(qiáng)干擾環(huán)境下正常工作，避免片內(nèi)寄存器受到干擾之后丟失數(shù)據(jù)，除了要在電路上做一定的濾波之外，還要在顯控程序中加入抗干擾保護(hù)代碼。

改進(jìn)措施：在所有調(diào)用顯示指令的子程序中加入MAX7219抗干擾保護(hù)代碼。即在對MAX7219數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行寫操作之前，需重新配置MAX7219控制寄存器，以保證緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)實(shí)時準(zhǔn)確。

改進(jìn)之后的“CAN通信故障報警”子程序流程圖見圖8，其中虛線框部分是加入的MAX7219抗干擾保護(hù)代碼。其他調(diào)用顯示的子程序作相同改進(jìn)，這里不再贅述。

圖7 顯控主程序的部分流程圖

圖8 改進(jìn)之后的“CAN通信故障報警”子程序流程圖

4 改進(jìn)之后的試驗驗證

按第1.1節(jié)所述的試驗條件和第1.2節(jié)所述的試驗方法對改進(jìn)之后的BNWAS受試設(shè)備進(jìn)行靜電放電抗擾度試驗。受試設(shè)備在試驗過程中和試驗之后都能正常工作，操作面板單元上的數(shù)碼顯示和指示燈無跳變、筆畫不全、全亮或全暗等現(xiàn)象出現(xiàn)，始終正常穩(wěn)定顯示。

CCS的試驗結(jié)果表明：在試驗過程中和試驗之后，BNWAS受試設(shè)備的性能均應(yīng)能達(dá)到CCS規(guī)范要求的性能判據(jù)A(性能判據(jù) A：在試驗過程中和試驗之后, 受試設(shè)備均應(yīng)能連續(xù)地開展預(yù)期的工作，無有關(guān)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)和制造廠制定的技術(shù)條件規(guī)定的性能降低或功能喪失[1])，受試設(shè)備靜電放電抗擾度試驗通過。

5 結(jié) 語

在BNWAS靜電放電抗擾度試驗中，由于靜電放電發(fā)生器會對受試設(shè)備進(jìn)行高壓接觸放電，對系統(tǒng)加入強(qiáng)干擾源，致使操作面板單元上的MAX7219顯示驅(qū)動電路受到影響，出現(xiàn)數(shù)碼管和指示燈瞬間全暗的現(xiàn)象。在對顯示驅(qū)動電路進(jìn)行軟件和硬件改進(jìn)之后，有效提高了電路的抗外部強(qiáng)干擾能力，其中在程序中加入抗干擾保護(hù)代碼是解決該問題的關(guān)鍵。

因此,在設(shè)計MAX7219顯示驅(qū)動電路時，需采取一定的抗干擾措施，以保證在受到外部強(qiáng)干擾的情況下，數(shù)碼管和指示燈能正常穩(wěn)定地運(yùn)行。