BNWAS静电放电抗扰度试验分析与改进措施

\"6上 海 船 舶 运 输 科 学 研 究 所 学 报JOURNAL OF SHANGHAI SHIP AND SHIPPING RESEARCH INSTITUTEVol. 42 No. 2Jun.\"019文章编号 #674-5949(2019)02-0043-05BNWAS静电放电抗扰度试验分析与改进措施俞叶萍，潘万欣(上海船舶运输科学研究所舰船自动化系统事业部，上海200135)摘 要：为有效解决驾驶室航行值班报警系统(Bridge Navigational Watch Alarm System, BNWAS)受试设备在静 电放电抗扰度试验过程中出现的数码管和指示灯瞬间全暗的问题和在试验之后出现的显示功能不能自动恢复的

问题，从抗高压骚扰脉冲着手，对BNWAS操作面板单元上的MAX7219显示驱动电路进行软件和硬件改进，以有

效提高电路的抗外部强干扰的能力°对改进后的BNWAS进行静电放电抗扰度试验，结果表明，改进后的BNWAS

受试设备的数码管和指示灯在试验过程中和试验之后均能正常稳定工作，达到中国船级社规范要求的性能判

据A。关键词：驾驶室航行值班报警系统(BNWAS)；静电放电抗扰度试验；MAX7219显示驱动；抗高压骚扰 中图分类号:U661. 73

文献标志码:AImproving Electrostatic Discharge Immunity of a BNWAS DesignYU Yeping , PAN Wanxin(Warship Automation System Division, Shanghai Ship and Shipping Research Institute,

Shanghai200135$China)Abstract: The effort to improve the electrostatic discharge Immunity of the BNWAS (Bridge Navigational Watch Alarm Sys-

)em) devicesisfocusedon)heindica)orwhichgoesdarka))hemomen)of)hepulseandisunable)ores)oreaf)er.Thesof)ware

andhardwareof)he MAX7219displaydrivercircui)onBNWASopera)ingpaneluni areimprovedin)ermsofani-in)erference capaciyagains)high-vol)agepulses.Theworkissuccessfuland)hepaneluni)passed)heCCS ChinaClassificaionSocie)y()

)es)s.Key words: BNWAS； immunity to electrostatic discharge； MAX7219 display driver； anti-high-voltage disturbance0引言静电放电抗扰度试验是中国船级社(China Classification Society, CCS)型式认可试验中电磁兼容类试

验中的一个试验项目，目的是通过模拟带静电的人产生的静电放电效应来测试静电放电效应对受试设备的 影响，以确保受试设备满足规范的要求[1]0驾驶室航行值班报警系统(Bridge Navigational Watch Alarm

System,BNWAS)作为船舶航行安全设备，必须通过CCS型式认可试验，满足上船资质。本文主要针对BNWAS在首次静电放电抗扰度试验过程中出现的数码管和指示灯瞬间全暗的现象和 在试验之后出现的显示功能不能自动恢复的现象，对易受电磁干扰的MAX7219显示驱动电路进行软件和 硬件分析，找出故障发生原因并采取相应的措施减少或消除该外部干扰。1 BNWAS静电放电抗扰度试验BNWAS受试设备静电放电抗扰度试验的试验条件和试验方法如下收稿日期=2019-02-18。作者简介:俞叶萍(1981—),女，上海人，高级工程师，主要从事水声电子技术研究。441.1试验条件上 海 船 舶 运 输 科 学 研 究 所 学 报2019 21\"设备工作：受试设备在AC 220 V额定电压和50 Hz频率下工作，并接入DC 24 V应急电源。2)试验电压：接触放电6 kV。3\"

:操作面板单元、I/O控制单元、选择单元、复位单元和报警单元的外壳、按钮及常规操作人员能接触到的点和面。1.2试验方法将BNWAS受试设备放在金属接地平板上，并与其绝缘，用符合IEC 61000-4-2有关规定的静电放电发 生器对操作人

使用BNWAS受试设备过程中可能接触的点和面进行接触 。在试验过程中，静电放电发生器垂直于受试设备表面放置，在预选的放电点上施加6 kV的正负极性脉 冲，以20次/s或20次/s以上的频率，每极性各10个脉冲放电，相邻2次放电的时间间隔大于1 s,观察受 试设备是否发生故障「门。试验连接框

1,实际试验场景见图2。AC 220 V主电源DC 24 V应急电源电源箱DC 24 V 电源触点操作面板I电源

信号

单元DC 24 V选择报7电源|___________警信号■j i/o控制单元 —试验操作

装置输入输出 信号串口通信选择、复位信号报警、

复位信号报警 信号选择单元复位单元受试设备报警单元计算机陪试设备图2实际试验场景图1试验连接框图1. 3首次试验结果BNWAS受试设备故障情况：当将静电放电发生器垂直作用在复位单元外壳上时,操作面板单元数码管 和指

熄灭；当移开

生 ，操作面板单 码管和指 法恢复显 能。2试验分析2.1试验之后，对BNWAS受试设备的功能进行检测，发现只有操作面板单元的显示功能丧失，其他功能均 正常。操作面板单元显示电路由1块MAX7219芯片连接2个8段数码管和13个指示灯构成(见图3)。电

路连接简单，在排除数码管和指示灯故障之后，MAX7219芯片成为故障定位点。2.2故障分析在一般的实验室环境下，操作面板单元上的数码管和指示灯均正常显示，且能持续稳定运行。在静电放

电抗扰度试验中出现数码管和指示灯全暗的现象，这主要是系统中加入6 kV电压的骚扰脉冲引起的，这种

外部强干扰造成MAX7219不能正常工作。分析该故障发生的原因，主要有以下2点。1) 转 结

的段驱动，抗电磁兼容能 。MAX7219 4「20,由于箭头所指的段驱动中没有采取回转电流的措施来减少电磁干扰(EMI)，其本身的 磁兼容能力较差。由于MAX7219是通过加在V+与ISET引脚之间的一个外部电阻来控制数码管和指示灯的显示亮度 的，且内部的段驱动电流一般是流入ISET端电流的100倍/30，因此只要流入ISET端的电流上有毛刺或电

干

直接进入实际驱动数码管和指

的段电流中，并与有效

的

显示。一起放大100倍。因强干 下，这些串 的尖刺 重地干扰数码管和指

俞叶萍，等:BNWAS静电放电抗扰度试验分析与改进措施45DINLOADCLKDIGODIG1DIG2DIG3DIG4DIG5DIG6DIG7DOUTV+ISETSEGASEGBSEGCSEGDSEGESEGFSEGG202321151722

seg C seg D seg E segF seg G seg DP''''''segB'segC'segD'segE\"segF'segG> seg DP132f/g /bo eMc2 dPSEG DPGNDGNDMAX7219CNGSEGA-SEG G DPSEGMENT DRIVERS IDIGO-DIG7DIGIT DRIVERS82l1CODEBROM WITHBYPASSSHUTDOWN REGISTERMODE REGISTERINTENSITY SEGISTERSCAN-LIMIT REGISTERINTENSITY PULSE­WIDTH MODULATORSEGMENT CURRENT REFERENCE88x8UDAL-PORT

SRAM8DISPLA^IEST REGISTER8LOAD(CS) ►ADDRESS REGISTER DECODERMULTIPLEX

SCAN CIRCUITRYDINAD0P1P2D3D4 I D5 I D6 I D7 I D8 I D9 Id1o|d11|d12|d13|d14|d15| IDOUT(LSB)(MSB)图4 MAX7219内部结构2\"工作时序受干扰之后数据易丢失。MAX7219时序见图5/0,串行数据在DIN端输入16位数据包，无论LOAD端处于何种状态，在CLK

时钟的上升沿，数据均被移入内部16位移位寄存器，随后在LOAD端的上升沿被载入数据寄存器或控制寄 存器。需注意的是，在数据传送过程中，LOAD端要在第16个时钟的上升沿同时或之后、下个时钟的上升

沿之前变为高电平，否则数据会丢失。因此,在数据传送期间若有毛刺或尖脉冲串扰到LOAD信号线或CLK时钟线，MAX7219的工作时序 会受到干扰，影响DIN端数据的正常传送，造成数码管和指示灯不能正常显示。46上 海 船 舶 运 输 科 学 研 究 所 学 报2019 23改进措施根据上述分析，对操作面板单元上的显示驱动电路进行硬件和软件改进，改进硬件之后的MAX7219显 示驱动电路见图6OVCC人38C18_C200.1 pFP1.2P1.3PTTd]g0d]gld]g2d]g3&7dig4 5.1 kQ( ig5dig6dig7_0.1 nFU3C+j]|4.7uF^

lon1

C19_____

0.1 pF 一产MAX7219CNG

9卜 卜

DILCCLDIDIDIDIDIDIDIDIDC GG

V+ISET SEGA SEGB SEGCSEGD SEGE SEGFSEGG-lV^A1QkQ16

20 se@ C 23 seg D 21

15 segF 17 segG22

a3lkg4ggg5gg6ggm7nejne d d

32

、、、、\\seg DP

、图6 改进硬件之后的MAX7219显示驱动电路3.1在V+和ISET引脚端对地并接滤波电容如图6所示，在MAX7219芯片的V+和ISET引脚端对地并接的滤波电容C21上并接一个4. 7 &F/16 V的 电解电容C22,用来滤去电路中的低频干扰，提高流入ISET端电流的纯净度。改进时注意：在电路制板上，滤波电容C21和电解电容C22要就近V +和ISET引脚，并尽可能地靠近地 脚布放⑷。3.2 在CLK、LOAD和DIN信号线上对地并接滤波电容如图6所示，分别在CLK、LOAD和DIN信号线上就近对地并接0. 1 &F的滤波电容C1

和C20，用来滤除信号线上的毛刺。改进时注意：连接单片机与MAX7219的3根信号线在电路板上的布线要尽可能短。另外，单片机在不对MAX7219读写时，CLK时钟线是处于低电平状态的，而LOAD信号线保持高电平 状态。为避免信号线在不工作时因发生电平跳变而造成电路不稳定，在CLK时钟线上加一个下拉电阻

R37,使该端口电压在不工作时固定在低电平上；在LOAD信号线上加一个上拉电阻R38,使该端口电压在

不工作时固定在高电平上。3.3在程序中加入抗干扰保护代码对于MAX7219显示驱动电路的应用，关键是管理和设置好其内部的14个寄存器（如图4所示），其中: 数据寄存器8个，寄存着与DIG 0-DIG 7相对应的显示数据;控制寄存器6个，分别为译码控制、显示亮度控

制、扫描频率、消隐控制、显示测试和无操作寄存器，寄存着译码模式、亮度调节、扫描个数和消隐点亮等

参数/50。在BNWAS显控程序中，用到MAX7219的4个数据寄存器和5个控制寄存器。图7为显控主程序的部分流程图，其中对控制寄存器的配置仅在“系统初始化”程序中完成。在“CAN

通信故障报警.复位按钮故障报警”和“失电报警处理”等其他调用数码管和指示灯的显示子程序中，除了显

俞叶萍，等:BNWAS静电放电抗扰度试验分析与改进措施47示参数需要更改以外，不再配置控制寄存器,缺少相应的容错机制。MAX7219内部结构具有一定的局限性，容易受到外部干扰。为了使MAX7219能在强干扰环境下正常 工作，避免片内寄存器受到干扰之后丢失数据，除了要在电路上做一定的滤波之外，还要在显控程序中加入

抗干扰保护代码。改进措施：在所有调用显示指令的子程序中加入MAX7219抗干扰保护代码。即在对MAX7219数据 寄存器进行写操作之前，需重新配置MAX7219控制寄存器，以保证缓冲区内的数据实时准确。改进之后的“CAN通信故障报警”子程序流程图见图8,其中虚线框部分是加入的MAX7219抗干扰保 护代码。其他调用显示的子程序作相同改进，这里不再赘述。图7显控主程序的部分流程图图8改进之后的“CAN通信故障报警”子程序流程图4改进之后的试验验证按第1. 1节所述的试验条件和第1. 2节所述的试验方法对改进之后的BNWAS受试设备进行静电放

电抗扰度试验。受试设备在试验过程中和试验之后都能正常工作，操作面板单元上的数码显示和指示灯无 跳变、笔画不全、全亮或全暗等现象出现，始终正常稳定显示。CCS的试验结果表明：在试验过程中和试验之后，/NWAS受试设备的性能均应能达到CCS规范要求

的性能判据A（性能判据A：在试验过程中和试验之后，受试设备均应能连续地开展预期的工作，无有关设 备标准和制造厂制定的技术条件规定的性能降低或功能丧失「10）,受试设备静电放电抗扰度试验通过。5结语在BNWAS静电放电抗扰度试验中，由于静电放电发生器会对受试设备进行高压接触放电，对系统加

入强干扰源，致使操作面板单元上的MAX7219显示驱动电路受到影响，出现数码管和指示灯瞬间全暗的现 象。在对显示驱动电路进行软件和硬件改进之后，有效提高了电路的抗外部强干扰能力，其中在程序中加入

抗干扰保护代码是解决该问题的关键。因此，在设计MAX7219显示驱动电路时，需采取一定的抗干扰措施，以保证在受到外部强干扰的情况

下，数码管和指示灯能正常稳定地运行。 （下转第58页）58上 海 船 舶 运 输 科 学 研 究 所 学 报2019年第2期上叠加3次谐波和20次谐波，在基波频率为50. 02 Hz的基础上叠加3次谐波和20次谐波，分别验证该设

计的输出结果。图7和图8为利用MATLAB绘制的不同电网频率下FPGA的FFT计算结果。0 50.02 150.04

〃Hz1 000.40 1 200.00图8 电网频率为50.02 Hz时FPGA的FFT计算结果由图7和图8可知，FPGA的FFT计算结果能准确地反映50. 00 Hz和50. 02 Hz的基波及所叠加的3

次和20次谐波，因此可认为该设计的硬件和算法是准确的。后续还需进行工程化完善并经过专业检测机构 的检测认证和实船应用验证，进一步验证该设计的可靠性。5结语本文根据全电力推进船舶电力系统的发展现状,提出采用同步采样的方式来规避传统加窗FFT算法在

电能质量分析中应用时存在的不足，同时在FPGA中实现FFT算法，并进行验证，为在船舶电站控制器中 加入电能质量分析功能提供了有效支撑，为未来实时、全面、长期对全船电力系统的电能质量状况进行监测

和改善打下了基础。参考文献：[10马伟明.舰船综合电力系统中的机电能量转换技术[J0.电气工程学报，2015,10(4):310.[20程佩青.数字信号处理教程[M0.北京：清华大学出版社，2009.[30陈立伟，刘欢，冯驰，等.Kaiser窗三谱线插值电力谐波分析[J0.应用科技，2014(2) ：5-11.240张雪姣，伍萍辉.基于FPGA高精度浮点运算器的FFT设计与仿真[J0.电子科技2011 24(12) ： 80.[50周国栋.基于FPGA的船舶电网电能质量监测分析装置研制[D0.镇江：江苏科技大学2014.(上接第47页)参考文献：[10中国船级社.电气电子产品型式认可试验指南:GD 01—2OO6[S0.北京：人民交通出版社2006.[20 Maxim. MAX7219/MAX7221 Serially Interfaced，8-Digit LED Display Drivers Datasheet[Z0. Sunnyvale：Maxim,2003.20 陈增辉，刘西玲.使用MAX7219时应注意的几个问题[J0.国外电子元器件，2002(11) ：2223.[40杨克俊.电磁兼容原理与设计技术[M0. 2版.北京：人民邮电出版社,2011.[50王瑞兰.8位串行接口数码显示驱动器MAX7219及其应用[J0.世界电子元器件，2000(8) ： 1923.