淺談無人機(jī)的EMI的近場測試方案

無人直升機(jī)航拍是以遙感無人機(jī)為飛行平臺，利用高分辨相機(jī)系統(tǒng)獲取遙感影像，利據(jù)的壓縮和自動傳輸、影像預(yù)處理等功能，可廣泛應(yīng)用于國家生態(tài)環(huán)境保護(hù)、礦產(chǎn)資源勘探、土地利用調(diào)查、農(nóng)作物長勢監(jiān)測與估產(chǎn)、 ?自然災(zāi)害監(jiān)測與評估、城市規(guī)劃與市政管理、公共安全、國防事業(yè)、數(shù)字地球等領(lǐng)域。

目前消費(fèi)級無人機(jī)以出口歐美發(fā)達(dá)國家市場為主，整機(jī)必須通過CE、FCC的認(rèn)證才能獲得市場準(zhǔn)入資格；無人機(jī)多系統(tǒng)間的電磁兼容 EMC（EMS+EMI）設(shè)計(jì)直接影響整機(jī)性能的穩(wěn)定性（包括圖像數(shù)據(jù)掉包、GSP定位、飛行距離控制等問題）！其實(shí)，為了有效的抑制，解決電磁干擾問題，世界各國政府紛紛制定了電磁兼容EMC規(guī)范，并納入強(qiáng)制執(zhí)行的項(xiàng)目中，使得各種電子產(chǎn)品或設(shè)備要上市銷售，就必須通過該國家承認(rèn)的電磁兼容規(guī)范，比如歐盟的CE認(rèn)證，美國的FCC,NEBC認(rèn)證，日本的VCCEI認(rèn)證，我國的3C認(rèn)證等，都是電子類產(chǎn)品進(jìn)入市場必須要取得的通行證。針對無人機(jī)這種機(jī)電結(jié)合的新型產(chǎn)品，國內(nèi)有關(guān)部門也已開始制定針對這種產(chǎn)品類別的相關(guān)的EMC測試認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。

要做好無人機(jī)，強(qiáng)大的EMC設(shè)計(jì)能力是至關(guān)重要的，本文結(jié)合實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，從EMC設(shè)計(jì)的角度來解析無人機(jī)這一多系統(tǒng)集成的智能硬件產(chǎn)品！

一、無人機(jī)平臺架構(gòu)

1、無人機(jī)飛控架構(gòu)

無人機(jī)飛控架構(gòu)，如下圖所示。

2、無人機(jī)飛控

市面上曾經(jīng)出現(xiàn)的無人機(jī)飛控如下：

大疆飛控

零度飛控

MWC飛控

APM飛控

二、無人機(jī)EMI現(xiàn)狀及主要問題

1、無人機(jī)EMI現(xiàn)狀

（1）EMI超標(biāo)導(dǎo)致產(chǎn)品無法通過EMC認(rèn)證，從而導(dǎo)致產(chǎn)品無法出口；

（2）EMI超標(biāo)影響無線傳輸?shù)?a target="_blank">信號質(zhì)量（2.4G、5.8G)。

2、無人機(jī)主要的EMI問題

（1）航拍頭的EMI問題；

（2）飛控系統(tǒng)的時(shí)鐘及其倍頻；

（3）馬達(dá)發(fā)動機(jī)引起的EMI問題；

（4）電源引起的輻射發(fā)射抑制。

三、無人機(jī)的EMC問題

下面以一臺小型電驅(qū)動無人機(jī)為例，說說有關(guān)的EMC問題，還會實(shí)測一下其基本的用電單元的近場的電磁干擾的情況。

圖1：無人機(jī)的主要組成??

1、無人機(jī)的電磁干擾（EMI）

電磁干擾分為輻射型EMI和傳導(dǎo)型EMI兩大類，傳導(dǎo)型干擾通常指的是低頻段的干擾，干擾信號會通過導(dǎo)電介質(zhì)從一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)傳導(dǎo)到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)；輻射型干擾通常指的是高頻段的干擾，通過輻射電磁波的形式進(jìn)行傳播。

對于交流供電的電子電氣設(shè)備來說，相關(guān)的傳導(dǎo)型的EMI測試規(guī)范規(guī)定了被測電子設(shè)備通過供電線對交流電網(wǎng)的傳導(dǎo)的電磁輻射的限值，目的是為了防止用電設(shè)備對電網(wǎng)的污染，影響接到電網(wǎng)上的其他用電設(shè)備的工作。而對于無人機(jī)來講，使用的是機(jī)載電池供電，無人機(jī)上的各種電路單元之間的供電和各種信號會通過導(dǎo)線相連在一起，尤其是電驅(qū)單元工作時(shí)是否會通過傳導(dǎo)對無人機(jī)上的其他單元產(chǎn)生影響，要看具體情況。在有些無人機(jī)上還會搭載圖像傳輸設(shè)備，為了發(fā)射信號，射頻發(fā)射機(jī)通過天線會在一定頻段以一定功率產(chǎn)生電磁輻射。在無人機(jī)的各種電路板上，各種高頻信號走線、集成電路的引腳、各類接插件等也都可能會成為具有天線特性的輻射干擾源，能發(fā)射電磁波并有可能會影響到周圍其他電路系統(tǒng)或本電路系統(tǒng)內(nèi)的其他子電路系統(tǒng)的正常工作。所以，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，對于機(jī)上各用電單元，我們不妨先采用近場測試，把它們都各自先掃一遍，摸清各單元的輻射型的電磁干擾的情況。

2、無人機(jī)的EMI的近場測試?

針對電磁輻射型的EMI干擾的測試分為近場測試和遠(yuǎn)場測試兩種。遠(yuǎn)場測試要在專業(yè)的微波暗室里進(jìn)行，通過專用的接收天線和接收機(jī)測量相聚一段距離的整個(gè)無人機(jī)產(chǎn)生的電磁輻射的大小。而對于無人機(jī)本身來講，機(jī)上的電路距離很近，它們之間有可能會產(chǎn)生相互影響，所以近場測試在研發(fā)階段和故障診斷階段是非常重要。遠(yuǎn)場測試能給出測試是否通過，如果沒通過，在哪些頻點(diǎn)輻射超標(biāo)了，但是沒有位置信息。通過近場測量可以很方便的實(shí)現(xiàn)對干擾的定位，可以精確定位到哪個(gè)器件，哪個(gè)芯片的引腳，哪根走線，從而判定干擾產(chǎn)生的原因，根據(jù)情況采取改進(jìn)措施。

EMI近場測試常用到的儀器設(shè)備是頻譜分析儀和近場探頭，如圖2所示。

接下來，就利用頻譜分析儀和近場探頭針對某款無人機(jī)上的飛行控制板，電子調(diào)速板，無刷電機(jī)這幾個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行一些近場EMI的測試。

3、無人機(jī)飛控板的近場EMI實(shí)測

飛控板上的芯片比較多，彼此通過SPI、I2C以及并行的數(shù)字IO總線相連?？梢圆捎每讖竭m合的近場探頭對每個(gè)器件進(jìn)行探測，看看它們各自產(chǎn)生的EMI大小。如圖3所示，首先測測在這款無人機(jī)的飛控板上的IMU, 型號是MPU-6000，這是個(gè)9軸運(yùn)動處理傳感器，在這個(gè)傳感器芯片上測到的EMI情況如圖4所示，很像是時(shí)鐘引起的。

圖3: 對飛控板進(jìn)行EMI的近場測試?

圖4:MPU-6000的近場EMI情況

這款飛控板上還采用了STM32F427 Cortex-M4處理器以及其他一些器件，可以按照以上的方法，依次探測每個(gè)器件的近場EMI情況。

四、案例分析

1、航拍頭的EMI問題

（1）航拍頭架構(gòu)CCD（以SONY effio方案為例）

可能存在問題：

（1）DSP與AFE之間交換的時(shí)鐘及倍頻；

（2）DSP輸出部分（output）的時(shí)鐘及倍頻。

處理方法：在DSP晶體上使用展頻IC。

（2）航拍頭架構(gòu)CMOS

可能存在的問題：攝像頭MCLK、PCLK基頻和諧波引起的輻射超標(biāo)。

處理方法：在MCLK上增加展頻，可以有效的抑制攝像頭MCLK和PCLK的基頻和倍頻的超標(biāo)。

數(shù)據(jù)對比：

（3）應(yīng)用案例

問題：SONY的DSP（CXD4191AGG）輸出時(shí)鐘74MHZ的倍頻。

增加展頻IC后的數(shù)據(jù)對比：

原始數(shù)據(jù)，單支多，超標(biāo)嚴(yán)重。

增加展頻后，整體下降明顯單支少。

2、飛控系統(tǒng)的時(shí)鐘及其倍頻

可能存在的問題：主時(shí)鐘基頻以及倍頻時(shí)鐘輻射超標(biāo)。

處理方法：使用展頻IC。

增加展頻IC后的數(shù)據(jù)對比：

用展頻IC后，整體下降明顯。

展頻IC前后的信號對比：

信號在加展頻后完整性很好。

展頻電路圖

3、馬達(dá)發(fā)動機(jī)引起的EMI問題

可能存在的問題：馬達(dá)轉(zhuǎn)動引起的噪聲干擾。

處理方法：在靠近馬達(dá)位置使用BDL濾波器。

使用BDL濾波器前后EMI對比測試數(shù)據(jù)：

藍(lán)線是增加BDL后的數(shù)據(jù)，下降的非常明顯。

BDL（Balanced Dual-Line EMI Filter） EMI濾波器從1999年問世和在美國注冊專利以來，已廣泛應(yīng)用于通信、網(wǎng)絡(luò)、軍事、航空、航天、醫(yī)療、消費(fèi)電子、連接器等的電磁兼容領(lǐng)域之中。雖然BDL的電原理圖和一般的EMI濾波器區(qū)別不大，它不過是由兩個(gè)Y電容和一個(gè)X電容構(gòu)成的一般EMI濾波器而已，見圖1a)所示。如果進(jìn)一步觀察它具有結(jié)構(gòu)特征的電理圖，就會發(fā)現(xiàn)它的與眾不同之處，見圖1b)。