淺談無人機的EMI的近場測試方案

無人直升機航拍是以遙感無人機為飛行平臺，利用高分辨相機系統(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、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。

目前消費級無人機以出口歐美發(fā)達國家市場為主，整機必須通過CE、FCC的認證才能獲得市場準入資格；無人機多系統(tǒng)間的電磁兼容 EMC（EMS+EMI）設(shè)計直接影響整機性能的穩(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，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，并納入強制執(zhí)行的項目中，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的電磁兼容規(guī)范，比如歐盟的CE認證，美國的FCC,NEBC認證，日本的VCCEI認證，我國的3C認證等，都是電子類產(chǎn)品進入市場必須要取得的通行證。針對無人機這種機電結(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測試認證標準。

要做好無人機，強大的EMC設(shè)計能力是至關(guān)重要的，本文結(jié)合實戰(zhàn)經(jīng)驗，從EMC設(shè)計的角度來解析無人機這一多系統(tǒng)集成的智能硬件產(chǎn)品！

一、無人機平臺架構(gòu)

1、無人機飛控架構(gòu)

無人機飛控架構(gòu)，如下圖所示。

2、無人機飛控

市面上曾經(jīng)出現(xiàn)的無人機飛控如下：

大疆飛控

零度飛控

MWC飛控

APM飛控

二、無人機EMI現(xiàn)狀及主要問題

1、無人機EMI現(xiàn)狀

（1）EMI超標導(dǎo)致產(chǎn)品無法通過EMC認證，從而導(dǎo)致產(chǎn)品無法出口；

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

2、無人機主要的EMI問題

（1）航拍頭的EMI問題；

（2）飛控系統(tǒng)的時鐘及其倍頻；

（3）馬達發(fā)動機引起的EMI問題；

（4）電源引起的輻射發(fā)射抑制。

三、無人機的EMC問題

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

圖1：無人機的主要組成??

1、無人機的電磁干擾（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)從一個電網(wǎng)絡(luò)傳導(dǎo)到另一個電網(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。而對于無人機來講，使用的是機載電池供電，無人機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)單元工作時是否會通過傳導(dǎo)對無人機上的其他單元產(chǎn)生影響，要看具體情況。在有些無人機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)計階段，對于機上各用電單元，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場測試兩種。遠場測試要在專業(yè)的微波暗室里進行，通過專用的接收天線和接收機測量相聚一段距離的整個無人機產(chǎn)生的電磁輻射的大小。而對于無人機本身來講，機上的電路距離很近，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。遠場測試能給出測試是否通過，如果沒通過，在哪些頻點輻射超標了，但是沒有位置信息。通過近場測量可以很方便的實現(xiàn)對干擾的定位，可以精確定位到哪個器件，哪個芯片的引腳，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上的飛行控制板，電子調(diào)速板，無刷電機這幾個環(huán)節(jié)進行一些近場EMI的測試。

3、無人機飛控板的近場EMI實測

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。可以采用孔徑適合的近場探頭對每個器件進行探測，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的飛控板上的IMU, 型號是MPU-6000，這是個9軸運動處理傳感器，在這個傳感器芯片上測到的EMI情況如圖4所示，很像是時鐘引起的。

圖3: 對飛控板進行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之間交換的時鐘及倍頻；

（2）DSP輸出部分（output）的時鐘及倍頻。

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。

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。

數(shù)據(jù)對比：

（3）應(yīng)用案例

問題：SONY的DSP（CXD4191AGG）輸出時鐘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，超標嚴重。

增加展頻后，整體下降明顯單支少。

2、飛控系統(tǒng)的時鐘及其倍頻

可能存在的問題：主時鐘基頻以及倍頻時鐘輻射超標。

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、馬達發(fā)動機引起的EMI問題

可能存在的問題：馬達轉(zhuǎn)動引起的噪聲干擾。

處理方法：在靠近馬達位置使用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Y電容和一個X電容構(gòu)成的一般EMI濾波器而已，見圖1a)所示。如果進一步觀察它具有結(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)。