多维人员信息感知设备电磁兼容的研究
陈明省1李刚1高彬1程镇锐2赖智平2
1.公安部第一研究所 2.广东省深圳市公安局公交分局
摘 要： 电磁兼容性会严重影响设备正常运行，研究提出了多维人员信息感知设备中出现的电磁干扰问题，分析了产生电磁干扰问题的原因。开关电源和身份证阅读器产生的电磁干扰为主要原因，影响自身工作的同时也影响周围模块的稳定性，并针对上述出现的问题提出了相应的解决方案。经过不断优化设计，该设备能够在人员密集、客流量大的场所稳定工作，自动采集人像信息和远距离读取身份证件信息，并实现与管控人员精准快速比对，对于预防刑事犯罪、维护社会秩序、保护公共安全具有重要意义。
关键词： 电磁兼容 电磁干扰 开关电源 身份证阅读器
引言
在暴力恐怖事件高发态势下，针对警力不足、排查时排队滞留现象和公民接受排查可能出现抵触情绪等问题，多维人员信息感知设备作为大客流人群信息采集装置应运而生。多维人员信息感知设备采用通道式设计方式，由两侧门板和顶部机柜组成，其整体结构如图1所示，射频天线内嵌于两侧门板中，用于身份证件信息的采集，其采集区域覆盖通行人员携带证件范围，以保证最大采集率；人像摄像机安装在设备两侧不同位置，可多角度采集人像信息，保证人像角度，提高人像识别精度；顶部视频摄像机可记录通行人员通过设备全过程，呈现通行人员整体特征，包括穿着、携带物品和配饰等，以便快速寻找预警的通行人员。该设备无需人员停留，能够自动采集人像信息、捕捉视频信息和远距离读取身份证件信息，并实现与管控人员精准快速比对，对于预防刑事犯罪、维护社会秩序、保护公共安全具有重要意义。然而，来自外界的电磁干扰和系统模块的相互干扰限制了设备的应用模式，影响了设备的稳定性。为了保障设备的正常运行，本文将分析设备的电磁兼容性，并针对出现的电磁干扰提出相应的电磁兼容设计。
一、电磁兼容性分析
电磁兼容是研究在有限的空间、时间、频谱资源条件下，各种用电设备可以共存而不影响性能的一门学科。电磁兼容包括电磁干扰和电磁耐受性，电磁干扰是设备本身在工作过程中产生不利于其他系统的电磁噪声，而电磁耐受性指设备在运行过程中不受周围电磁环境影响的能力。电磁干扰的传播可以通过连接线直接进入设备内部，也可通过空间辐射传播到设备内部。电磁兼容特性之所以对多维人员信息感知设备影响很大，主要与设备组成及工作方式有关，该设备是多个模块的集成，其组成框图如图2所示。
开关电源分别给工控机、身份证阅读器、人像采集模块和视频采集等模块供电，作为能源控制中心，开关电源的稳定性是整个设备正常运行的关键，除电网谐波干扰和身份证阅读器产生的电磁干扰以外，电源系统内部也会产生电磁干扰。电网经一次整流后由正弦波变为单向脉冲，此电流可分解为基波分量和不同倍频的高次谐波分量，谐波的存在不但使电源波形畸变，而且沿着传输线不断向外产生辐射。二次整流电路中开关管处于高速变换状态，电流回路等效为环形天线产生空间辐射。二极管由于封装电感和引线电感的存在，在反向恢复过程中产生反向电压波峰、反向恢复电流，这种快速的电压电流突变是电磁干扰产生的根源。二极管的高速切换使得电压电流变化率极高，开关管附近产生较强的传导和辐射干扰。此外，变压器绕组的漏感、电容的寄生电感、电感的寄生电容等寄生参数也会带来不同程度的电磁干扰。由于开关电源给每个模块供电，电源产生的电磁干扰势必进入每个模块，影响其正常工作，因此对开关电源的电磁兼容设计应当放在首要位置。
在某一恒定速度下，测量系统在一定的离地高度处，匀速通过单株茎秆作物，获取的回弹力T与作物茎秆本身的粘弹性、作物茎秆的各向异性、茎秆在弯曲过程中截面发生椭圆化和单株小麦的茎秆数等有关，那么通过测量茎秆的回弹力T可以定量地描述茎秆作物的总的机械强度，通过分析测量值与理论值的关系，验证模型的可靠性。
1.4 统计学分析 采用SPSS 19.0统计学软件，计量资料使用表示，组间比较采用t检验；计数资料例(%)表示，组间比较采用(χ2)检验，以P<0.05为差异有统计学意义。采用ROC曲线下面积分析IL-6、IL-8、IL-1β、CRP等指标对疾病恶化的预测价值。
电缆端口由于共模电压的存在，整个电缆近似成为发射和接收天线，对整个阅读器产生辐射干扰，其电场辐射表示为：
二、开关电源的电磁兼容设计
滤波电路的设计一方面抑制周围设备和电网的谐波干扰，防止外界电磁波进入系统内部，有效改善系统内部电磁环境；另一方面防止系统内部产生的电磁干扰进入电网中，影响其他设备及灯条的稳定性。软启动电路的设计避免了电源在上电瞬间因产生较大冲击烧坏电源器件的问题，该电路采用NE555控制的继电器实现系统软启动，启动时间为0.2s～0.5s。整流器后面采用PFC电路代替滤波电容进行滤波，使得整流器输出电流波形呈现与电压同相位的正弦波，提高功率因数，降低电流峰值，减小电流谐波因数。PFC电路控制芯片采用UC3854芯片，该芯片是一个集成的Boost-PWM控制芯片，通过内部电压、电流放大器，振荡器、乘法器和比较器等共同实现电源的滤波作用。缓冲电路采用RCD缓冲电路，该电路不但可以增大电流波形的梯度上升时间，减少电压波峰和电流波峰的变化率，而且可以缩短开关管的切换时间，降低电磁干扰。同步整流电路中用导通电阻较低的MOS管代替原有肖特基二极管，最大限度将输入功率转化为有功功率，降低整个系统的功率损耗。
为减小开关电源的电磁干扰，考虑到各个干扰源的影响，整体结构设计如图4所示。整体设计包含各个子电路，其中滤波电路、软启动电路、功率因子校正（PFC）电路、软开关电路、同步整流电路和缓冲电路均是针对开关电源可能出现的电磁干扰问题设计的电路，从而确保系统的正常工作。
电源线会把外界电网的电磁干扰带入整个系统，在开关电源的前端放置磁环可以有效的抑制外界电网的电磁干扰。在身份证阅读器前端、工控机前端和灯条及相机控制器前端分别放置磁环不仅可以滤除外界电网和开关电源的电磁噪声，而且可以抑制各模块之间电磁噪声的相互串扰。
三、身份证阅读器的电磁兼容设计
身份证阅读器作为辐射源影响周围设备的稳定性主要是通过天线向外辐射电磁波，而本身的干扰主要来自于电源线向阅读器传导的谐波，其频段主要是150kHz～30MHz。为了有效的滤除杂波，也不让阅读器本身谐波进入电源，影响其余设备，可以采用在阅读器前端加入电磁干扰滤波器的方法，其电路结构如图5所示。图中C1与C2为差模滤波电容，用来抑制差模干扰；L1与 L2为共模扼流圈，可以抑制共模干扰；L1和C3、L2和C4分别构成LC滤波器滤除干扰信号。
电磁场传播途径分为空间辐射和有线传播，身份证阅读器的工作原理是天线向空间辐射出13.56MHz电磁波，激活身份证芯片，实现无线链路链接进行数据交换。身份证阅读器读取证件信息的工作方式为电感耦合，天线产生的磁力线为闭合回路，在阅读器天线周围不应有大量金属存在，以免削弱磁感应强度，不能激活身份证芯片进行通信。按照ISO/IEC-14443标准，射频卡读取距离为0cm～10cm，其阅读器天线面积一般为卡体面积或略大于卡体面积，产生的空间电磁辐射有限。为了实现身份证远距离（35cm）大范围（40cm×120cm）快速读取，阅读器发射功率提高，阅读器天线覆盖面积增大，产生的电磁干扰势必增加，其电磁场分布示意图如图3所示。无线电波不但影响开关电源和工控机的正常工作，而且影响阅读器和工控机之间以及相机和工控机之间正常的数据传输。再者，阅读器本身就是辐射源，也可以通过电源线将干扰信号传播到电网上影响补光灯的稳定性，出现频闪现象。
串扰是电磁干扰传播的主要途径，在各模块的PCB设计中，应当采用抗串扰设计。模拟电路、高速走线可能会被外部源引起的串扰破坏，这些电路也可能将RF能量耦合到I/O口引起不必要的信号干扰，从而引起电子线路和系统功能的紊乱。避免走线间串扰尽可能的增加走线间间隔或使走线更接近参考层，将模拟信号地与数字信号地及电源地分离，防止相互干扰。
独活为伞形科植物重齿毛当归(Angelica pubescens Maxim.f.biserrata Shan et Yuan)的干燥根，被收载于《中国药典》[1]，被《神农本草经》列为上品，“久服，轻身、耐老”，具有祛风除湿、通痹止痛之功效。在甘肃、湖北、重庆、四川均有分布，并在湖北省巴东、恩施、资丘、长阳、五峰等地有大面积种植，已有300多年的栽培历史。现代研究发现，独活还具有抗心律失常、抗肿瘤、抗胃溃疡等作用，具有更远大的药用前途；其乙醇提取物具有很好的抑制植物病菌作用，在植物源农药领域的应用前景广阔；此外独活油还被应用在化妆、保健等领域[2]。
四、设备整体的电磁兼容设计
开关电源的主电路采用单端正激型电路，输出电压为12V和24V，本文对主电路设计未作详细描述。除电路设计之外，器件的选择、位置的摆放和印制电路板合理的布线也能减小电磁干扰，提高开关电源的电磁兼容性。经过不断的调试与改进，开关电源的电磁兼容性能符合GB/T 17626《电磁兼容试验和测量技术标准》的相关要求。
式中，f为共模信号频率，I为电缆中共模信号电流强度，L为电缆长度，r为测试点到辐射源的距离。从式中可以看出，减小阅读器与电源之间的距离可以减小电缆的电场辐射，所以在位置上阅读器与开关电源应尽可能近。另外，减小高频共模电流也可以减小电缆的电场辐射，在电缆端口使用低通滤波器铁氧体电磁干扰抑制器（磁环）可以有效的滤除高频共模电流。对于磁环，最重要的性能参数为磁导率和饱和磁通密度Bs，不同的铁氧体有不同的最佳抑制频率范围，磁导率越高，抑制的频率就越低。在低频段，磁环呈现较低的感性阻抗，不影响数据线或信号线上有用信号的传输，而在高频段，阻抗增加，其感抗分量保持很小，电阻性分量却迅速增加，当有高频能量穿过磁性材料时，电阻性分量就会把这些能量转化成热量消耗掉，使得高频信号有所衰减，而对低频有用信号的阻抗可以忽略，不影响电路的正常工作。磁环的体积越大，抑制效果越好。长而细的比短而粗的抑制效果好，内径越小抑制效果越好。但在有直流或交流偏流的情况下，存在铁氧体饱和问题，抑制元件横截面越大，越不易饱和，可承受的偏流越大。将开关电源的两根线（正负）同时穿过一个磁环，可以有效抑制共模干扰，为了增加电感量，增加等效吸收长度，增大穿过磁环的面积，可以让导线在磁环上反复绕几圈。选用适当的磁环可以抑制阅读器前端的电磁干扰，经过多次实验与改进，身份证阅读器在单独运行时可以有效的读取身份证件信息。
使用完好性监测算法，利用最小二乘构建方程首先要判断算法的可用性。本文选择水平保护等级法来判断RAIM算法是否可用。
设备中各模块的摆放位置对电磁干扰也有一定的影响，由于设备对通行人员自动感知，相机和阅读器天线的摆放位置影响设备的感知效果，天线在空间上对阅读器、电源和工控机的干扰不容忽视。设计中考虑设备正常工作因素与电磁兼容问题，采用天线和各模块隔离方式，对设备各模块、通信线路和结构安装等多方面进行改进。另外，考虑到阅读器与天线因距离远所产生的电磁干扰问题，使用屏蔽性能较好的同轴线，并在同轴线端口使用磁环以滤除干扰信号。最终设备的电磁兼容性能符合GB 8702-2014《电磁环境控制限值》标准的相关要求。
五、设备应用
多维人员信息感知设备能够对重点区域进出人员进行身份证信息远距离采集和比对、人脸图像采集和比对以及实时工作环境视频信息采集，广泛应用于地铁站、火车站和大型活动会场等人流量密集的区域，配合现有安检设备，实现“先检人、后检物”的全面安检策略，构建了一种“先对重点区域进出人员身份的快速不停留核对，再根据核对结果对存疑人员随身物品重点安全检查和处置”的新型安检模式。多维人员信息感知设备的产品形态和应用如图6所示。
目前，该设备已经在全国15个省、25个以上地市开展应用，经过广泛的应用证明该设备具有很好的工作稳定性，大幅提高了安全检查的重点排查比例、通过速度和安检效率，减轻了一线民警、特勤和安保人员的工作压力，受到各使用地区的一致好评。
例如在“孟德尔定律”的复习课中，教师可以引导学生对两对等位基因的关系进行列表（表1）比较讨论，从而了解孟德尔提出的“自由组合定律”只是对情况一的研究。教师可以要求学生对情况二、三进行分析与推理，并设计实验证明。这种形式的复习课可以使学生从已知走向未知，拓展学生的求知空间，提高学生的科学探究意识与能力。
六、结语
电磁兼容的解决方法是依据多维人员信息感知设备的特点提出的，不同的设备具有不同的解决方式，电磁兼容的解决方式不是一成不变的，需要大量的实验积累与设计经验。公安部第一研究所对多维人员信息感知设备中电磁兼容的研究和设计为众多电磁产品的设计提供了参考方案，为保证产品电磁兼容质量，优化我国电磁环境，推动我国电磁兼容设计技术的发展贡献了一份力量。
参考文献
[1]陈立辉,朱文立,等.电磁兼容（EMC）设计与测试之移动通信产品[M].电子工业出版社,2014.
[2]蔡乾,陈春芳,陈祎 ,王昭.开关电源的设计与实现[J].电子技术与软件工程,2018(7).
[3]李胜广,李刚,赵士伟,陈毓,谭林.高通量人员卡口管控设备多维人员信息感知门[J].警察技术,2017(3).
[4]谭林,李胜广,陈毓.公安物联网技术发展报告(2016)[M].北京:北京群众出版社,2017.8.
[5]李刚,高彬,谭林,李胜广.公安专用射频读写器的设计与实现[J].中国安全防范技术与应用,2018(6).
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