車載微機(jī)系統(tǒng)中的抗電磁干擾設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

1.引言

當(dāng)以點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車在公路上運(yùn)行之時(shí)，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓點(diǎn)火系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)電磁波，干擾其周圍的無線電廣播和無線電通訊業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行，并且對(duì)電磁環(huán)境造成污染。自此人們將電磁污染列人到汽車造成的三大污染源之一（排放、噪聲、電磁）。國際無線電組織開始對(duì)這種高能量脈沖形式的干擾源進(jìn)行研究并提出了測(cè)量方法和限制要求。目前，這種電磁污染的控制要求已被列入到世界各國的技術(shù)法規(guī)中。經(jīng)過多年的技術(shù)規(guī)范，市場(chǎng)上運(yùn)行的汽車基本實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火脈沖電磁噪聲的有效控制。但隨著汽車技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，汽車電子電器設(shè)備的大量應(yīng)用，汽車電磁干擾的特點(diǎn)及其產(chǎn)生的影響也有了巨大的變化。汽車產(chǎn)生電磁干擾的源，不單純是點(diǎn)火系統(tǒng)，大量應(yīng)用于車輛上的各種電子電器設(shè)備也同樣產(chǎn)生電磁干擾。

2.電磁干擾分析

2.1干擾源

對(duì)干擾源的分析是進(jìn)行防護(hù)的前提，在裝備車輛上，電磁環(huán)境十分復(fù)雜，主要有無線電設(shè)備干擾，脈沖數(shù)字電路和開關(guān)電路干擾，設(shè)備線纜間干擾和外部干擾。對(duì)裝備車輛而言，由于配備的電子化設(shè)備及儀器儀表數(shù)量和種類多，頻帶范圍寬，信號(hào)形式復(fù)雜，信號(hào)強(qiáng)度差別大，這些信號(hào)產(chǎn)生的諧波和各種互調(diào)、交調(diào)頻率可以通過天線向四周輻射電磁干擾：在電子儀表及控制系統(tǒng)內(nèi)部，由于電壓、電源的突變，元件安裝的位置、配線阻抗、振蕩電路互連、元件或電路的耦合等也會(huì)造成電磁干擾；由于車載微機(jī)系統(tǒng)安裝空間狹小，布線復(fù)雜，各種線纜如電力線、信號(hào)線、控制線等布線十分密集，而各種線纜中信號(hào)強(qiáng)度差別較大，敏感度不同，很容易引起相互問的干擾。外部電磁噪聲是指自然界及各種外部電器設(shè)備所輻射的電磁噪聲，如雷電、無線電雷達(dá)、導(dǎo)航系統(tǒng)、廣播電視系統(tǒng)、瞬態(tài)開關(guān)、換向裝置、氣體火花放電器、電暈放電、接觸電位器、正弦波信號(hào)源、非正弦波信號(hào)源、電磁脈沖等。

微機(jī)設(shè)備內(nèi)部有許多大規(guī)模集成電路芯片，其中包括TTL高速數(shù)字邏輯元件和CMOS高功能化元件，每個(gè)元器件，每根導(dǎo)線都流著不同的電流，從而在其周圍產(chǎn)生大大小小的電磁場(chǎng)，由于計(jì)算機(jī)工作頻率在幾兆赫到上百兆赫，所以輻射和耦合造成相互干擾。當(dāng)設(shè)備處于高速工作狀態(tài)時(shí)，它們不僅是電磁干擾的輻射源，同時(shí)也是被干擾的對(duì)象。

2.2干擾形成與傳遞

如果干擾信號(hào)的波長(zhǎng)又比被干擾的對(duì)象結(jié)構(gòu)尺寸小，或者干擾源與被干擾者之間的距離>波長(zhǎng)/2Ⅱ時(shí)，干擾信號(hào)可以認(rèn)為是輻射場(chǎng)，它以平面電磁波形式向外輻射電磁場(chǎng)能量進(jìn)入被干擾對(duì)象的通路。干擾信號(hào)以漏電和耦合形式，通過絕緣支承物為媒介，經(jīng)公共阻抗的耦合進(jìn)入被干擾的線路、設(shè)備或系統(tǒng)。當(dāng)干擾信號(hào)的波長(zhǎng)比被干擾對(duì)象的結(jié)構(gòu)尺寸長(zhǎng)，或者干擾源與干擾對(duì)象之間的距離>波長(zhǎng)/2Ⅱ時(shí)，干擾信號(hào)可以認(rèn)為是似穩(wěn)場(chǎng)，它以感應(yīng)場(chǎng)形式進(jìn)入被干擾對(duì)象的通路。干擾信號(hào)可以通過直接傳導(dǎo)方式引入線路、設(shè)備或系統(tǒng)。

就車載微機(jī)系統(tǒng)而言，電力線與信號(hào)線、強(qiáng)信號(hào)線與弱信號(hào)線之間的于擾主要就是通過電場(chǎng)耦合形式傳播；電源變換器、衛(wèi)通天線的驅(qū)動(dòng)電機(jī)等設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾主要就是通過低頻磁場(chǎng)耦合的形式傳播；系統(tǒng)若接地不完善，或接地電阻過大，不同回路的電路就會(huì)通過公共接地電阻形成相互間的干擾。衛(wèi)通、超短波、遙測(cè)等無線設(shè)備發(fā)送的射頻信號(hào)通過天線在空間的電磁耦合屬于天線對(duì)天線耦合，頻率源、變頻器、混頻器等器件通過屏蔽體、按鍵和顯示表頭的縫隙以電磁輻射的形式對(duì)信號(hào)線的干擾屬于場(chǎng)對(duì)線耦合，而兩根平行導(dǎo)線之間的高頻信號(hào)感屬于線對(duì)線耦合。

為了解決微機(jī)設(shè)備在裝備車輛上應(yīng)用和推廣中的電磁干擾問題，根據(jù)以上的分析，我們主要采取以下措施進(jìn)行電磁干擾的防護(hù)。

3.1電源濾波

濾波是信號(hào)處理中的一個(gè)重要概念。濾波分經(jīng)典濾波和現(xiàn)代濾波。經(jīng)典濾波的概念，是根據(jù)傅里葉分析和變換提出的一個(gè)工程概念。根據(jù)高等數(shù)學(xué)理論，任何一個(gè)滿足一定條件的信號(hào)，都可以被看成是由無限個(gè)正弦波疊加而成。換句話說，就是工程信號(hào)是不同頻率的正弦波線性疊加而成的，組成信號(hào)的不同頻率的正弦波叫做信號(hào)的頻率成分或叫做諧波成分。只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)成分正常通過，而阻止另一部分頻率成分通過的電路，叫做經(jīng)典濾波器或?yàn)V波電路。

微機(jī)設(shè)備系統(tǒng)中均采用體積小，效率高的開關(guān)電源，而開關(guān)電源的整流諧波、開關(guān)頻率及其諧波，以及在開關(guān)轉(zhuǎn)換中所固有的高速電流和電壓瞬變將對(duì)電子系統(tǒng)造成嚴(yán)重干擾，其干擾頻率在30kHz~30MHz.因此必須在電源變換的輸入端和輸出端加電源濾波器，并且濾波器的輸入端和輸出端引線還要求隔離，防止通過輻射耦合影響濾波器對(duì)干擾信號(hào)的抑制能力。輸入端加電源濾波器的目的主要是抑制電源AC端輸入的高頻干擾信號(hào)對(duì)本系統(tǒng)的干擾，輸出端加電源濾波器的目的主要是防止本系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾通過公共的電源通道傳導(dǎo)到其它電子系統(tǒng)中。并采用數(shù)字信號(hào)線濾波器消除信號(hào)線中的高頻電磁干擾，主要方法是采用高頻吸收電容器或EMI吸收環(huán)。具體作法是在數(shù)字信號(hào)線的輸入端接上高頻吸收電容，用于吸收從數(shù)字信號(hào)輸入端傳入的電磁干擾，也可以在數(shù)字信號(hào)線的屏蔽層上套一圈EMI吸收磁環(huán)。

良好的濾波電路，置于前級(jí)可使大多數(shù)因傳導(dǎo)而進(jìn)入系統(tǒng)的干擾噪聲消除在電路系統(tǒng)的入口處。電源濾波器需要消除的干擾有差模干擾和共模干擾，差模干擾是由汽車電子系統(tǒng)中產(chǎn)生的諧波和各種尖峰脈沖du/dt及dildt引起的，而共模干擾則是空間電磁波輻射到車架上引起的，由于電源負(fù)極與車架相連，而車架與地絕緣，其電源系統(tǒng)是浮地系統(tǒng)，地線容易受到共模干擾。

整個(gè)系統(tǒng)采用分立式供電方式。不是統(tǒng)一變壓整流、濾波后供各部分使用，而是變壓后直接送各部分整流、濾波、穩(wěn)壓，這樣就減少了集中供電的危險(xiǎn)性，又提高了電源的質(zhì)量，增大了散熱面積。此外，把主機(jī)與外設(shè)分為一類供電方式；把空調(diào)、照明等分為另一類供電方式，避免輔助設(shè)備工作時(shí)。通過電源供電對(duì)信號(hào)設(shè)備產(chǎn)生干擾。

3.2硬件看門狗電路防止干擾。

采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器NE555作為微機(jī)看門狗電路；當(dāng)系統(tǒng)工作正常時(shí)，看門狗電路不起作用，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行不正常時(shí)，80C51的P1.1引腳不能給定時(shí)器送去觸發(fā)脈沖，這時(shí)NE555中單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器就輸出脈寬大于4US負(fù)脈沖，經(jīng)F6反相后加至80C51的復(fù)位端，使系統(tǒng)可靠的復(fù)位，這樣可防止因外界干擾引起的程序跑飛，使微機(jī)程序正常運(yùn)行，見圖1.

3.3軟件防護(hù)

微機(jī)設(shè)備的軟件抗干擾主要是穩(wěn)定內(nèi)存數(shù)據(jù)和保證程序指針。微機(jī)是一個(gè)可編程控制裝置，軟件可以支持和加強(qiáng)硬件的抗干擾能力。微機(jī)系統(tǒng)中隨機(jī)內(nèi)存RAM主要用于數(shù)據(jù)的暫時(shí)存放，空間較小，對(duì)存放的數(shù)據(jù)而言，若將采集到的幾組數(shù)據(jù)求平均值作為采樣結(jié)果，可避免在采集時(shí)因干擾而破壞了數(shù)據(jù)的真實(shí)性；如果存放在隨機(jī)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)因干擾而丟失或者數(shù)據(jù)發(fā)生變化，可以在隨機(jī)內(nèi)存區(qū)設(shè)置檢驗(yàn)標(biāo)志；為了減少干擾對(duì)隨機(jī)內(nèi)存區(qū)的破壞，可在隨機(jī)存儲(chǔ)器芯片的寫信號(hào)線上加觸發(fā)裝置，只有在CPU寫數(shù)據(jù)時(shí)才發(fā)當(dāng)干擾竄入微機(jī)系統(tǒng)使程序跑飛失控后，失控的程序可能會(huì)落在工作程序的ROM區(qū)內(nèi)任意地址上，這時(shí)可采用指令冗余的方法來使程序走向正軌，其原理是，在數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、變換、加工和傳送過程中，采用特定的數(shù)據(jù)編碼對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行校驗(yàn)，從而發(fā)現(xiàn)其中的錯(cuò)誤。在程序執(zhí)行過程中，一旦發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，就重新執(zhí)行被破壞的現(xiàn)行指令。此外程序計(jì)數(shù)器還要退回一步，以便再次執(zhí)行該指令如果故障是瞬時(shí)性的，在指令重復(fù)執(zhí)行期間錯(cuò)誤可能不再出現(xiàn)，程序繼續(xù)向前運(yùn)行。

當(dāng)跑飛的失控程序落到非工作程序的ROM區(qū)時(shí)，應(yīng)采用軟件陷阱的方法使程序進(jìn)入正軌。在程序的適當(dāng)?shù)胤郊右恍┫葳逭Z句和陷阱出口語句，這些語句不影響程序的正常運(yùn)行。在計(jì)算機(jī)、單片機(jī)受到強(qiáng)電磁干擾時(shí)，程序可能死鎖。當(dāng)程序運(yùn)行一旦落入預(yù)設(shè)的陷阱中，因陷阱出口是設(shè)計(jì)者預(yù)先設(shè)定的，因此程序也就進(jìn)入了可控階段，如果陷阱出口即系統(tǒng)程序自恢復(fù)的入口，則系統(tǒng)程序就可以重新自動(dòng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

當(dāng)程序失控后，失控的程序往往會(huì)進(jìn)行非法寫操作，使有用的信息丟失。如何恢復(fù)系統(tǒng)的重要信息。重新進(jìn)入正常的工作狀態(tài)，是一個(gè)非常重要的問題。由抗干擾措施引起的復(fù)位操作應(yīng)采用"熱啟動(dòng)",為使熱啟動(dòng)順利，首先要關(guān)中斷，將所有I/O設(shè)備設(shè)置為安全狀態(tài)，封鎖I/O操作，以免造成更嚴(yán)重后果，然后再進(jìn)行信息的恢復(fù)和狀態(tài)的重入工作。為保證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)地重入正常運(yùn)行狀態(tài)，必須保證重要數(shù)據(jù)的正確性，即要防止失控程序?qū)AM的非法寫操作，這時(shí)需要給 RAM增加鎖定信號(hào)，實(shí)現(xiàn)鎖定保護(hù)，從而保證了數(shù)據(jù)恢復(fù)的可靠性。

4.結(jié)束語

采取以上措施開發(fā)的車載微機(jī)系統(tǒng)能夠在裝備車輛上極為惡劣的電磁環(huán)境下正常工作。總之，汽車內(nèi)電磁干擾及其產(chǎn)生的影響是重大的，關(guān)系到汽車安全可靠性。人們應(yīng)該意識(shí)到現(xiàn)代電子化汽車中出現(xiàn)的許多新問題，在相當(dāng)程度上與電磁干擾的影響有關(guān)。實(shí)際中，采取適當(dāng)?shù)母蓴_抑制措施，同時(shí)提高汽車電子電器部件的電磁抗擾特性，可以有效地提高汽車運(yùn)行可靠性。