車載微機系統(tǒng)中的抗電磁干擾設(shè)計和實現(xiàn)

1.引言

當以點火發(fā)動機驅(qū)動的汽車在公路上運行之時，汽油發(fā)動機的高壓點火系統(tǒng)會產(chǎn)生強電磁波，干擾其周圍的無線電廣播和無線電通訊業(yè)務(wù)的正常運行，并且對電磁環(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這種高能量脈沖形式的干擾源進行研究并提出了測量方法和限制要求。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，市場上運行的汽車基本實現(xiàn)了點火脈沖電磁噪聲的有效控制。但隨著汽車技術(shù)的不斷進步和發(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

對干擾源的分析是進行防護的前提，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，信號形式復(fù)雜，信號強度差別大，這些信號產(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造成電磁干擾；由于車載微機系統(tǒng)安裝空間狹小，布線復(fù)雜，各種線纜如電力線、信號線、控制線等布線十分密集，而各種線纜中信號強度差別較大，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、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、正弦波信號源、非正弦波信號源、電磁脈沖等。

微機設(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，由于計算機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。當設(shè)備處于高速工作狀態(tài)時，它們不僅是電磁干擾的輻射源，同時也是被干擾的對象。

2.2干擾形成與傳遞

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

就車載微機系統(tǒng)而言，電力線與信號線、強信號線與弱信號線之間的于擾主要就是通過電場耦合形式傳播；電源變換器、衛(wèi)通天線的驅(qū)動電機等設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾主要就是通過低頻磁場耦合的形式傳播；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通過公共接地電阻形成相互間的干擾。衛(wèi)通、超短波、遙測等無線設(shè)備發(fā)送的射頻信號通過天線在空間的電磁耦合屬于天線對天線耦合，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信號線的干擾屬于場對線耦合，而兩根平行導(dǎo)線之間的高頻信號感屬于線對線耦合。

為了解決微機設(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行電磁干擾的防護。

3.1電源濾波

濾波是信號處理中的一個重要概念。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工程概念。根據(jù)高等數(shù)學(xué)理論，任何一個滿足一定條件的信號，都可以被看成是由無限個正弦波疊加而成。換句話說，就是工程信號是不同頻率的正弦波線性疊加而成的，組成信號的不同頻率的正弦波叫做信號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)典濾波器或濾波電路。

微機設(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電子系統(tǒng)造成嚴重干擾，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干擾信號的抑制能力。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對本系統(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)字信號線濾波器消除信號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)字信號線的輸入端接上高頻吸收電容，用于吸收從數(shù)字信號輸入端傳入的電磁干擾，也可以在數(shù)字信號線的屏蔽層上套一圈EMI吸收磁環(huán)。

良好的濾波電路，置于前級可使大多數(shù)因傳導(dǎo)而進入系統(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性，又提高了電源的質(zhì)量，增大了散熱面積。此外，把主機與外設(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。通過電源供電對信號設(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作為微機看門狗電路；當系統(tǒng)工作正常時，看門狗電路不起作用，當系統(tǒng)運行不正常時，80C51的P1.1引腳不能給定時器送去觸發(fā)脈沖，這時NE555中單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器就輸出脈寬大于4US負脈沖，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，使微機程序正常運行，見圖1.

3.3軟件防護

微機設(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。微機是一個可編程控制裝置，軟件可以支持和加強硬件的抗干擾能力。微機系統(tǒng)中隨機內(nèi)存RAM主要用于數(shù)據(jù)的暫時存放，空間較小，對存放的數(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，可避免在采集時因干擾而破壞了數(shù)據(jù)的真實性；如果存放在隨機內(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，可以在隨機內(nèi)存區(qū)設(shè)置檢驗標志；為了減少干擾對隨機內(nèi)存區(qū)的破壞，可在隨機存儲器芯片的寫信號線上加觸發(fā)裝置，只有在CPU寫數(shù)據(jù)時才發(fā)當干擾竄入微機系統(tǒng)使程序跑飛失控后，失控的程序可能會落在工作程序的ROM區(qū)內(nèi)任意地址上，這時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、變換、加工和傳送過程中，采用特定的數(shù)據(jù)編碼對測量數(shù)據(jù)信息進行校驗，從而發(fā)現(xiàn)其中的錯誤。在程序執(zhí)行過程中，一旦發(fā)現(xiàn)錯誤，就重新執(zhí)行被破壞的現(xiàn)行指令。此外程序計數(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性的，在指令重復(fù)執(zhí)行期間錯誤可能不再出現(xiàn)，程序繼續(xù)向前運行。

當跑飛的失控程序落到非工作程序的ROM區(qū)時，應(yīng)采用軟件陷阱的方法使程序進入正軌。在程序的適當?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行。在計算機、單片機受到強電磁干擾時，程序可能死鎖。當程序運行一旦落入預(yù)設(shè)的陷阱中，因陷阱出口是設(shè)計者預(yù)先設(shè)定的，因此程序也就進入了可控階段，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恢復(fù)正常運行。

當程序失控后，失控的程序往往會進行非法寫操作，使有用的信息丟失。如何恢復(fù)系統(tǒng)的重要信息。重新進入正常的工作狀態(tài)，是一個非常重要的問題。由抗干擾措施引起的復(fù)位操作應(yīng)采用熱啟動,為使熱啟動順利，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，以免造成更嚴重后果，然后再進行信息的恢復(fù)和狀態(tài)的重入工作。為保證系統(tǒng)實現(xiàn)無擾動地重入正常運行狀態(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，這時需要給 RAM增加鎖定信號，實現(xiàn)鎖定保護，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?？傊?，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)該意識到現(xiàn)代電子化汽車中出現(xiàn)的許多新問題，在相當程度上與電磁干擾的影響有關(guān)。實際中，采取適當?shù)母蓴_抑制措施，同時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行可靠性。