車載監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)中的電磁兼容性設計
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
為了實現(xiàn)電磁兼容，要從電磁騷擾源、電磁騷擾傳播特性、敏感設備抗干擾能力、測量設備、測量方法與數(shù)據(jù)處理方法、系統(tǒng)內(nèi)、系統(tǒng)間電磁兼容性等多個方面考慮。在實際應用中，從預測入手，對噪聲源、噪聲接收電路、耦合通道等幾方面進行分析。在準確測量的基礎上，建立恰當?shù)臄?shù)學模型并根據(jù)實際需要進行合理的近似，并在實踐中不斷加以修正，得到解決電磁騷擾問題的方法和手段，由此達到電磁兼容設計的最終目的。 本文以車載監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)終端設計為背景，在已有實驗條件下，討論了電磁兼容的預測模型和計算方法，并從工程應用方面提出了綜合設計的方法、原則，經(jīng)過實踐，滿足設備電磁兼容性指標。 1 系統(tǒng)概述 本設計中的車載移動終端是車載監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)的核心，其功能是：采集車輛數(shù)據(jù)（包括GPS定位信息、車輛運行狀況信息等）通過無線信道發(fā)送給監(jiān)控中心，同時接收、響應監(jiān)控中心的指令。主要由GPS接收單元、GPRS通信單元、主控制器單元、中文液晶顯示屏與鍵盤組成的人機交互單元及電話手柄組成，是典型的多MPU嵌入式系統(tǒng)，如圖1所示。 整個系統(tǒng)安裝在儀表板下方，GPS天線和GPRS天線由磁性底座安裝在車頂，鍵盤、顯示、控制及驅(qū)動單元在儀表板前方，都是雜波較強的位置。 
2 電磁兼容環(huán)境分析 電磁環(huán)境是提出和確定設備或系統(tǒng)電磁兼容設計指標要求、實施電磁兼容的前提。明確工作系統(tǒng)所處的電磁環(huán)境，才能在設計時遵循正確的要求和步驟，采取充分的管理保障措施，達到所希望的最佳設計水平。 系統(tǒng)的電磁環(huán)境由多個電磁騷擾源構成。為了準確地描述電磁環(huán)境，有關綜合電磁環(huán)境的計算和測量是必不可少的。電子設備的主觀任務是完成人所賦予的功能，但客觀上它在工作時要向外輻射有用或無用的能量。如果在電磁環(huán)境中有多個電磁騷擾源，在敏感設備位置上綜合電磁環(huán)境騷擾場強符合線性疊加原理。經(jīng)過分析，在本系統(tǒng)中，雜波的來源有以下幾方面： （1）車載無線通信設備 車載無線通信設備是一個潛在的直接騷擾源，可以直接在汽車附近產(chǎn)生約4V/m的場強。該場強隨著距離的增大按照E-1/r2的規(guī)律衰減，其各個頻段內(nèi)的發(fā)射功率如圖2。 （2）汽車自生騷擾 汽車內(nèi)部的自生騷擾發(fā)射干擾源主要是汽車電器中的各種瞬變電脈沖、分電器的觸頭之間和火花塞間隙之間的火花以及車輪與地面、車身與空氣高速磨擦產(chǎn)生的靜電放電。這些自身產(chǎn)生的騷擾即可能通過電磁騷擾發(fā)射對環(huán)境中的其它電器造成干擾。這些自生騷擾可進一步分為3組： %26;#183;頻譜范圍10kHz～1000MHz,由高壓點火裝置產(chǎn)生的寬帶干擾； %26;#183;頻譜范圍10kHz～500MHz，由直流電機和離散輸出級產(chǎn)生的寬帶干擾； %26;#183;頻譜范圍基頻～4000MHz，車載數(shù)字計算機（各種ECU和車載辦公數(shù)字設備）產(chǎn)生的窄帶干擾。 經(jīng)實測，當沒有去擾措施時，汽車接收天線上干擾強度可達50dBμV/m。 （3）天線間的耦合 在系統(tǒng)天線中，GPS天線為接收天線，而GPRS天線則兼接收和發(fā)射；除此之外還有其它車載設備如調(diào)頻廣播天線等。天線間的相互干擾引起接收機減敏，影響收發(fā)機的同時工作。反映這種干擾的主要指標是天線間的耦合度和近場分布。因此天線間的耦合度和天線近場的預估是電磁兼容的一個重要問題。通常，安裝在車輛上的線天線多涉及線面連接問題，因此在計算時，需要采用電場積分方程和磁場積分方程相結合求解。 由于天線較細，可處理為線天線，根據(jù)文獻[3]，設a為天線半徑，I（ι）為線上電流，認為電流只沿軸向分布，車載天線上的電場積分方程為： 
通過磁矢A和位函數(shù)φ，可推導出導體面上所采用的磁場積分方程： 
n為導體面外法線單位矢量； R為場點（ξ，η）到源點（ξ，η）的距離。 對（1）式，在天線較細的情況下，將天線離散為多個短直細線，令 
，用矩量法求解時可令基函數(shù)為： 
段長度，ιj為第j段的中心位置，結合線段兩端電荷與電流的連續(xù)性，通過矩量法求解參數(shù)，從而得到電流。 對于(2)式，面電流可展開為： 
合適的權函數(shù)，如點選配法、子域匹配法、最小二乘法等。計算中使用ωm =δ(x-xm)進行點選配，得到矩陣方程并求解，從而得到面上電流的分布。 對于多天線間的耦合度計算，可將其等效為多端口微波網(wǎng)絡處理。耦合網(wǎng)絡模型如圖3。 
耦合度定義為： 
Pinc為入射到發(fā)射天線的功率；Pin為發(fā)射天線端的輸入功率；Pout為接收天線端的凈輸出功率；Γ為發(fā)射天線端的復電壓反射系數(shù)。 考慮任意激勵和加載，將天線統(tǒng)一進行分段，各段符合疊加原理，根據(jù)歐姆定律，對于N通道系統(tǒng)有矩陣方程： 
其中，[YL]為在饋入端存在規(guī)定負載時的短路導納矩陣， 
考慮系統(tǒng)中任意兩天線間的耦合度：假定通道i被激勵，通道j被加載，對上述矩陣方程展開有： 
實際計算兩個天線間的耦合度時，可將其等效為二端口網(wǎng)絡，如圖4。 
其中， 是接收天線負載為YL 
時，發(fā)射天線的輸入導納。 實際計算中，先對一個天線端口饋電，另一個天線輸入端口短路，根據(jù)式（1）、（2），利用矩量法求解所需端口的輸入電流，根據(jù)式（5）求解出相應的阻抗值，再按式（7）求解耦合度。對于兩天線間的耦合度，可相應簡化求解。 3 電磁干擾的傳輸途徑 有電磁干擾產(chǎn)生，必然存在干擾能量的傳播通道。本系統(tǒng)中干擾傳輸?shù)膸追N基本方式有：傳導、輻射及其組合。 傳導是騷擾源與敏感設備之間的主要騷擾耦合途徑之一，按其耦合機理可進一步分為：電阻性耦合、電容性耦合和電感性耦合。汽車中的供電線路構成了干擾源和敏感設備之間干擾傳導傳輸?shù)耐暾娐愤B接，干擾信號通過供電線路可達每個用電設備。 輻射傳輸是通過介質(zhì)以電磁波的形式傳播，干擾能量按電磁場的規(guī)律向周圍空間發(fā)射。輻射耦合細分為：天線對天線耦合、場對線耦合及閉合回路耦合。汽車的信號電纜長度分布在0.5m～10m的范圍內(nèi)，按照1/4波長到1/2波長天線敏感共振原理，汽車電纜線束感應或發(fā)送無線電干擾信號的有效頻段大約為7MHz～300 MHz。 汽車內(nèi)部的自生騷擾，包括瞬變電脈沖、靜電放電、點火裝置寬頻干擾，既可能通過傳導，也可能通過輻射對汽車電子器件以及天線引入干擾。 4 敏感設備的預測 敏感設備是指受干擾影響的系統(tǒng)、設備，敏感設備對干擾信號表現(xiàn)出不希望有的響應，確定敏感設備是進行綜合電磁干擾設計的重要環(huán)節(jié)。 對任何實際的敏感設備除具有工作頻帶外，都具有接收工作頻帶以外信號的能力。用S（Δ?0）表示相對于工作頻帶Δ?0的接收選擇性。用Si表示相對于工作頻帶失諧Δ?i的接收選擇性即帶外接收選擇性。則敏感設備的通道接收電磁信號的頻率選擇模型可表示為： 
將騷擾信號的頻譜分為兩部分：一部分等于敏感設備的通頻帶Δ?0；另一部分為通頻帶之外的頻率成分Δ?i。由（5）～（10）式可以看出Δ?0直接進入敏感設備的工作通道，對設備產(chǎn)生嚴重干擾。當Δ?i與設備的通頻帶相距甚遠時，干擾信號將會被大大地抑制。 根據(jù)上述原則，首先應考慮與騷擾源頻帶接近的敏感設備，這些設備最容易受到影響。 另外，由于電子元件的非線性作用，雖然某些干擾信號頻率遠離敏感設備接收通道，但也會同其他信號產(chǎn)生交叉調(diào)制。 系統(tǒng)的供電模塊與汽車電源構成直接通路，直接受外部電壓電流波動影響，為提供穩(wěn)定的電壓，電源應該作為一個重要的敏感設備考慮；各天線相對其它天線既是騷擾源，又是敏感設備，特別是頻帶有重疊的各個子系統(tǒng)之間，同時處于工作狀態(tài)時，相互作用就會更加明顯；PCB板的各個環(huán)路，在高頻條件下均會感應出不同程序的噪聲電壓，這影響了時鐘信號及其它重要信號的正常工作。同時，在不同的電磁環(huán)境中通過對比試驗，確定汽車內(nèi)部的自生騷擾對系統(tǒng)正常工作有很大的影響。通過示波器對時鐘信號觀察表明，在沒有任何屏蔽措施時，其它車載電器的正常工作給信號帶來0.5V～0.8V的毛刺，給系統(tǒng)正常工作埋下隱患。 
5 滿足電磁兼容的工程設計 在認真分析了騷擾源、騷擾途徑及敏感設備的物理特點，并進行了電磁預測后，就要在系統(tǒng)的整個設計中貫穿電子兼容預測的結果，做好滿足電磁兼容的工程設計工作。 在電磁兼容預測中，同一個設備既是騷擾源同時也是敏感設備。因此，對于一個實際的電氣、電子系統(tǒng)，其中可能存在的騷擾數(shù)量是巨大的。如果對每一騷擾對都進行詳細的分析是難以想象的，也是不必要的。按照先粗后細的原則，提出那些能夠肯定的問題。對剩下的問題采用不同的分析模型處理。一般分四個階段：（1）幅度篩選：考慮發(fā)射——響應幅度特征，只較粗略地分析頻率、時間、距離和方向的影響。用簡單、合理、保守的近似公式，把占多數(shù)的弱騷擾與少數(shù)的強干擾分開，從而大大縮小分析問題的范圍。（2）頻率篩選：它是建立在幅度篩選的基礎上，通過考慮附加的騷擾抑制度來詳細處理頻率變量之間的相互關系。（3）詳細預測：主要完成時間、距離和方向變量的修正，確定騷擾的概率分布和時間的依存關系。（4）性能預測：考慮周圍發(fā)射—接收的調(diào)制特性和響應特性，計算接收輸入端的潛在騷擾、信號電平及接收機噪聲電平，從而確定系統(tǒng)信噪比等參數(shù)。 根據(jù)上述原則，為了保證設備的正常運行，設計中對位于工作頻帶之外的信號都采用各種措施加以抑制，從而保證工作頻帶上的信號都具有良好的接收能力。 依據(jù)防護措施在實現(xiàn)電磁兼容時的重要性可行性，進行電磁兼容的分層次設計，最后對各層次的設計結果進行綜合。具體包括元件的選擇、印制板的設計、接地設計、屏蔽設計和濾波設計。 首先，對于供電部分，采用分布式供電的方法。加上過電壓和過電流保護，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，無線通信部分采用SonyEricsson公司的GR47模塊，GPS定位采用u-Blox GPS OEM板，工作電壓均為3.3V，其余TTL接口電路工作電壓為5V，均由汽車電源12V驅(qū)動穩(wěn)壓芯片而得，穩(wěn)壓芯片雙片并聯(lián)，提高電壓穩(wěn)定度及驅(qū)動能力，并給每一組電源并聯(lián)上大容量電容和小容量電容去耦。 由于系統(tǒng)安裝在儀表板下方，所以在設計過程中對整個PCB板及連接頭采用了良好的屏蔽措施，設計了屏蔽機箱，機箱外接電纜進入箱體之間均加以濾波。連接頭采用信號針與地針交錯分布的排列方式。采用上術屏蔽措施后，試驗時用示波器觀察，毛刺信號明顯變小。 對于天線間的相互干擾，在元器件選型時盡量使其工作頻帶沒有重疊，針對各個不同車型，設計中充分利用車體外形的遮擋效應，通過調(diào)整方向角、安裝位置，使天線間的耦合度減到最小。在系統(tǒng)功能設計階段，定義各子模塊時，盡量避開工作頻帶相近的各模塊同時工作，提出合理的調(diào)度算法。從軟件上輔助實現(xiàn)電磁兼容。 接地是電磁兼容設計的一個重要部分，接地的原則是為電路或系統(tǒng)提供一個參考的等電位點或面。系統(tǒng)中既有高速數(shù)字部分，也有模擬部分。本系統(tǒng)采用混合接地方式，在地線設計時分類考慮，除按電源電壓分組外，還將數(shù)字地與模擬地分開，高頻部分地與低頻部分地分開，各個地再通過鐵氧體磁芯一點接地，有效地抑制了共模干擾。
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