汽車里程計電路的抗干擾設計

　　本文以汽車里程計終端設計為背景，在已有實驗條件下，討論了電磁兼容的抗干擾度設計方法，達到工程實際應用的原則。提出了具有針對性綜合設計方案，經過實踐，滿足設備電磁兼容性指標和系統(tǒng)內部的相互兼容。

　　隨著汽車微電子裝備的大量增加，半導體邏輯器件對電磁干擾敏感度相當高，加之汽車線速與有關高場強頻段的波長可以比擬，這些頻段存在對車載電子系統(tǒng)造成強烈電磁干擾的隱患;車載電磁低電壓、大電流負載特性使其開關過程在供電線路上產生很多脈沖干擾，進一步惡化了電磁環(huán)境。因而，在實際的汽車電器設計中，電磁兼容設計通常成為設計成敗的關鍵。

　　里程計工作原理和受擾現(xiàn)象

　　里程計的工作原理是通過傳感器采集傳動部分的齒輪轉動來計脈沖數(shù)，通過數(shù)據(jù)處理以后送顯示終端，這就是我們看到的里程數(shù)。如圖1

　　圖1 里程計工作框圖

　　然而，里程計在工作中與實際的里程數(shù)不符，顯示要多實際的公里數(shù)。也就是說里程計計數(shù)信號受到了外界的干擾，影響了里程的計量精度;為了查找受到干擾的部位，用示波器觀察傳感器采集的脈沖信號在高頻條件下均會感應出不同的噪聲電壓，這影響了傳感器脈沖計數(shù)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。通過示波器對傳感器脈沖計數(shù)信號觀察表明，在傳感器信號線有屏蔽措施的基礎上，其它車載電器的設備在傳感器信號線帶來0.1V～1.7V的毛刺，從而影響里程計的精度。如圖2。

　　圖2 里程計干擾與正常的波形

　　由于汽車內部的自生騷擾發(fā)射干擾源有很多，如刮水器電動機、燃油泵、火花點火線圈、空調起動器、交流發(fā)電機線纜連接的間歇切斷，以及某些無線電子設備，如手機和車載電臺等。這些干擾源是產生種瞬變電脈沖即可能通過電磁騷擾發(fā)射對環(huán)境中的其它設備造成干擾。所以抑制干擾的源頭較為困難，為了實現(xiàn)里程計的計量精度，要加強里程計設備抗干擾能力設計較為現(xiàn)實可行。

　　為進一步驗證脈沖干擾的傳播途徑，將里程計在實驗室里單獨供電，并通過耦合網絡分別對里程計的電源線、信號采集線耦合脈沖干擾信號，發(fā)現(xiàn)計數(shù)信號均受到干擾，尤其信號采集線上最為明顯，影響精度較大。如圖3

　　如圖3 實驗室驗證時的檢測

　　采取的措施

　　2.1電源的濾波穩(wěn)壓

　　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也可達每個用電設備。所以在里程計的供電中采取了濾波和穩(wěn)壓的措施來提高抗外界干擾的能力。首先，對于里程計供電部分采取濾波措施，防止眾多設備的共用電源相互串擾。采用上術濾波措施后，試驗時用示波器觀察電源線上的強加耦合脈沖干擾，毛刺信號明顯變小。電路圖如圖4

　　圖4 電源濾波電路

　　二極管D16主要是防止電源的正負極被誤接反。電感L7、L8對電源進行濾波，濾波器、電容C11配合，可以過濾掉電源中的尖峰脈沖。二極管D14是脈沖干擾抑制器，它可以快速吸收超過額定電壓的尖峰脈沖，瞬時通過電流很大。電容C12和C13進一步對電源進行濾波。

　　其次穩(wěn)壓技術

　　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，目前智能儀器開發(fā)中常用的穩(wěn) 壓電源有兩種：一種是由集成穩(wěn)壓芯片提供的串聯(lián)調整電源，另一種是DC-DC穩(wěn)壓電源，這對防止其他用電設備對電壓波動干擾里程計正常工作是非常有效的。 電路原理如圖5所示。這種DC/DC模塊的輸入和輸出完全隔離，輸入范圍很寬。標稱輸入電壓為12V的DC/DC電源的允許輸入范圍是9～18V。

　　圖5 DC/DC模塊的輸入和輸出隔離

　　2.2 信號線的數(shù)字濾波

　　由于導線間存在電容性耦合、電感性耦合世電場磁場組合耦合，也是里程計通道出現(xiàn)干擾的主要原因之一，特別是信號線相互較近，增加了干擾的機會。如果里程計抗擾性能設計不好，極易引起里程計信號的干擾。根據(jù)上述原則，為了保證里程計的正常工作， 在實際現(xiàn)場運行當中由于脈沖干擾在有用的脈沖信號上出現(xiàn)了一串上升沿很陡、脈寬很窄的干擾脈沖信號，雖然在信號輸入端已采取了RC濾波，但仍未濾除這一串干擾脈沖，直到有用信號已經由于上升沿過緩而無法使用了，干擾信號卻幾乎沒有衰減。

　　我們采取將信號在電路中單獨處理，用單穩(wěn)電路設計來提高里程計的抗干擾能力，具體電路如圖6。原理是利用普通單穩(wěn)器件和D型觸發(fā)器組成的抗脈沖干擾電路，輸入信號上帶有干擾脈沖，輸入波形如圖(7)中波形A所示。信號和脈沖噪聲的上升沿均能觸發(fā)單穩(wěn)電路，產生一個固定脈寬的輸出，在設計電路時使該脈沖寬度小于信號寬度但大于噪聲脈沖寬度，于是輸入信號經由單穩(wěn)電路后產生如圖(7)中波形B的信號。D型觸發(fā)器的輸出有端子CL和端子D的波形決定，只有當兩端子同時為高電平時輸出才是高電平，最后的輸出波形如圖(7)中波形C所示，輸出的波形沒有附加的脈沖噪聲，從而達到濾波的效果。

　　圖7

　　實踐證明，單穩(wěn)電路和D型觸發(fā)器的設計，使電路的抗外界電磁干擾能力明顯加強，大大提高了產品的可靠性能。

　　2.3 其他方面采取的措施

　　由于車內電磁環(huán)境較為復雜，為避免電磁耦合產生相互干擾的隱患，在里程計布線方面，信號線與電源線盡量分開走線;里程計信號線雙絞，并將電纜的屏蔽層雙端接地;使之對鄰近導線或回路不產生干擾且可抑制磁場對弱信號回路可能造成的干擾。

　　總結

　　汽車電系上的負載多種多樣，既有小阻抗、大電流的阻性感性負載，也有小電流、高電壓的脈沖發(fā)生裝置，還有高頻振蕩信號源，它們不僅對外是潛在的干擾發(fā)射源，也是對車載電子產品的干擾源。另外，由于高機動性，汽車也可能會處于各種可以想像得到的從低頻到高頻的復雜電磁場中，由此產生的電磁干擾耦合也會影響汽車電子電氣系統(tǒng)的正常運行。汽車電子設計不僅需要在這種噪聲環(huán)境中實現(xiàn)對敏感設備或器件的保護，同時必須規(guī)范EMC設計，提高產品的電磁兼容性，確保噪聲發(fā)射源的噪聲滿足指標要求。