汽车里程计电路的抗干扰设计

本文以汽车里程计终端设计为背景，在已有实验条件下，讨论了电磁兼容的抗干扰度设计方法，达到工程实际应用的原则。提出了具有针对性综合设计方案，经过实践，满足设备电磁兼容性指标和系统内部的相互兼容。

随着汽车微电子装备的大量增加，半导体逻辑器件对电磁干扰敏感度相当高，加之汽车线速与有关高场强频段的波长可以比拟，这些频段存在对车载电子系统造成强烈电磁干扰的隐患；车载电磁低电压、大电流负载特性使其开关过程在供电线路上产生很多脉冲干扰，进一步恶化了电磁环境。因而，在实际的汽车电器设计中，电磁兼容设计通常成为设计成败的关键。

里程计工作原理和受扰现象

里程计的工作原理是通过传感器采集传动部分的齿轮转动来计脉冲数，通过数据处理以后送显示终端，这就是我们看到的里程数。如图1



图1里程计工作框图

然而，里程计在工作中与实际的里程数不符，显示要多实际的公里数。也就是说里程计计数信号受到了外界的干扰，影响了里程的计量精度；为了查找受到干扰的部位，用示波器观察传感器采集的脉冲信号在高频条件下均会感应出不同的噪声电压，这影响了传感器脉冲计数信号的正常工作。同时，在不同的电磁环境中通过对比试验，确定汽车内部的自生骚扰对系统正常工作有很大的影响。通过示波器对传感器脉冲计数信号观察表明，在传感器信号线有屏蔽措施的基础上，其它车载电器的设备在传感器信号线带来0.1V～1.7V的毛刺，从而影响里程计的精度。如图2。



图2里程计干扰与正常的波形

由于汽车内部的自生骚扰发射干扰源有很多，如刮水器电动机、燃油泵、火花点火线圈、空调起动器、交流发电机线缆连接的间歇切断，以及某些无线电子设备，如手机和车载电台等。这些干扰源是产生种瞬变电脉冲即可能通过电磁骚扰发射对环境中的其它设备造成干扰。所以抑制干扰的源头较为困难，为了实现里程计的计量精度，要加强里程计设备抗干扰能力设计较为现实可行。

为进一步验证脉冲干扰的传播途径，将里程计在实验室里单独供电，并通过耦合网络分别对里程计的电源线、信号采集线耦合脉冲干扰信号，发现计数信号均受到干扰，尤其信号采集线上最为明显，影响精度较大。如图3



如图3实验室验证时的检测

采取的措施

2．1电源的滤波稳压

汽车中的供电线路构成了干扰源和敏感设备之间干扰传导传输的完整电路连接，干扰信号通过供电线路也可达每个用电设备。所以在里程计的供电中采取了滤波和稳压的措施来提高抗外界干扰的能力。首先，对于里程计供电部分采取滤波措施，防止众多设备的共用电源相互串扰。采用上术滤波措施后，试验时用示波器观察电源线上的强加耦合脉冲干扰，毛刺信号明显变小。电路图如图4



图4电源滤波电路


二极管D16主要是防止电源的正负极被误接反。电感L7、L8对电源进行滤波，滤波器、电容C11配合，可以过滤掉电源中的尖峰脉冲。二极管D14是脉冲干扰抑制器，它可以快速吸收超过额定电压的尖峰脉冲，瞬时通过电流很大。电容C12和C13进一步对电源进行滤波。

其次稳压技术

系统的供电模块与汽车电源构成直接通路，直接受外部电压电流波动影响，为提供稳定的电压，电源应该作为一个重要的敏感设备考虑，目前智能仪器开发中常用的稳压电源有两种：一种是由集成稳压芯片提供的串联调整电源，另一种是DC-DC稳压电源，这对防止其他用电设备对电压波动干扰里程计正常工作是非常有效的。电路原理如图5所示。这种DC/DC模块的输入和输出完全隔离，输入范围很宽。标称输入电压为12V的DC/DC电源的允许输入范围是9～18V。



图5DC/DC模块的输入和输出隔离

2．2信号线的数字滤波

由于导线间存在电容性耦合、电感性耦合世电场磁场组合耦合，也是里程计通道出现干扰的主要原因之一，特别是信号线相互较近，增加了干扰的机会。如果里程计抗扰性能设计不好，极易引起里程计信号的干扰。根据上述原则，为了保证里程计的正常工作，在实际现场运行当中由于脉冲干扰在有用的脉冲信号上出现了一串上升沿很陡、脉宽很窄的干扰脉冲信号，虽然在信号输入端已采取了RC滤波，但仍未滤除这一串干扰脉冲，直到有用信号已经由于上升沿过缓而无法使用了，干扰信号却几乎没有衰减。

我们采取将信号在电路中单独处理，用单稳电路设计来提高里程计的抗干扰能力，具体电路如图6。原理是利用普通单稳器件和D型触发器组成的抗脉冲干扰电路，输入信号上带有干扰脉冲，输入波形如图（7）中波形A所示。信号和脉冲噪声的上升沿均能触发单稳电路，产生一个固定脉宽的输出，在设计电路时使该脉冲宽度小于信号宽度但大于噪声脉冲宽度，于是输入信号经由单稳电路后产生如图（7）中波形B的信号。D型触发器的输出有端子CL和端子D的波形决定，只有当两端子同时为高电平时输出才是高电平，最后的输出波形如图（7）中波形C所示，输出的波形没有附加的脉冲噪声，从而达到滤波的效果。



图6



图7

实践证明，单稳电路和D型触发器的设计，使电路的抗外界电磁干扰能力明显加强，大大提高了产品的可靠性能。

2．3 其他方面采取的措施

由于车内电磁环境较为复杂，为避免电磁耦合产生相互干扰的隐患，在里程计布线方面，信号线与电源线尽量分开走线；里程计信号线双绞，并将电缆的屏蔽层双端接地；使之对邻近导线或回路不产生干扰且可抑制磁场对弱信号回路可能造成的干扰。

总结

汽车电系上的负载多种多样，既有小阻抗、大电流的阻性感性负载，也有小电流、高电压的脉冲发生装置，还有高频振荡信号源，它们不仅对外是潜在的干扰发射源，也是对车载电子产品的干扰源。另外，由于高机动性，汽车也可能会处于各种可以想像得到的从低频到高频的复杂电磁场中，由此产生的电磁干扰耦合也会影响汽车电子电气系统的正常运行。汽车电子设计不仅需要在这种噪声环境中实现对敏感设备或器件的保护，同时必须规范EMC设计，提高产品的电磁兼容性，确保噪声发射源的噪声满足指标要求。