車(chē)載監控調度系統中的電磁兼容性設計
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為了實(shí)現電磁兼容，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、測量方法與數據處理方法、系統內、系統間電磁兼容性等多個(gè)方面考慮。在實(shí)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(jìn)行分析。在準確測量的基礎上，建立恰當的數學(xué)模型并根據實(shí)際需要進(jìn)行合理的近似，并在實(shí)踐中不斷加以修正，得到解決電磁騷擾問(wèn)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(chē)載監控調度系統終端設計為背景，在已有實(shí)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(guò)實(shí)踐，滿(mǎn)足設備電磁兼容性指標。 1 系統概述 本設計中的車(chē)載移動(dòng)終端是車(chē)載監控調度系統的核心，其功能是：采集車(chē)輛數據（包括GPS定位信息、車(chē)輛運行狀況信息等）通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道發(fā)送給監控中心，同時(shí)接收、響應監控中心的指令。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(pán)組成的人機交互單元及電話(huà)手柄組成，是典型的多MPU嵌入式系統，如圖1所示。 整個(gè)系統安裝在儀表板下方，GPS天線(xiàn)和GPRS天線(xiàn)由磁性底座安裝在車(chē)頂，鍵盤(pán)、顯示、控制及驅動(dòng)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電磁兼容設計指標要求、實(shí)施電磁兼容的前提。明確工作系統所處的電磁環(huán)境，才能在設計時(shí)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。 系統的電磁環(huán)境由多個(gè)電磁騷擾源構成。為了準確地描述電磁環(huán)境，有關(guān)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(guān)任務(wù)是完成人所賦予的功能，但客觀(guān)上它在工作時(shí)要向外輻射有用或無(wú)用的能量。如果在電磁環(huán)境中有多個(gè)電磁騷擾源，在敏感設備位置上綜合電磁環(huán)境騷擾場(chǎng)強符合線(xiàn)性疊加原理。經(jīng)過(guò)分析，在本系統中，雜波的來(lái)源有以下幾方面： （1）車(chē)載無(wú)線(xiàn)通信設備 車(chē)載無(wú)線(xiàn)通信設備是一個(gè)潛在的直接騷擾源，可以直接在汽車(chē)附近產(chǎn)生約4V/m的場(chǎng)強。該場(chǎng)強隨著(zhù)距離的增大按照E-1/r2的規律衰減，其各個(gè)頻段內的發(fā)射功率如圖2。 （2）汽車(chē)自生騷擾 汽車(chē)內部的自生騷擾發(fā)射干擾源主要是汽車(chē)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(chē)輪與地面、車(chē)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(guò)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(jìn)一步分為3組： %26;#183;頻譜范圍10kHz～1000MHz,由高壓點(diǎn)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(chē)載數字計算機（各種ECU和車(chē)載辦公數字設備）產(chǎn)生的窄帶干擾。 經(jīng)實(shí)測，當沒(méi)有去擾措施時(shí)，汽車(chē)接收天線(xiàn)上干擾強度可達50dBμV/m。 （3）天線(xiàn)間的耦合 在系統天線(xiàn)中，GPS天線(xiàn)為接收天線(xiàn)，而GPRS天線(xiàn)則兼接收和發(fā)射；除此之外還有其它車(chē)載設備如調頻廣播天線(xiàn)等。天線(xiàn)間的相互干擾引起接收機減敏，影響收發(fā)機的同時(shí)工作。反映這種干擾的主要指標是天線(xiàn)間的耦合度和近場(chǎng)分布。因此天線(xiàn)間的耦合度和天線(xiàn)近場(chǎng)的預估是電磁兼容的一個(gè)重要問(wèn)題。通常，安裝在車(chē)輛上的線(xiàn)天線(xiàn)多涉及線(xiàn)面連接問(wèn)題，因此在計算時(shí)，需要采用電場(chǎng)積分方程和磁場(chǎng)積分方程相結合求解。 由于天線(xiàn)較細，可處理為線(xiàn)天線(xiàn)，根據文獻[3]，設a為天線(xiàn)半徑，I（ι）為線(xiàn)上電流，認為電流只沿軸向分布，車(chē)載天線(xiàn)上的電場(chǎng)積分方程為： 
通過(guò)磁矢A和位函數φ，可推導出導體面上所采用的磁場(chǎng)積分方程： 
n為導體面外法線(xiàn)單位矢量； R為場(chǎng)點(diǎn)（ξ，η）到源點(diǎn)（ξ，η）的距離。 對（1）式，在天線(xiàn)較細的情況下，將天線(xiàn)離散為多個(gè)短直細線(xiàn)，令 
，用矩量法求解時(shí)可令基函數為： 
段長(cháng)度，ιj為第j段的中心位置，結合線(xiàn)段兩端電荷與電流的連續性，通過(guò)矩量法求解參數，從而得到電流。 對于(2)式，面電流可展開(kāi)為： 
合適的權函數，如點(diǎn)選配法、子域匹配法、最小二乘法等。計算中使用ωm =δ(x-xm)進(jìn)行點(diǎn)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(xiàn)間的耦合度計算，可將其等效為多端口微波網(wǎng)絡(luò )處理。耦合網(wǎng)絡(luò )模型如圖3。 
耦合度定義為： 
Pinc為入射到發(fā)射天線(xiàn)的功率；Pin為發(fā)射天線(xiàn)端的輸入功率；Pout為接收天線(xiàn)端的凈輸出功率；Γ為發(fā)射天線(xiàn)端的復電壓反射系數。 考慮任意激勵和加載，將天線(xiàn)統一進(jìn)行分段，各段符合疊加原理，根據歐姆定律，對于N通道系統有矩陣方程： 
其中，[YL]為在饋入端存在規定負載時(shí)的短路導納矩陣， 
考慮系統中任意兩天線(xiàn)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(kāi)有： 
實(shí)際計算兩個(gè)天線(xiàn)間的耦合度時(shí)，可將其等效為二端口網(wǎng)絡(luò )，如圖4。 
其中， 是接收天線(xiàn)負載為YL 
時(shí)，發(fā)射天線(xiàn)的輸入導納。 實(shí)際計算中，先對一個(gè)天線(xiàn)端口饋電，另一個(gè)天線(xiàn)輸入端口短路，根據式（1）、（2），利用矩量法求解所需端口的輸入電流，根據式（5）求解出相應的阻抗值，再按式（7）求解耦合度。對于兩天線(xiàn)間的耦合度，可相應簡(jiǎn)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。本系統中干擾傳輸的幾種基本方式有：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(jìn)一步分為：電阻性耦合、電容性耦合和電感性耦合。汽車(chē)中的供電線(xiàn)路構成了干擾源和敏感設備之間干擾傳導傳輸的完整電路連接，干擾信號通過(guò)供電線(xiàn)路可達每個(gè)用電設備。 輻射傳輸是通過(guò)介質(zhì)以電磁波的形式傳播，干擾能量按電磁場(chǎng)的規律向周?chē)臻g發(fā)射。輻射耦合細分為：天線(xiàn)對天線(xiàn)耦合、場(chǎng)對線(xiàn)耦合及閉合回路耦合。汽車(chē)的信號電纜長(cháng)度分布在0.5m～10m的范圍內，按照1/4波長(cháng)到1/2波長(cháng)天線(xiàn)敏感共振原理，汽車(chē)電纜線(xiàn)束感應或發(fā)送無(wú)線(xiàn)電干擾信號的有效頻段大約為7MHz～300 MHz。 汽車(chē)內部的自生騷擾，包括瞬變電脈沖、靜電放電、點(diǎn)火裝置寬頻干擾，既可能通過(guò)傳導，也可能通過(guò)輻射對汽車(chē)電子器件以及天線(xiàn)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、設備，敏感設備對干擾信號表現出不希望有的響應，確定敏感設備是進(jìn)行綜合電磁干擾設計的重要環(huán)節。 對任何實(shí)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(jìn)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(shí)，干擾信號將會(huì )被大大地抑制。 根據上述原則，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(xiàn)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(huì )同其他信號產(chǎn)生交叉調制。 系統的供電模塊與汽車(chē)電源構成直接通路，直接受外部電壓電流波動(dòng)影響，為提供穩定的電壓，電源應該作為一個(gè)重要的敏感設備考慮；各天線(xiàn)相對其它天線(xiàn)既是騷擾源，又是敏感設備，特別是頻帶有重疊的各個(gè)子系統之間，同時(shí)處于工作狀態(tài)時(shí)，相互作用就會(huì )更加明顯；PCB板的各個(gè)環(huán)路，在高頻條件下均會(huì )感應出不同程序的噪聲電壓，這影響了時(shí)鐘信號及其它重要信號的正常工作。同時(shí)，在不同的電磁環(huán)境中通過(guò)對比試驗，確定汽車(chē)內部的自生騷擾對系統正常工作有很大的影響。通過(guò)示波器對時(shí)鐘信號觀(guān)察表明，在沒(méi)有任何屏蔽措施時(shí)，其它車(chē)載電器的正常工作給信號帶來(lái)0.5V～0.8V的毛刺，給系統正常工作埋下隱患。 
5 滿(mǎn)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(diǎn)，并進(jìn)行了電磁預測后，就要在系統的整個(gè)設計中貫穿電子兼容預測的結果，做好滿(mǎn)足電磁兼容的工程設計工作。 在電磁兼容預測中，同一個(gè)設備既是騷擾源同時(shí)也是敏感設備。因此，對于一個(gè)實(shí)際的電氣、電子系統，其中可能存在的騷擾數量是巨大的。如果對每一騷擾對都進(jìn)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(wèn)題。對剩下的問(wèn)題采用不同的分析模型處理。一般分四個(gè)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(shí)間、距離和方向的影響。用簡(jiǎn)單、合理、保守的近似公式，把占多數的弱騷擾與少數的強干擾分開(kāi)，從而大大縮小分析問(wèn)題的范圍。（2）頻率篩選：它是建立在幅度篩選的基礎上，通過(guò)考慮附加的騷擾抑制度來(lái)詳細處理頻率變量之間的相互關(guān)系。（3）詳細預測：主要完成時(shí)間、距離和方向變量的修正，確定騷擾的概率分布和時(shí)間的依存關(guān)系。（4）性能預測：考慮周?chē)l(fā)射—接收的調制特性和響應特性，計算接收輸入端的潛在騷擾、信號電平及接收機噪聲電平，從而確定系統信噪比等參數。 根據上述原則，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。 依據防護措施在實(shí)現電磁兼容時(shí)的重要性可行性，進(jìn)行電磁兼容的分層次設計，最后對各層次的設計結果進(jìn)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(guò)電壓和過(guò)電流保護，提高系統的穩定性，無(wú)線(xiàn)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(chē)電源12V驅動(dòng)穩壓芯片而得，穩壓芯片雙片并聯(lián)，提高電壓穩定度及驅動(dòng)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。 由于系統安裝在儀表板下方，所以在設計過(guò)程中對整個(gè)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(jìn)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(shù)屏蔽措施后，試驗時(shí)用示波器觀(guān)察，毛刺信號明顯變小。 對于天線(xiàn)間的相互干擾，在元器件選型時(shí)盡量使其工作頻帶沒(méi)有重疊，針對各個(gè)不同車(chē)型，設計中充分利用車(chē)體外形的遮擋效應，通過(guò)調整方向角、安裝位置，使天線(xiàn)間的耦合度減到最小。在系統功能設計階段，定義各子模塊時(shí)，盡量避開(kāi)工作頻帶相近的各模塊同時(shí)工作，提出合理的調度算法。從軟件上輔助實(shí)現電磁兼容。 接地是電磁兼容設計的一個(gè)重要部分，接地的原則是為電路或系統提供一個(gè)參考的等電位點(diǎn)或面。系統中既有高速數字部分，也有模擬部分。本系統采用混合接地方式，在地線(xiàn)設計時(shí)分類(lèi)考慮，除按電源電壓分組外，還將數字地與模擬地分開(kāi)，高頻部分地與低頻部分地分開(kāi)，各個(gè)地再通過(guò)鐵氧體磁芯一點(diǎn)接地，有效地抑制了共模干擾。
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