车载微机系统中的抗电磁干扰设计和实现

1.引言

当以点火发动机驱动的汽车在公路上运行之时，汽油发动机的高压点火系统会产生强电磁波，干扰其周围的无线电广播和无线电通讯业务的正常运行，并且对电磁环境造成污染。自此人们将电磁污染列人到汽车造成的三大污染源之一（排放、噪声、电磁）。国际无线电组织开始对这种高能量脉冲形式的干扰源进行研究并提出了测量方法和限制要求。目前，这种电磁污染的控制要求已被列入到世界各国的技术法规中。经过多年的技术规范，市场上运行的汽车基本实现了点火脉冲电磁噪声的有效控制。但随着汽车技术的不断进步和发展，汽车电子电器设备的大量应用，汽车电磁干扰的特点及其产生的影响也有了巨大的变化。汽车产生电磁干扰的源，不单纯是点火系统，大量应用于车辆上的各种电子电器设备也同样产生电磁干扰。

2.电磁干扰分析

2.1干扰源

对干扰源的分析是进行防护的前提，在装备车辆上，电磁环境十分复杂，主要有无线电设备干扰，脉冲数字电路和开关电路干扰，设备线缆间干扰和外部干扰。对装备车辆而言，由于配备的电子化设备及仪器仪表数量和种类多，频带范围宽，信号形式复杂，信号强度差别大，这些信号产生的谐波和各种互调、交调频率可以通过天线向四周辐射电磁干扰：在电子仪表及控制系统内部，由于电压、电源的突变，元件安装的位置、配线阻抗、振荡电路互连、元件或电路的耦合等也会造成电磁干扰；由于车载微机系统安装空间狭小，布线复杂，各种线缆如电力线、信号线、控制线等布线十分密集，而各种线缆中信号强度差别较大，敏感度不同，很容易引起相互问的干扰。外部电磁噪声是指自然界及各种外部电器设备所辐射的电磁噪声，如雷电、无线电雷达、导航系统、广播电视系统、瞬态开关、换向装置、气体火花放电器、电晕放电、接触电位器、正弦波信号源、非正弦波信号源、电磁脉冲等。

微机设备内部有许多大规模集成电路芯片，其中包括TTL高速数字逻辑元件和CMOS高功能化元件，每个元器件，每根导线都流着不同的电流，从而在其周围产生大大小小的电磁场，由于计算机工作频率在几兆赫到上百兆赫，所以辐射和耦合造成相互干扰。当设备处于高速工作状态时，它们不仅是电磁干扰的辐射源，同时也是被干扰的对象。

2.2干扰形成与传递

如果干扰信号的波长又比被干扰的对象结构尺寸小，或者干扰源与被干扰者之间的距离>波长/2Ⅱ时，干扰信号可以认为是辐射场，它以平面电磁波形式向外辐射电磁场能量进入被干扰对象的通路。干扰信号以漏电和耦合形式，通过绝缘支承物为媒介，经公共阻抗的耦合进入被干扰的线路、设备或系统。当干扰信号的波长比被干扰对象的结构尺寸长，或者干扰源与干扰对象之间的距离>波长/2Ⅱ时，干扰信号可以认为是似稳场，它以感应场形式进入被干扰对象的通路。干扰信号可以通过直接传导方式引入线路、设备或系统。

就车载微机系统而言，电力线与信号线、强信号线与弱信号线之间的于扰主要就是通过电场耦合形式传播；电源变换器、卫通天线的驱动电机等设备产生的电磁干扰主要就是通过低频磁场耦合的形式传播；系统若接地不完善，或接地电阻过大，不同回路的电路就会通过公共接地电阻形成相互间的干扰。卫通、超短波、遥测等无线设备发送的射频信号通过天线在空间的电磁耦合属于天线对天线耦合，频率源、变频器、混频器等器件通过屏蔽体、按键和显示表头的缝隙以电磁辐射的形式对信号线的干扰属于场对线耦合，而两根平行导线之间的高频信号感属于线对线耦合。

为了解决微机设备在装备车辆上应用和推广中的电磁干扰问题，根据以上的分析，我们主要采取以下措施进行电磁干扰的防护。

3.1电源滤波

滤波是信号处理中的一个重要概念。滤波分经典滤波和现代滤波。经典滤波的概念，是根据傅里叶分析和变换提出的一个工程概念。根据高等数学理论，任何一个满足一定条件的信号，都可以被看成是由无限个正弦波叠加而成。换句话说，就是工程信号是不同频率的正弦波线性叠加而成的，组成信号的不同频率的正弦波叫做信号的频率成分或叫做谐波成分。只允许一定频率范围内的信号成分正常通过，而阻止另一部分频率成分通过的电路，叫做经典滤波器或滤波电路。

微机设备系统中均采用体积小，效率高的开关电源，而开关电源的整流谐波、开关频率及其谐波，以及在开关转换中所固有的高速电流和电压瞬变将对电子系统造成严重干扰，其干扰频率在30kHz~30MHz.因此必须在电源变换的输入端和输出端加电源滤波器，并且滤波器的输入端和输出端引线还要求隔离，防止通过辐射耦合影响滤波器对干扰信号的抑制能力。输入端加电源滤波器的目的主要是抑制电源AC端输入的高频干扰信号对本系统的干扰，输出端加电源滤波器的目的主要是防止本系统产生的电磁干扰通过公共的电源通道传导到其它电子系统中。并采用数字信号线滤波器消除信号线中的高频电磁干扰，主要方法是采用高频吸收电容器或EMI吸收环。具体作法是在数字信号线的输入端接上高频吸收电容，用于吸收从数字信号输入端传入的电磁干扰，也可以在数字信号线的屏蔽层上套一圈EMI吸收磁环。

良好的滤波电路，置于前级可使大多数因传导而进入系统的干扰噪声消除在电路系统的入口处。电源滤波器需要消除的干扰有差模干扰和共模干扰，差模干扰是由汽车电子系统中产生的谐波和各种尖峰脉冲du/dt及dildt引起的，而共模干扰则是空间电磁波辐射到车架上引起的，由于电源负极与车架相连，而车架与地绝缘，其电源系统是浮地系统，地线容易受到共模干扰。

整个系统采用分立式供电方式。不是统一变压整流、滤波后供各部分使用，而是变压后直接送各部分整流、滤波、稳压，这样就减少了集中供电的危险性，又提高了电源的质量，增大了散热面积。此外，把主机与外设分为一类供电方式；把空调、照明等分为另一类供电方式，避免辅助设备工作时。通过电源供电对信号设备产生干扰。

3.2硬件看门狗电路防止干扰。

采用单稳态触发器NE555作为微机看门狗电路；当系统工作正常时，看门狗电路不起作用，当系统运行不正常时，80C51的P1.1引脚不能给定时器送去触发脉冲，这时NE555中单稳态触发器就输出脉宽大于4US负脉冲，经F6反相后加至80C51的复位端，使系统可靠的复位，这样可防止因外界干扰引起的程序跑飞，使微机程序正常运行，见图1.

3.3软件防护

微机设备的软件抗干扰主要是稳定内存数据和保证程序指针。微机是一个可编程控制装置，软件可以支持和加强硬件的抗干扰能力。微机系统中随机内存RAM主要用于数据的暂时存放，空间较小，对存放的数据而言，若将采集到的几组数据求平均值作为采样结果，可避免在采集时因干扰而破坏了数据的真实性；如果存放在随机内存中的数据因干扰而丢失或者数据发生变化，可以在随机内存区设置检验标志；为了减少干扰对随机内存区的破坏，可在随机存储器芯片的写信号线上加触发装置，只有在CPU写数据时才发当干扰窜入微机系统使程序跑飞失控后，失控的程序可能会落在工作程序的ROM区内任意地址上，这时可采用指令冗余的方法来使程序走向正轨，其原理是，在数据的存储、变换、加工和传送过程中，采用特定的数据编码对测量数据信息进行校验，从而发现其中的错误。在程序执行过程中，一旦发现错误，就重新执行被破坏的现行指令。此外程序计数器还要退回一步，以便再次执行该指令如果故障是瞬时性的，在指令重复执行期间错误可能不再出现，程序继续向前运行。

当跑飞的失控程序落到非工作程序的ROM区时，应采用软件陷阱的方法使程序进入正轨。在程序的适当地方加一些陷阱语句和陷阱出口语句，这些语句不影响程序的正常运行。在计算机、单片机受到强电磁干扰时，程序可能死锁。当程序运行一旦落入预设的陷阱中，因陷阱出口是设计者预先设定的，因此程序也就进入了可控阶段，如果陷阱出口即系统程序自恢复的入口，则系统程序就可以重新自动恢复正常运行。

当程序失控后，失控的程序往往会进行非法写操作，使有用的信息丢失。如何恢复系统的重要信息。重新进入正常的工作状态，是一个非常重要的问题。由抗干扰措施引起的复位操作应采用"热启动",为使热启动顺利，首先要关中断，将所有I/O设备设置为安全状态，封锁I/O操作，以免造成更严重后果，然后再进行信息的恢复和状态的重入工作。为保证系统实现无扰动地重入正常运行状态，必须保证重要数据的正确性，即要防止失控程序对RAM的非法写操作，这时需要给 RAM增加锁定信号，实现锁定保护，从而保证了数据恢复的可靠性。

4.结束语

采取以上措施开发的车载微机系统能够在装备车辆上极为恶劣的电磁环境下正常工作。总之，汽车内电磁干扰及其产生的影响是重大的，关系到汽车安全可靠性。人们应该意识到现代电子化汽车中出现的许多新问题，在相当程度上与电磁干扰的影响有关。实际中，采取适当的干扰抑制措施，同时提高汽车电子电器部件的电磁抗扰特性，可以有效地提高汽车运行可靠性。