摘要：分析了車載監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)中的電磁干擾信號(hào)，論述了電磁騷擾源、騷擾途徑和敏感設(shè)備的物理特性，建立電磁兼容的模型。根據(jù)分析和計(jì)算，進(jìn)行了電磁兼容預(yù)測(cè)，通過(guò)隔離、屏蔽、接地、濾波等逐次進(jìn)行符合設(shè)備電磁兼容規(guī)范的電磁兼容性設(shè)計(jì)，最終達(dá)到了符合電磁兼容性規(guī)范的設(shè)計(jì)要求。 關(guān)鍵詞：車載監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng) 電磁兼容 耦合度 電磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility),按GB/T436 5-1 995定義為：設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備的數(shù)量及種類不斷增加，工作頻率不斷提高，電磁環(huán)境日益復(fù)雜。在這種復(fù)雜的電磁環(huán)境中，如何有效地減少相互間的電磁影響，使各種設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需要在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開始時(shí)就考慮電磁兼容性的問(wèn)題。在設(shè)計(jì)定型、系統(tǒng)綜合集成后，發(fā)現(xiàn)電磁兼容問(wèn)題再重新調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，必須會(huì)帶來(lái)更多的困難，造成研發(fā)時(shí)間和成本的雙重浪費(fèi)。 近年來(lái)，隨著汽車微電子裝備的大量增加，半導(dǎo)體邏輯器件對(duì)電磁干擾敏感度相當(dāng)高，加之汽車線速與有關(guān)高場(chǎng)強(qiáng)頻段的波長(zhǎng)可以比擬，這些頻段存在對(duì)車載電子系統(tǒng)造成強(qiáng)烈電磁干擾的隱患；車載電磁低電壓、大電流負(fù)載特性使其開關(guān)過(guò)程在供電線路上產(chǎn)生很多脈沖干擾，進(jìn)一步惡化了電磁環(huán)境。因而，在實(shí)際并不十分復(fù)雜的汽車電器設(shè)計(jì)中，電磁兼容設(shè)計(jì)通常成為設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。 為了實(shí)現(xiàn)電磁兼容，要從電磁騷擾源、電磁騷擾傳播特性、敏感設(shè)備抗干擾能力、測(cè)量設(shè)備、測(cè)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(gè)方面考慮。在實(shí)際應(yīng)用中，從預(yù)測(cè)入手，對(duì)噪聲源、噪聲接收電路、耦合通道等幾方面進(jìn)行分析。在準(zhǔn)確測(cè)量的基礎(chǔ)上，建立恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型并根據(jù)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(dá)到電磁兼容設(shè)計(jì)的最終目的。 本文以車載監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)終端設(shè)計(jì)為背景，在已有實(shí)驗(yàn)條件下，討論了電磁兼容的預(yù)測(cè)模型和計(jì)算方法，并從工程應(yīng)用方面提出了綜合設(shè)計(jì)的方法、原則，經(jīng)過(guò)實(shí)踐，滿足設(shè)備電磁兼容性指標(biāo)。 1 系統(tǒng)概述 本設(shè)計(jì)中的車載移動(dòng)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(yùn)行狀況信息等）通過(guò)無(wú)線信道發(fā)送給監(jiān)控中心，同時(shí)接收、響應(yīng)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(jī)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(gè)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(dòng)單元在儀表板前方，都是雜波較強(qiáng)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(shè)備或系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)指標(biāo)要求、實(shí)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(shè)計(jì)時(shí)遵循正確的要求和步驟，采取充分的管理保障措施，達(dá)到所希望的最佳設(shè)計(jì)水平。 系統(tǒng)的電磁環(huán)境由多個(gè)電磁騷擾源構(gòu)成。為了準(zhǔn)確地描述電磁環(huán)境，有關(guān)綜合電磁環(huán)境的計(jì)算和測(cè)量是必不可少的。電子設(shè)備的主觀任務(wù)是完成人所賦予的功能，但客觀上它在工作時(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(shè)備位置上綜合電磁環(huán)境騷擾場(chǎng)強(qiáng)符合線性疊加原理。經(jīng)過(guò)分析，在本系統(tǒng)中，雜波的來(lái)源有以下幾方面： （1）車載無(wú)線通信設(shè)備 車載無(wú)線通信設(shè)備是一個(gè)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(chǎng)強(qiáng)。該場(chǎng)強(qiáng)隨著距離的增大按照E-1/r2的規(guī)律衰減，其各個(gè)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(guò)電磁騷擾發(fā)射對(duì)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(jī)和離散輸出級(jí)產(chǎn)生的寬帶干擾； %26;#183;頻譜范圍基頻～4000MHz，車載數(shù)字計(jì)算機(jī)（各種ECU和車載辦公數(shù)字設(shè)備）產(chǎn)生的窄帶干擾。 經(jīng)實(shí)測(cè)，當(dāng)沒(méi)有去擾措施時(shí)，汽車接收天線上干擾強(qiáng)度可達(dá)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(shè)備如調(diào)頻廣播天線等。天線間的相互干擾引起接收機(jī)減敏，影響收發(fā)機(jī)的同時(shí)工作。反映這種干擾的主要指標(biāo)是天線間的耦合度和近場(chǎng)分布。因此天線間的耦合度和天線近場(chǎng)的預(yù)估是電磁兼容的一個(gè)重要問(wèn)題。通常，安裝在車輛上的線天線多涉及線面連接問(wèn)題，因此在計(jì)算時(shí)，需要采用電場(chǎng)積分方程和磁場(chǎng)積分方程相結(jié)合求解。 由于天線較細(xì)，可處理為線天線，根據(jù)文獻(xiàn)[3]，設(shè)a為天線半徑，I（ι）為線上電流，認(rèn)為電流只沿軸向分布，車載天線上的電場(chǎng)積分方程為： 通過(guò)磁矢A和位函數(shù)φ，可推導(dǎo)出導(dǎo)體面上所采用的磁場(chǎng)積分方程： n為導(dǎo)體面外法線單位矢量； R為場(chǎng)點(diǎn)（ξ，η）到源點(diǎn)（ξ，η）的距離。 對(duì)（1）式，在天線較細(xì)的情況下，將天線離散為多個(gè)短直細(xì)線，令 ，用矩量法求解時(shí)可令基函數(shù)為： 段長(zhǎng)度，ιj為第j段的中心位置，結(jié)合線段兩端電荷與電流的連續(xù)性，通過(guò)矩量法求解參數(shù)，從而得到電流。 對(duì)于(2)式，面電流可展開為： 合適的權(quán)函數(shù)，如點(diǎn)選配法、子域匹配法、最小二乘法等。計(jì)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(duì)于多天線間的耦合度計(jì)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(fù)電壓反射系數(shù)。 考慮任意激勵(lì)和加載，將天線統(tǒng)一進(jìn)行分段，各段符合疊加原理，根據(jù)歐姆定律，對(duì)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(fù)載時(shí)的短路導(dǎo)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(lì)，通道j被加載，對(duì)上述矩陣方程展開有： 實(shí)際計(jì)算兩個(gè)天線間的耦合度時(shí)，可將其等效為二端口網(wǎng)絡(luò)，如圖4。 其中， 是接收天線負(fù)載為YL 時(shí)，發(fā)射天線的輸入導(dǎo)納。 實(shí)際計(jì)算中，先對(duì)一個(gè)天線端口饋電，另一個(gè)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(yīng)的阻抗值，再按式（7）求解耦合度。對(duì)于兩天線間的耦合度，可相應(yīng)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(tǒng)中干擾傳輸?shù)膸追N基本方式有：傳導(dǎo)、輻射及其組合。 傳導(dǎo)是騷擾源與敏感設(shè)備之間的主要騷擾耦合途徑之一，按其耦合機(jī)理可進(jìn)一步分為：電阻性耦合、電容性耦合和電感性耦合。汽車中的供電線路構(gòu)成了干擾源和敏感設(shè)備之間干擾傳導(dǎo)傳輸?shù)耐暾娐愤B接，干擾信號(hào)通過(guò)供電線路可達(dá)每個(gè)用電設(shè)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(guī)律向周圍空間發(fā)射。輻射耦合細(xì)分為：天線對(duì)天線耦合、場(chǎng)對(duì)線耦合及閉合回路耦合。汽車的信號(hào)電纜長(zhǎng)度分布在0.5m～10m的范圍內(nèi)，按照1/4波長(zhǎng)到1/2波長(zhǎng)天線敏感共振原理，汽車電纜線束感應(yīng)或發(fā)送無(wú)線電干擾信號(hào)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(diǎn)火裝置寬頻干擾，既可能通過(guò)傳導(dǎo)，也可能通過(guò)輻射對(duì)汽車電子器件以及天線引入干擾。 4 敏感設(shè)備的預(yù)測(cè) 敏感設(shè)備是指受干擾影響的系統(tǒng)、設(shè)備，敏感設(shè)備對(duì)干擾信號(hào)表現(xiàn)出不希望有的響應(yīng)，確定敏感設(shè)備是進(jìn)行綜合電磁干擾設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。 對(duì)任何實(shí)際的敏感設(shè)備除具有工作頻帶外，都具有接收工作頻帶以外信號(hào)的能力。用S（Δ?0）表示相對(duì)于工作頻帶Δ?0的接收選擇性。用Si表示相對(duì)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(shè)備的通道接收電磁信號(hào)的頻率選擇模型可表示為： 將騷擾信號(hào)的頻譜分為兩部分：一部分等于敏感設(shè)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(shè)備的工作通道，對(duì)設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。當(dāng)Δ?i與設(shè)備的通頻帶相距甚遠(yuǎn)時(shí)，干擾信號(hào)將會(huì)被大大地抑制。 根據(jù)上述原則，首先應(yīng)考慮與騷擾源頻帶接近的敏感設(shè)備，這些設(shè)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(hào)頻率遠(yuǎn)離敏感設(shè)備接收通道，但也會(huì)同其他信號(hào)產(chǎn)生交叉調(diào)制。 系統(tǒng)的供電模塊與汽車電源構(gòu)成直接通路，直接受外部電壓電流波動(dòng)影響，為提供穩(wěn)定的電壓，電源應(yīng)該作為一個(gè)重要的敏感設(shè)備考慮；各天線相對(duì)其它天線既是騷擾源，又是敏感設(shè)備，特別是頻帶有重疊的各個(gè)子系統(tǒng)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(yīng)出不同程序的噪聲電壓，這影響了時(shí)鐘信號(hào)及其它重要信號(hào)的正常工作。同時(shí)，在不同的電磁環(huán)境中通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，確定汽車內(nèi)部的自生騷擾對(duì)系統(tǒng)正常工作有很大的影響。通過(guò)示波器對(duì)時(shí)鐘信號(hào)觀察表明，在沒(méi)有任何屏蔽措施時(shí)，其它車載電器的正常工作給信號(hào)帶來(lái)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(shè)計(jì) 在認(rèn)真分析了騷擾源、騷擾途徑及敏感設(shè)備的物理特點(diǎn)，并進(jìn)行了電磁預(yù)測(cè)后，就要在系統(tǒng)的整個(gè)設(shè)計(jì)中貫穿電子兼容預(yù)測(cè)的結(jié)果，做好滿足電磁兼容的工程設(shè)計(jì)工作。 在電磁兼容預(yù)測(cè)中，同一個(gè)設(shè)備既是騷擾源同時(shí)也是敏感設(shè)備。因此，對(duì)于一個(gè)實(shí)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(duì)每一騷擾對(duì)都進(jìn)行詳細(xì)的分析是難以想象的，也是不必要的。按照先粗后細(xì)的原則，提出那些能夠肯定的問(wèn)題。對(duì)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(yīng)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(shù)的弱騷擾與少數(shù)的強(qiáng)干擾分開，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(chǔ)上，通過(guò)考慮附加的騷擾抑制度來(lái)詳細(xì)處理頻率變量之間的相互關(guān)系。（3）詳細(xì)預(yù)測(cè)：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(yù)測(cè)：考慮周圍發(fā)射—接收的調(diào)制特性和響應(yīng)特性，計(jì)算接收輸入端的潛在騷擾、信號(hào)電平及接收機(jī)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(shè)備的正常運(yùn)行，設(shè)計(jì)中對(duì)位于工作頻帶之外的信號(hào)都采用各種措施加以抑制，從而保證工作頻帶上的信號(hào)都具有良好的接收能力。 依據(jù)防護(hù)措施在實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)，最后對(duì)各層次的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行綜合。具體包括元件的選擇、印制板的設(shè)計(jì)、接地設(shè)計(jì)、屏蔽設(shè)計(jì)和濾波設(shè)計(jì)。 首先，對(duì)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(hù)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，無(wú)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(dòng)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(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(tǒng)安裝在儀表板下方，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)整個(gè)PCB板及連接頭采用了良好的屏蔽措施，設(shè)計(jì)了屏蔽機(jī)箱，機(jī)箱外接電纜進(jìn)入箱體之間均加以濾波。連接頭采用信號(hào)針與地針交錯(cuò)分布的排列方式。采用上術(shù)屏蔽措施后，試驗(yàn)時(shí)用示波器觀察，毛刺信號(hào)明顯變小。 對(duì)于天線間的相互干擾，在元器件選型時(shí)盡量使其工作頻帶沒(méi)有重疊，針對(duì)各個(gè)不同車型，設(shè)計(jì)中充分利用車體外形的遮擋效應(yīng)，通過(guò)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(shè)計(jì)階段，定義各子模塊時(shí)，盡量避開工作頻帶相近的各模塊同時(shí)工作，提出合理的調(diào)度算法。從軟件上輔助實(shí)現(xiàn)電磁兼容。 接地是電磁兼容設(shè)計(jì)的一個(gè)重要部分，接地的原則是為電路或系統(tǒng)提供一個(gè)參考的等電位點(diǎn)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(shè)計(jì)時(shí)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(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。