汽車電子電磁場抗擾度測試方法及系統(tǒng)研究

詹思敏

（1.福州大學物理與信息工程學院，福州 350000； 2.福建省產(chǎn)品質量檢驗研究院 福州 350000）

引言

隨著社會的發(fā)展，越來越多的電子技術應用到汽車的各個系統(tǒng)中，汽車電子[1]市場隨之急速增長。車輛上增加了許多電子產(chǎn)品，它們在整車成本中的比例增長到30%甚至更高。但機動車上的任何一個電子零部件受到外界電磁干擾后引起的誤動作都將引起不可預估的破壞性，甚至危及到用戶的財產(chǎn)和生命安全。因此如何保障功能各異的汽車電子產(chǎn)品在整車復雜的電磁環(huán)境中持續(xù)穩(wěn)定地正常工作成為了世界各國的關注焦點。發(fā)達國家及相關國際組織紛紛采取積極措施，加強汽車電子電磁兼容標準及相關法規(guī)制訂，甚至將其列入市場準入制度。

1 電磁場抗擾度相關標準（見表1）

ISO 11452系列標準是目前車載電子國際通行的電磁場抗擾度標準[2-4]。ISO 11452-8[5]中規(guī)定，汽車中的發(fā)電機、輸電線路以及一些強大的電氣設備（如馬達），會產(chǎn)生強大的磁場，暴露在此磁場中的車載電子產(chǎn)品要執(zhí)行此項測試。該標準定義了15Hz～150kHz頻段磁場抗擾度的測試，最大磁場強度值可達1000（A/m）。根據(jù)樣品體積的不同，測試方法有亥姆霍茲線圈法和輻射環(huán)法。ISO 11452.3和ISO 11452.5規(guī)定了其他兩種不同的測試方法：TEM小室法和帶狀線法。本文的遠程控制系統(tǒng)涉及的頻段主要針對15Hz～150kHz。

表1 不同磁場發(fā)生裝置選型比較

2 電磁場產(chǎn)生及試驗方法

2.1 亥姆霍茲線圈法

利用任意波形發(fā)生器，通過音頻功放，讓亥姆霍茲線圈產(chǎn)生一個合適的磁場，霍爾探頭放在亥姆霍茲感應線圈中心，并適當調整方向以探測磁場強度的最大值。同時實時監(jiān)測其磁場強度值，根據(jù)高斯計的讀數(shù)適當調整任意波發(fā)生器的輸出電平以得到測試規(guī)定的磁場強度。

2.2 輻射環(huán)法

調節(jié)任意波發(fā)生器的輸出，通過功放放大后，饋入合適的輻射環(huán)天線，以產(chǎn)生所需的試驗磁場。對于大于3Hz的磁場，通過相應的監(jiān)測環(huán)監(jiān)測試驗磁場，將監(jiān)測環(huán)上的電平饋送到示波器上進行監(jiān)測；對于DC-3Hz的磁場，則利用高斯計進行監(jiān)測。

2.3 TEM小室法

TEM小室是由特性阻抗為50Ω的矩形同軸線構成，主段和兩邊逐漸減小的過渡段，均具有50Ω阻抗特性。將高頻電磁能量饋入TEM小室，在室內形成一個均勻的行波電磁場。

2.4 帶狀線法

在帶狀線一端饋入激勵功率，另一端接以寬帶匹配負載，在帶狀線裝置內形成橫電磁行波。產(chǎn)生穩(wěn)定均勻的磁場區(qū)域，主要集中在導帶的中心線附近，并且比較強。

3 系統(tǒng)的原理及框架組成

測試系統(tǒng)利用GPIB、TCP/IP、USB總線將各臺儀器相連接，通過現(xiàn)場儀表實現(xiàn)在線監(jiān)控，使用自主開發(fā)的控制軟件構成完整的電磁場抗擾度測試系統(tǒng)。測試平臺將信號發(fā)生器產(chǎn)生的干擾信號通過功率放大器放大后，利用電磁場發(fā)生裝置將該干擾信號施加在受試設備上，再通過監(jiān)測裝置監(jiān)測相關的強度值，根據(jù)反饋的電磁場強度信息適當調整信號源輸出電平以達到所需的電磁場強度。同時，利用攝像頭、拾音頭和監(jiān)控儀表實時監(jiān)測整個測試平臺的工作狀態(tài)，保障測試系統(tǒng)安全運行。系統(tǒng)框架圖見圖1～圖3。

4 測試系統(tǒng)軟件架構

4.1 開發(fā)平臺的選擇

面向對象的熱門開發(fā)環(huán)境有V C，E C L I P S,ANDROID，LabVIEW[6]等。經(jīng)過對這些軟件的比較分析，最終選用美國國家儀器公司所開發(fā)的實驗室虛擬儀器工程平臺LabVIEW 2011做為軟件開發(fā)環(huán)境。LabVIEW使用圖形化程序，采用“數(shù)據(jù)流”的概念打破傳統(tǒng)的思維模式，提供了豐富的儀器接口驅動和數(shù)據(jù)分析子程序，使得程序設計者在流程圖構思完畢的同時也完成了程序的撰寫。

測試平臺采用計算機控制，通過GPIB總線控制信號發(fā)生器的工作狀態(tài)以及不同儀表間的數(shù)據(jù)傳輸，采用智能化編程語言LabVIEW實現(xiàn)系統(tǒng)的控制、顯示與測試，實現(xiàn)標準[7-8]中規(guī)定的不同頻率間測試模式的自動切換。

4.2 系統(tǒng)設計模式

圖1 校準功能框架圖

圖2 測試軟件功能框架圖

圖3 音視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)監(jiān)測框架圖

大量的事實證明：使用設計模式可以簡化整個開發(fā)過程，更容易理解程序代碼，并可方便實現(xiàn)代碼重用。LabVIEW中設計模式主要包括數(shù)據(jù)流、主從線程模式、生產(chǎn)/消費模式、后臺服務模式、消息隊列模式、狀態(tài)機模式、用戶界面事件模式等。其中數(shù)據(jù)流編程被看成是核心編程思想。狀態(tài)機由一系列的狀態(tài)構成，在狀態(tài)機中，每一個狀態(tài)都可能導致一個或多個狀態(tài)的發(fā)生，其下一狀態(tài)是由用戶的輸入信息和當前狀態(tài)所決定的。一個好的狀態(tài)機會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可維護性。本文設計的系統(tǒng)主要應用狀態(tài)機模式、用戶界面事件模式和消息隊列模式。為了實現(xiàn)自校功能，還采用了PID閉環(huán)控制設計的方法，在系統(tǒng)中完成信號源和目標電磁場強度的自動控制功能。同時還配有CRC自校準程序，當信號源、頻率或者電平有異常時，系統(tǒng)自動糾錯并彈出提示窗口，保障系統(tǒng)的正常運行。

4.3 軟件管理模塊框架（見圖4）

圖4 軟件管理模塊框架

4.4 軟件的測試流程圖

測試流程是測試軟件的主線，根據(jù)測試需求，實現(xiàn)全頻段各臺設備的連接和參數(shù)設置，完成所需要的各種功能。具體流程圖見圖5。

4.5 軟件界面（見圖6）

圖5 軟件測試流程圖

圖6 軟件界面

5 系統(tǒng)設計難點與測試注意點

1）為了提高測試自動化[9]程度，搭建平臺的過程中選用了支持GPIB和TCP/IP協(xié)議的儀器，如何協(xié)調分配這些儀器，使它們合理有序地正常工作，給程序的編寫上增加了很大的難度。

2）測試過程中，有些監(jiān)測設備偶爾也會受到磁場的影響，為了保證平臺能夠正常運行，需要采取措施如屏蔽、接地、加磁環(huán)等對監(jiān)測設備進行電磁兼容整改，使之正常工作。

3）干擾電磁場的駐留時間應不低于樣品的響應時間，測試過程中如果發(fā)現(xiàn)樣品出現(xiàn)異常，可以手動將信號源輸出在問題頻點上，進行定點觀察。如果有需要對樣品進行整改，要先停止信號源的輸出。

4）軟件控制部分，在狀態(tài)機中加入PID閉環(huán)設計時，注意閉環(huán)判斷成功后需要把狀態(tài)重新賦值，回到用戶界面事件等待狀態(tài)，防止系統(tǒng)運行時出現(xiàn)死機現(xiàn)象。

6 結語

目前，大部分檢測機構在電磁場抗擾度試驗過程中，受試樣品工作狀態(tài)的監(jiān)控和判定都是通過檢測人員在附近觀察，高強度的電磁輻射干擾發(fā)射源對檢測人員的身體健康的影響是顯而易見的。本文設計了基于LabVIEW虛擬儀器遠程測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了測試頻段的擴充，提高了測試效率，更好地保障了檢測人員的安全[10-11]。在未來的發(fā)展過程中，汽車電子行業(yè)[12]將融入更多高科技的智能電子產(chǎn)品。汽車電子磁場抗擾度測試平臺利用了已有的儀器設備，基于labVIEW虛擬儀器技術成功實現(xiàn)了測試自動化，兼顧了標準的更新[13]，為汽車電子的測試提供有力支撐。

[1]朱玉龍. 汽車電子硬件設計[M]. 北京:北京航天航空大學出版社,2011.

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[3]丁一夫，周克生，徐立．道路車輛的電磁抗擾性試驗技術[J]．安全與電磁兼容, 2005.

[4]劉曉巖. 汽車電子控制技術[M].北京:化學工業(yè)出版社, 2009.

[5]ISO 11452-8：2007, Road vehicles - Component test methods for electrical disturbances from narrowband radiated electromagnetic energy-Part 8: Immunity to magnetic f ields, 2007[S].

[6]楊高科. LabVIEW 虛擬儀器項目開發(fā)與管理[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 2012.

[7]全國無線電干擾標準化技術委員會 編.電磁兼容標準實施指南(修訂版)[M].北京:中國標準出版社.2011.

[8]林艷萍. 汽車電磁兼容標準[J]. 安全與電磁兼容, 2002.

[9]葉華杰. 電子產(chǎn)品測試[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2012.

[10]J.W.Baum, A.V.Kuehner, R.D.Benz, A.L.Carsten. A system for simultaneous exposure of small animals to 50-Hz electric and magnetic f ields[J]. Bioelectromagnetics, 1991.

[11]K. Persson, R. Rylander, Disturbance from low-frequency noise in the environment: A survey among the local environmental health authorities in Sweden[J], Journal of Sound and Vibration, 1988.

[12]徐立．我國汽車電磁兼容技術發(fā)展狀況[J]．安全與電磁兼容, 2003.

[13]徐立. 歐盟關于汽車電磁兼容(EMC) 最新技術要求[J].汽車電器,2006.