電容式離手檢測方向盤BCI失效整改研究

吳鳳占

（采埃孚汽車科技（上海）有限公司，上海 201814）

隨著汽車輔助駕駛以及自動駕駛高速發展，越來越多的車上開始實現封閉道路或者特定道路的車輛自動駕駛功能，例如日產CIMA平臺在2001年的時候就在量產版英菲尼迪Q45上首次搭載了車道保持功能，使駕駛員可以部分時間手不在方向盤上。后續更多的功能，例如自適應巡航ACC、自動制動輔助AEB和自動泊車APA也陸續廣泛地應用到汽車系統中，在這些輔助駕駛中，車輛都需要檢測駕駛員的手是否在方向盤上還是手已經離開方向盤，因此可以檢測手持/離手的方向盤就應運而生。

在離手檢測方向盤的應用中，最常見的解決方案為電容式離手檢測方向盤，通過布置不同種類的電容傳感器在方向盤上，經過控制器處理方向盤的電容充放電信號來檢測駕駛員是否手握方向盤。電容式方向盤的一個最大難點在于難以控制和解決EMC干擾問題，尤其是傳統的大電流注入類抗干擾試驗，由于干擾源產生的寄生電容和電容式方向盤的實現方式有重疊，所以經常導致電容式方向盤難以通過EMC抗干擾試驗，本文研究了多種電容方向盤的失效表現，提出一種解決電容方向盤BCI測試失效的工程方法。

1 電容式離手檢測（HoD）方向盤

1.1 電容式離手檢測方向盤組成

目前針對駕駛員手持方向盤以及方向盤離手檢測的需求，主流的實現方案是采用電容式傳感器墊子布置在方向盤的輪緣周圍，由于大部分的方向盤骨架為鑄鋁結構，經過1次發泡以后，將帶有加熱功能或者離手檢測功能的傳感器墊子包覆在方向盤輪緣上，然后經過2次發泡，產生一定的間隙，最后再將表面皮革包覆在方向盤周圍，便形成了最終的方向盤成品。主要的方向盤構成如圖1所示。

圖1 電容式方向盤輪緣構成

離手檢測方向盤的電容傳感器墊子設計，一般采用表面銅絲圖案布置方式，將細銅線在軟性皮革上進行一定圖案的走線，通過不同的圖案繪制形成不同的傳感器區域，實現單區/多區方向盤的設計，將銅絲的圖案布置完成后，將銅線固定在軟性皮革上，最后將末端的銅線引出到控制器端，就形成了一個完整的傳感器檢測系統。典型的電容傳感器感應墊子如圖2所示。

圖2 電容傳感器感應墊子

1.2 電容式離手檢測方向盤檢測原理

通過布置不同區域的銅絲圖案，不同區域就形成了不同的傳感器，然后在傳感器墊子下方布置保護層，保護層Guard有一個分布電容，而傳感器Sensor層也形成了一個分布電容，因此當沒有手觸摸方向盤時，整個電路相當于Cguard和Csensor的串聯回路，此時通過開關控制器內部的微開關，接通控制器內部的電流源，形成一個穩定的電容充電放電回路。通過測量分布在電容兩端的電壓，可以計算出目前Csensor的容值大小。當有人手觸摸在方向盤的表面上時，由于人體是良導體，整個人手的電容相當于并聯在Csensor端，形成一個Csensor+Chand的電容，同時Csensor+Chand的電容與Cguard電容串聯，繼續與ECU內部的上拉電源進行充放電，最終通過測量Csensor的電壓值來檢測目前是否有人手觸摸在方向盤上。整個電容式方向盤的等效電路如圖3所示。

通常情況下，當沒有手握住方向盤時，整個系統的電容值處于一個穩定的狀態，Csensor和Cguard可以通過系統設計，做成容值相等的2個傳感器墊子，例如通常設置成55pF左右的電容傳感器墊子，此時通過如下公式可以得出通常情況下，Vsensor處可以得到一個1/2Vdd左右的等效電壓。

當人手接觸到方向盤時，方向盤Guard傳感器相當于并聯了一個人手的電容值，根據人體靜電場模型，人手的電容大概30pF左右[1]，那么式（1）變換成：

可以算出當人手觸摸在方向盤上時，Sensor兩端采集的電壓有明顯下降，通過觸摸與非觸摸方向盤時Sensor兩端明顯的電壓下降ΔV，即可檢測出目前人手觸摸方向盤的情況。

2 大電流注入BCI測試介紹

對于整車零部件的電磁兼容（EMC）測試，通常分為電磁干擾（EMI）和電磁敏感度（EMS）兩大類，而在電磁敏感度EMS中，又分為傳導騷擾、輻射騷擾和靜電等。在EMS試驗中，有一項重要的傳輸線騷擾測試項目——大電流注入測試（BCI）。大電流注入測試最早是波音公司用來測試設備的電磁兼容問題，后來英國的國防標準59-41以及美國軍標MIT-STD-462D陸續引入了該標準，用于測試電子設備的低頻輻射場的敏感性問題[3]。

由于大電流注入測試方式不需要高功率的功率放大器，而且不需要在電波暗室進行，因此BCI測試被眾多的整車廠商定義為必須的EMC測試試驗項目。大電流注入是使用注入探頭將共模騷擾噪聲耦合到傳輸線纜上，傳輸線將共模噪聲傳導到電子控制器或者設備內部，通過實時監控電子控制器或者產品的工作狀態，來實時檢測BCI試驗時設備工作是否受到了影響。

2.1 BCI測試流程

大電流注入法的試驗布置如圖4所示，針對“閉環法”測試，按照ISO 11452-4國際標準定義[5]，測量線束的長度為1500mm，測試頻率為1～400MHz，測試線束一般采用整車線束定義，測試CBCI時，DUT所有的線束都要置于探頭內部，測量DBCI時，除電源回線以外的所有線束都要置于探頭內部。測試環境應保證一個穩定的地平面，地平面可以使用金屬或者銅導體進行模擬，整個地平面的厚度不小于0.5mm，地平面和屏蔽室或者屏蔽墻體之間的阻抗應不超過2.5mΩ。

圖4 典型的BCI測試試驗布置

測試時測試線束應該保持筆直，測試線束和測試設備應該置于一個不導電的絕緣塊上，絕緣塊平面與地平面應至少有50mm間隙，線束應該放置在50mm±5mm的絕緣塊上。測試時，注入探頭應當放置在距離EUT 900mm±10mm處，監控探頭放置在距離EUT 50mm±10mm處，兩者之間的距離為850mm。注入探頭連接到信號源與功率放大器以提供注入信號，注入探頭應該放置在距離測試設備150mm、450mm、750mm處的3個位置進行測試。監控探頭連接到功率計或等效設備，用以測量注入到線束中的電流。所有系統的阻抗均為50Ω。

另外，按照ISO 11452的執行標準，電流注入分為不同的等級，不同的電流注入等級對應不同的功能驗收狀態，因此需要根據產品的設計來判斷整個實驗中產品的受干擾狀態，綜合判斷當前產品的功能狀態是否滿足要求。根據客戶的EMC測試標準，HoD方向盤產品屬于失效出現后影響客戶駕駛行為的產品[6]，因此整個BCI測試的執行標準按照FIC（Functional Importance Classification）-C的標準分類執行。圖5為BCI測試的電流注入等級以及狀態要求，其中Status I表示DUT在施加干擾期間和之后，能夠按照規定的狀態執行。Status II表示DUT在施加干擾期間不能按照規定的狀態運行，但是在測試結束以后能夠自動恢復正常。對于方向盤的離手檢測功能，HoD方向盤需執行Status I標準。

圖5 BCI測試的電流注入等級以及狀態要求

2.1.1 BCI測試的等效模型

BCI測試時，被測樣件的測試線束會放入耦合鉗中進行測試，電流注入鉗被信號源注入射頻信號，射頻信號流過耦合鉗在耦合鉗內部產生交變磁場，被測線束和地平面在交變的磁場作用下感應出分布的激勵[7]，即完成了大電流測試的干擾過程。通常的干擾會通過耦合的方式注入到被測產品中，常見的線束耦合方式分為電感耦合、電容耦合以及阻性耦合。試驗中，電流注入鉗、干擾線束及地平面構成了一個測試系統[8]，通過對電流注入探頭的物理模型分析，可以得到大電流注入的集總電路解析模型，如圖6所示。

圖6 電流注入鉗與耦合區間集總電路模型

圖6中L11為被測線束在電流注入鉗夾具內的等效電感，C2S、C2E為測試線束在電流注入夾具內的等效電容，其值可以由如下公式計算所得。

式中：μ0——真空環境的磁導率常量，μ0=4π×10-7H/m；ε0——真空環境的介電常數常量，ε0=8.85×；rinp——電流注入鉗外殼的內表面半徑；rc——中心導體的半徑；W——電流注入鉗的厚度。

由集總參數模型可以得知，對于匝數為N的電流注入鉗，電流注入鉗與被測線纜之間的互感為：

式中：μr——注入鉗磁芯材料的相對磁導率，如圖7所示；μ0——真空環境中磁導率，常量，μ0=4π×10-7H/m；W——電流注入鉗磁芯的厚度；D——電流注入鉗的外徑[9]；d——電流注入鉗的內徑。

圖7 磁芯材料相對磁導率

同時，可以得到AA’端口的戴維寧等效電壓與等效阻抗為：

式中：URF、RS——信號源及其內阻；LN、CN——電流注入鉗N型連接器的等效電感和電容；CW——電流鉗與被測線束產生的寄生電容。

實際測試中，干擾往往非單一的因素影響，需要綜合考慮實際BCI測試中電容耦合、電感耦合的影響。電感耦合[10]在干擾中往往表現為干擾電壓串聯在被干擾回路上，而電容耦合往往表現為干擾電壓并聯在被干擾回路上。因此在計算靠近干擾源的近端干擾電壓和遠端干擾電壓時，需要考慮電容耦合在近端干擾與被干擾電路的電流方向相同，而電感耦合出現的耦合電流與被干擾電路的電流方向相反[11]。遠端干擾則反之。

近端干擾電壓為：

遠端干擾電壓為：

其中

式中：UZQ——AA’端口等效激勵電壓；R1S——信號源端的阻抗，通常為50Ω；R1E——注入鉗帶狀線圈的總阻抗[12]；M——電流注入鉗與被測線纜之間的互感系數；W——電流注入鉗磁芯的厚度；R2S——信號源的近端阻抗，可以通過設備手冊查詢獲得；R2E——被測器件對搭鐵的遠端阻抗，可以通過測量的方式獲得。

2.1.2 BCI測試的一般法則

在做BCI抗干擾試驗時，被干擾器件往往表現為被遠端干擾電壓影響，當注入鉗與干擾線束產生容性耦合和感性耦合時，干擾源的頻率越高，整個系統的容性耦合就越強[13]，同時，被干擾設備的接收電路阻抗越高，則感應耦合的電容也越大，干擾源與接收器之間的分布電容C2S、C2E越大，干擾耦合電壓也越大。而對于感性耦合而言，干擾電流越大，產生的磁場也越大，感性耦合就越大，同時線與耦合鉗以及線與線之間的距離越近，回路之間的互感也就越強，感性耦合產生的干擾電壓也越大。

3 離手檢測方向盤BCI測試

BCI測試為整車零部件電磁兼容試驗的必測項目，離手檢測方向盤一般需要整個盤體總成參與BCI試驗，試驗過程中會取下駕駛側方向盤氣囊（DAB），以防止氣囊部件對整個試驗的影響，另外杜絕氣囊在試驗過程中誤點爆的隱患。

3.1 大電流注入的試驗布置

按照測試要求，整個試驗布置按照如圖8所示，其中需要保證測試線束1.5m，同時方向盤所有的線束需要都接出。

圖8 BCI測試試驗布置

按照目前方向盤的設計，線束中包括多功能開關電源線、通信線、加熱控制器電源線、喇叭線束及離手檢測控制器電源線等，試驗過程中需要將所有的線束接出[14]。同時使用一個銅箔片纏繞在方向盤輪緣上，使用夾具夾持住銅箔，用來模擬人手觸摸的情況，試驗的測試模式為II.d（模擬人手1s觸摸方向盤，1s松開方向盤）。

試驗上位機設置為監控離手檢測式方向盤3個感應區域（左、右、內）的感應強度值，另外監控整個測試過程中的觸摸狀態值[15]，以及測試時方向盤上的錯誤信號。通過試驗室內部的光耦線將通信LIN線接到實驗室外部的監控設備上。

3.2 大電流注入的試驗結果

經過BCI測試，整個系統一開始就經常發出系統臨時性錯誤，但是錯誤可以復歸，同時內、左區開始出現觸摸強度的變化，但是沒有引起觸摸狀態的改變，但是在CBCI大約11MHz的干擾頻率時開始出現混亂的觸摸強度值，然后出現不可復歸的觸摸狀態值，試驗結果判定為失效。試驗結果如圖9所示，實驗數據采集通過Vector的CANoe 12軟件配合上位機的信號設定，將3個傳感器的CVD值通過固定的LIN信號周期發出，上位機通過讀取CVD的變化判斷是否影響了觸摸狀態。

圖9 BCI測試試驗結果

3.3 大電流注入試驗失效分析

3.3.1 實驗波形分析

通常整改EMC試驗失效主要從去除干擾源、解決傳播路徑、定位敏感設備3個方面入手。整個BCI測試干擾源是固定的磁環發射設備，因此沒有辦法更改。BCI測試的磁環是非接觸式注入干擾，并且和測試設備保持固定的150mm距離，而注入電流鉗外部形成磁場，通過之前2.2章節的分析可以看出主要干擾耦合都是通過線束傳播，因此傳播途徑可以鎖定為測試線束耦合，最后敏感設備定位，電容式離手檢測方向盤為容性敏感器件，因此初步可以判斷離手檢測控制器和傳感器為敏感設備。

通過對測試線束的分析和整改，發現不同的線束布置無論是CBCI還是DBCI均出現相同現象的失效，因此線束單根被耦合干擾可能性很低，因此逐步排查線束上的信號質量。

通過排查控制器上的信號曲線，發現控制器輸入端以及傳感器接口的信號伴有周期性的干擾脈沖，干擾脈沖如圖10所示。檢查地平面波形，發現有同樣周期性的干擾波形出現，結合傳感器的硬件結構和布置，可以看出地平面對信號波形有較大的影響。

圖10 傳感器信號干擾波形

通過波形說明整個BCI失效中的干擾在地平面上產生較大的影響，同時異常波形的出現影響到了電路內部ADC的模擬采樣，因此給到HoD控制器一個相對干凈的地平面會對BCI實驗的結果產生影響。

3.3.2 干擾路徑分析

通過實驗設置排查，整個系統的電氣連接如圖11所示，測試線束通過時鐘彈簧進入離手檢測控制器，同時離手檢測控制器的底線連接方向盤骨架[6]。從整個實驗中可能發生的干擾展開分析，干擾分為兩個走向，通過線路1經過時鐘彈簧干擾到離手檢測控制器，通過信號通路2由線束的搭鐵線傳導到方向盤骨架上，由方向盤骨架耦合到離手檢測傳感器墊子，由傳感器墊子反饋到離手檢測控制端[6]。

圖11 BCI干擾路徑分析

針對每條干擾路徑嘗試進行單獨分析。干擾路徑1涉及到時鐘彈簧、HoD控制器和HoD傳感器墊，HoD的線束接口為唯一可以注入干擾的接口。信號通路2可以通過嘗試不接方向盤總成，只使用HoD控制器加傳感器墊子測試來驗證。

4 BCI失效的整改

通過對實驗線束（傳播路徑）以及被干擾對象（HoD控制器、HoD傳感器墊）的分析，發現干擾路徑2中方向盤骨架的電氣連接GND線移除后，將GND線與實驗室銅板大地連接到一起后，實驗效果有明顯的改善，如圖12的實驗設置，說明傳導通路2在實驗中起到主要傳導干擾作用。同時將給到HoD控制器的干擾盡快泄放到大地，可以明顯減小BCI的注入干擾對控制器的影響。

圖12 BCI實驗設置

通過使用CANoe 12進行實驗過程中的數據采集，得到如圖13所示的實驗測試數據。

圖13 BCI測試實驗數據

通過實驗數據可以看出，實驗的CVD數據以及觸摸狀態的數據已經開始保持穩定，無明顯的跳變，說明方向盤骨架搭鐵對于整個系統穩定性的影響產生了關鍵作用。

因此針對傳導通路2的改善方法，將原本連接到骨架的GND線繼續做加強，同時保證阻抗小于5mΩ，另外保證方向盤骨架與轉向管柱有良好的電氣連接，整個GND線的阻抗通路＜10mΩ。

針對干擾路徑1中被干擾的HoD控制器和HoD的傳感器墊子分別進行防護處理：增大傳輸阻抗，減小對地通路。具體做法為：在HoD控制器與傳感器墊子中間串聯電感，如圖14所示，進而減小低頻信號的干擾。

圖14 HoD控制器整改

實驗中采用33μH的電感串聯在傳感器墊子與控制器之間，通過測試發現，實驗結果有明顯的改善，同時上層應用軟件未報任何異常。

通過使用Vector的CANoe工具重復捕捉LIN總線上的數據，如圖15所示，可以看到整個實驗過程中，3個區域的CVD變化幾乎不受影響，另外由CVD計算出的觸摸狀態沒有發生變化，實驗符合功能要求的預期。

圖15 BCI測試通過波形

為了避免解決了BCI的測試失效問題的同時又影響了其它EMC實驗項目的測試結果，針對整體的EMC測試項目進行了重復測試，測試的項目見表1。通過測試結果可以看出，BCI實驗失效的整改沒有影響其它的EMC測試結果，整個BCI失效的整改方案達到了預期要求。

表1 EMC測試實驗項目和結果

5 結論

本文通過對BCI注入模型的搭建與分析，詳細分析了整改BCI實驗中的電氣等效模型，找出了BCI實驗中關鍵的影響因子，并對關鍵影響因子進行分析和論證，找到整改BCI實驗的一整套方法。

針對電容式方向盤在BCI實驗中容易出現失效的原因進行分析，通過對騷擾源、干擾路徑及被干擾設備的分析，找出了電容式方向盤中最易受BCI實驗影響的因素。通過對干擾路徑1與干擾路徑2的分析與整改，達到了實驗的預期要求。