汽車制動(dòng)性能測(cè)試系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)

馮如只，李明剛

（河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 451191）

汽車制動(dòng)性能測(cè)試系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)

馮如只，李明剛

（河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 451191）

針對(duì)測(cè)試系統(tǒng)在采集信號(hào)過程中容易受到外界干擾從而影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性問題，本文對(duì)系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。從硬件和軟件兩個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了抗干擾設(shè)計(jì)，通過對(duì)硬件和軟件兩個(gè)方面采取抗干擾設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的性能得到了很大的提高。此方法為信號(hào)的特征提取、相關(guān)性分析提供了有效的方法和途徑。

汽車；測(cè)試系統(tǒng)；濾波器；抗干擾

CLC NO.: U467.14 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2014)09-23-03

引言

汽車制動(dòng)性能檢測(cè)系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)、檢測(cè)設(shè)備、電子單元、電子線路等組成的一個(gè)有機(jī)整體。由于試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較惡劣，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，不可避免地要受到一些外界因素和內(nèi)在因素的干擾，從而產(chǎn)生測(cè)量誤差，影響測(cè)量結(jié)果的精確度。這些干擾極易入侵計(jì)算機(jī)，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性造成了極大的影響，最終使得測(cè)試過程中斷或者失敗，因此，抗干擾設(shè)計(jì)是開發(fā)測(cè)試系統(tǒng)過程中必須重視的一個(gè)環(huán)節(jié)。不少學(xué)者進(jìn)行了很多硬件的抗干擾設(shè)計(jì)，例如屏蔽、接地、濾波，軟件的抗干擾設(shè)計(jì)方面多采用中值濾波、平均值濾波消除干擾[1]。本文在硬件抗干擾設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上使用低通濾波器和軟件延時(shí)等措施可以較好地消除噪聲的干擾，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1、干擾的危害及產(chǎn)生干擾的原因

1.1 干擾的危害

由于制動(dòng)性能檢測(cè)是在室外進(jìn)行的，環(huán)境比較復(fù)雜，各種噪聲都會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。干擾對(duì)系統(tǒng)造成的影響如下[2][3]：

（1）數(shù)據(jù)采集誤差比較大

數(shù)據(jù)采集通道受到外界干擾時(shí)，一些噪聲疊加在原始信號(hào)上，增大了數(shù)據(jù)采集誤差。當(dāng)數(shù)據(jù)采集通道是小電壓輸入時(shí)，這種現(xiàn)象就非常嚴(yán)重，噪聲會(huì)淹沒所采集的原始信號(hào)。

（2）數(shù)據(jù)被篡改

采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在RAM中，在干擾的作用下，RAM中的數(shù)據(jù)可能被篡改。由于入侵渠道和受干擾信號(hào)的性質(zhì)不同，干擾對(duì)系統(tǒng)損壞的程度也不同。

（3）程序運(yùn)行失常

強(qiáng)烈的干擾會(huì)改變程序計(jì)數(shù)器PC值，在錯(cuò)誤PC值的引導(dǎo)下，程序極易“跑飛”，執(zhí)行一些其他的指令，造成系統(tǒng)失控。

（4）控制狀態(tài)錯(cuò)位

通常控制信號(hào)輸出幅度比較大，不易受到干擾。但是，微機(jī)控制系統(tǒng)中，控制狀態(tài)常常是某些條件狀態(tài)的邏輯處理結(jié)果。如果干擾造成條件狀態(tài)出錯(cuò)，必然會(huì)使控制狀態(tài)出錯(cuò)。

1.2 產(chǎn)生干擾的原因

在測(cè)試系統(tǒng)的電路中出現(xiàn)的無用信號(hào)稱為噪聲。由噪聲造成的不良效應(yīng)稱為干擾，噪聲的存在是絕對(duì)的，一般情況下只能降低，難以完全消除。而干擾的存在是相對(duì)的，在滿足一定條件時(shí)，可以消除。電子測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部的干擾可以通過系統(tǒng)的正確設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)的合理布局使之減弱，甚至消除。一般來說，干擾形成有三個(gè)因素，即干擾源、耦合通道及被干擾對(duì)象。因此，在進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)之前，必須首先明確影響測(cè)試系統(tǒng)工作的干擾源、被干擾對(duì)象以及干擾源與被干擾對(duì)象之間的具體耦合方式。

（1）干擾源

凡是能產(chǎn)生一定的電磁能量，而且可能影響到周圍電路正常工作的物體或設(shè)備，都可以認(rèn)為是干擾源。干擾源一般可以分為三類：

A:自然界的：如宇宙射線和雷電等；

B:物質(zhì)本身固有的：如物質(zhì)本身所固有的熱干擾、散粒干擾和接觸噪聲；

C:外部干擾：電磁干擾、電源干擾、過程通道干擾和接地干擾。

（2）耦合方式

干擾源是通過耦合通道對(duì)儀器系統(tǒng)發(fā)生電磁干擾作用的。一般可以將耦合方式分為傳導(dǎo)耦合、電容耦合方式、電磁感應(yīng)耦合方式、漏電耦合方式四種[64]。

2、硬件的抗干擾措施

為使測(cè)試工作正常進(jìn)行，采用抗干擾技術(shù)抑制噪聲是非常必要的，若使系統(tǒng)長(zhǎng)期、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行，必須提高其可靠性和抗干擾能力。其中硬件抗干擾設(shè)計(jì)是十分重要的。本文主要在以下幾個(gè)方面采用了抗干擾技術(shù)[2][5]：

（1）屏蔽

屏蔽的意義包含屏蔽干擾源和屏蔽接收體。根據(jù)場(chǎng)的性質(zhì)不同，屏蔽一般可分為電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽和電磁屏蔽。

A:電場(chǎng)屏蔽是用來消除兩個(gè)回路之間由于分布電容的耦合所產(chǎn)生的干擾。電場(chǎng)屏蔽的作用是使電力線終止于屏蔽體的金屬表面上。

B:磁場(chǎng)屏蔽是把磁場(chǎng)限制在屏蔽體內(nèi)。屏蔽體用強(qiáng)磁材料制成，由于磁阻極小，因而干擾源的磁通大部分被限制在強(qiáng)磁屏蔽體內(nèi)。屏蔽體的磁阻越小，厚度越大，則效果越好。但是，屏蔽體的半徑越大，效果反而愈差。

C:電磁屏蔽主要用于防止高頻電磁場(chǎng)的影響。它是利用屏蔽體對(duì)電磁場(chǎng)的表面反射及電磁場(chǎng)在屏蔽體內(nèi)產(chǎn)生渦流，再利用渦流磁場(chǎng)抵消高頻電磁場(chǎng)的干擾而起到屏蔽作用的。電磁屏蔽殼體采用導(dǎo)電性能良好的金屬材料制作。

（2）接地

系統(tǒng)接地方式的優(yōu)劣，對(duì)測(cè)試結(jié)果的精度有著直接而明顯的影響。接地線易短且粗，以減少地電阻。系統(tǒng)的地線分為三類：第一類為信號(hào)地，它包括小信號(hào)加回路、邏輯控制電路的信號(hào)地；第二類為功率地，它包括繼電器、電磁閥、大電流驅(qū)動(dòng)電源等大電源、大功率電路的地；第三類為機(jī)殼地，包括設(shè)備機(jī)架、機(jī)柜等金屬結(jié)構(gòu)地。這三類分別自成系統(tǒng)，最后才匯集于一點(diǎn)并與大地相連，使整個(gè)系統(tǒng)地處于地電位。

（3）消除電源干擾

一般來說，模擬電路對(duì)電壓的穩(wěn)定性要求比數(shù)字電路高，并且數(shù)字電路的電源中存在更多更大的瞬態(tài)脈沖，所以應(yīng)該將模擬電源與數(shù)字電源的供電線路完全分開，其處理方式同模擬地與數(shù)字地的處理方法。

（4）輸入RC濾波器。

濾波器是利用電容兩端的電壓不能突變的特性做成的。由于本系統(tǒng)中的信號(hào)頻率基本集中在低頻段，所以在A/D采樣通道中采用低通濾波器抑制干擾。從壓力傳感器輸出的信號(hào)及進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)都通過低通濾波器消除串模干擾。

3、軟件的抗干擾措施

在實(shí)際應(yīng)用過程中，一些干擾信號(hào)常常是瞬時(shí)存在、時(shí)間間隔不確定、傳播途徑不清楚、用純硬件的辦法消除干擾很困難，而用計(jì)算機(jī)軟件的辦法能更好地削弱這類干擾的影響。使用軟件來抗干擾一方面提高了效率、節(jié)約了成本；另一方面軟件抗干擾不用改變硬件的環(huán)境，無需對(duì)干擾源精確定位，不需定量分析，靈活、方便、易實(shí)現(xiàn)。

3.1 數(shù)字濾波

數(shù)字濾波是根據(jù)干擾的性質(zhì)，采取不同的算法來提高有用信號(hào)的比重。但應(yīng)注意，必須根據(jù)信號(hào)的變化規(guī)律來選擇濾波數(shù)字模型和算法。對(duì)溫度、壓力等模擬量，可采取算術(shù)平均值濾波，因其對(duì)高斯型的噪聲濾波效果明顯；中值濾波對(duì)尖峰脈沖的干擾、階躍干擾等模擬量有效；一階滯后濾波由于采用了遞推技術(shù)，對(duì)快速的干擾源濾波有效。測(cè)試系統(tǒng)中的高頻數(shù)字信號(hào)對(duì)于模擬信號(hào)是另一個(gè)主要的干擾因素，常采用低通濾波抑制外部高頻干擾。

3.2 軟件延時(shí)

雖然采用硬件抗干擾措施的可靠性比較高，但其成本比較高。故本系統(tǒng)盡量采用軟件抗干擾的方法。這種方法雖然十分簡(jiǎn)單，但卻是十分必要而有效的。

如：在儀表中系統(tǒng)一旦上電就會(huì)迅速地讀取A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換數(shù)值，但是在系統(tǒng)的上電瞬間，A/D轉(zhuǎn)換芯片的電壓還未來得及上升到穩(wěn)定的工作電壓，此時(shí)給出的轉(zhuǎn)換值常常是不正確的。因此，我們可以先延時(shí)一段時(shí)間，讓A/D轉(zhuǎn)換芯片能夠工作在正常電壓，然后讀出初始值，實(shí)現(xiàn)“去皮”的目的。在按鍵的掃描程序中，適當(dāng)?shù)难訒r(shí)是必不可少的，它可以防止人為或外界的干擾因素引起的按鍵誤動(dòng)作。

4、結(jié)果分析與討論

硬件抗干擾發(fā)展的歷史較長(zhǎng)，理論和實(shí)踐比較成熟，主要抗干擾技術(shù)有各種接地處理、屏蔽、隔離和濾波等。硬件抗干擾抑制和消除了大部分的干擾，但完全依靠硬件電路來消除所有的干擾是不可能的。軟件抗干擾發(fā)展較晚，目前還沒有形成較完善的理論。但是，利用微機(jī)的記憶、快速計(jì)算和邏輯判斷功能，從軟件方面進(jìn)行干擾抑制和消除的研究，已經(jīng)逐漸受到人們的重視。在實(shí)際應(yīng)用中，往往將硬件抗干擾和軟件抗干擾技術(shù)相結(jié)合，從而可以得到比較理想的抗干擾效果。通過對(duì)硬件和軟件兩個(gè)方面采取抗干擾設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的性能得到了很大的提高。此方法為信號(hào)的特征提取、相關(guān)性分析提供了有效的方法和途徑。

[1] 明平順. 現(xiàn)代汽車檢測(cè)技術(shù)[M]. 北京:人民交通出版社. 2001.8,1-4

[2] 沈永峰. 基于虛擬儀器的汽車綜合信息顯示系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)[D].東北大學(xué),2006.

[3] 徐光泉. 汽車制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)研制[D]. 吉林大學(xué),2005.

[4] 王幸之,王雷,霍成等. 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2001.

[5] 翟乃斌,蘇建,劉玉梅等. 車輛綜合性能網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)[J]. 江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,27(5):417-421.

The design of anti-interference for automobile braking performance test system

Feng Ruzhi, Li Minggang

（Henan Mechenical Electrical Vocation College, Henan Zhengzhou 451191）

This paper studied the system of anti- interference Based on the problems such as the measurement results are not accurate Because of interference. The performance of the system has been greatly improved by adopting anti-interference design in two aspects of hardware and software. This method provides effective method and way to analysis correlation of signal feature extraction.

automobile; test system; filter; anti-interference

U467.14

A

1671-7988(2014)09-23-03

馮如只，碩士研究生，就讀于河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院，研究方向汽車故障診斷。