馮如只，李明剛

（河南機電職業(yè)學院，河南 鄭州 451191）

汽車制動性能測試系統(tǒng)的抗干擾設計

馮如只，李明剛

（河南機電職業(yè)學院，河南 鄭州 451191）

針對測試系統(tǒng)在采集信號過程中容易受到外界干擾從而影響測量結(jié)果的準確性問題，本文對系統(tǒng)的抗干擾設計進行了研究。從硬件和軟件兩個方面對系統(tǒng)進行了抗干擾設計，通過對硬件和軟件兩個方面采取抗干擾設計，系統(tǒng)的性能得到了很大的提高。此方法為信號的特征提取、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

汽車制動性能檢測系統(tǒng)是由計算機、檢測設備、電子單元、電子線路等組成的一個有機整體。由于試驗現(xiàn)場環(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)生測量誤差，影響測量結(jié)果的精確度。這些干擾極易入侵計算機，對測試系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性造成了極大的影響，最終使得測試過程中斷或者失敗，因此，抗干擾設計是開發(fā)測試系統(tǒng)過程中必須重視的一個環(huán)節(jié)。不少學者進行了很多硬件的抗干擾設計，例如屏蔽、接地、濾波，軟件的抗干擾設計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計的基礎上使用低通濾波器和軟件延時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

由于制動性能檢測是在室外進行的，環(huán)境比較復雜，各種噪聲都會對系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。干擾對系統(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，一些噪聲疊加在原始信號上，增大了數(shù)據(jù)采集誤差。當數(shù)據(jù)采集通道是小電壓輸入時，這種現(xiàn)象就非常嚴重，噪聲會淹沒所采集的原始信號。

（2）數(shù)據(jù)被篡改

采集的數(shù)據(jù)存儲在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的性質(zhì)不同，干擾對系統(tǒng)損壞的程度也不同。

（3）程序運行失常

強烈的干擾會改變程序計數(shù)器PC值，在錯誤PC值的引導下，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)錯位

通常控制信號輸出幅度比較大，不易受到干擾。但是，微機控制系統(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，必然會使控制狀態(tài)出錯。

1.2 產(chǎn)生干擾的原因

在測試系統(tǒng)的電路中出現(xiàn)的無用信號稱為噪聲。由噪聲造成的不良效應稱為干擾，噪聲的存在是絕對的，一般情況下只能降低，難以完全消除。而干擾的存在是相對的，在滿足一定條件時，可以消除。電子測量系統(tǒng)內(nèi)部的干擾可以通過系統(tǒng)的正確設計和結(jié)構(gòu)的合理布局使之減弱，甚至消除。一般來說，干擾形成有三個因素，即干擾源、耦合通道及被干擾對象。因此，在進行抗干擾設計之前，必須首先明確影響測試系統(tǒng)工作的干擾源、被干擾對象以及干擾源與被干擾對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備，都可以認為是干擾源。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耦合、電容耦合方式、電磁感應耦合方式、漏電耦合方式四種[64]。

2、硬件的抗干擾措施

為使測試工作正常進行，采用抗干擾技術(shù)抑制噪聲是非常必要的，若使系統(tǒng)長期、穩(wěn)定、可靠地運行，必須提高其可靠性和抗干擾能力。其中硬件抗干擾設計是十分重要的。本文主要在以下幾個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)場的性質(zhì)不同，屏蔽一般可分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁屏蔽。

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

B:磁場屏蔽是把磁場限制在屏蔽體內(nèi)。屏蔽體用強磁材料制成，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的影響。它是利用屏蔽體對電磁場的表面反射及電磁場在屏蔽體內(nèi)產(chǎn)生渦流，再利用渦流磁場抵消高頻電磁場的干擾而起到屏蔽作用的。電磁屏蔽殼體采用導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，對測試結(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：第一類為信號地，它包括小信號加回路、邏輯控制電路的信號地；第二類為功率地，它包括繼電器、電磁閥、大電流驅(qū)動電源等大電源、大功率電路的地；第三類為機殼地，包括設備機架、機柜等金屬結(jié)構(gòu)地。這三類分別自成系統(tǒng)，最后才匯集于一點并與大地相連，使整個系統(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及進入A/D轉(zhuǎn)換器的信號都通過低通濾波器消除串模干擾。

3、軟件的抗干擾措施

在實際應用過程中，一些干擾信號常常是瞬時存在、時間間隔不確定、傳播途徑不清楚、用純硬件的辦法消除干擾很困難，而用計算機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，無需對干擾源精確定位，不需定量分析，靈活、方便、易實現(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的比重。但應注意，必須根據(jù)信號的變化規(guī)律來選擇濾波數(shù)字模型和算法。對溫度、壓力等模擬量，可采取算術(shù)平均值濾波，因其對高斯型的噪聲濾波效果明顯；中值濾波對尖峰脈沖的干擾、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)，對快速的干擾源濾波有效。測試系統(tǒng)中的高頻數(shù)字信號對于模擬信號是另一個主要的干擾因素，常采用低通濾波抑制外部高頻干擾。

3.2 軟件延時

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，此時給出的轉(zhuǎn)換值常常是不正確的。因此，我們可以先延時一段時間，讓A/D轉(zhuǎn)換芯片能夠工作在正常電壓，然后讀出初始值，實現(xiàn)“去皮”的目的。在按鍵的掃描程序中，適當?shù)难訒r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作。

4、結(jié)果分析與討論

硬件抗干擾發(fā)展的歷史較長，理論和實踐比較成熟，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，利用微機的記憶、快速計算和邏輯判斷功能，從軟件方面進行干擾抑制和消除的研究，已經(jīng)逐漸受到人們的重視。在實際應用中，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。通過對硬件和軟件兩個方面采取抗干擾設計，系統(tǒng)的性能得到了很大的提高。此方法為信號的特征提取、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)仿真設計[D].東北大學,2006.

[3] 徐光泉. 汽車制動試驗臺數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)研制[D]. 吉林大學,2005.

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

[5] 翟乃斌,蘇建,劉玉梅等. 車輛綜合性能網(wǎng)絡化虛擬儀器測試系統(tǒng)[J]. 江蘇大學學報(自然科學版),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，就讀于河南機電職業(yè)學院，研究方向汽車故障診斷。