基于CAN总线的汽车仪表系统

第五章系统抗干扰分析与设计

5.1 系统干扰分析与对策

抗干扰设计始终是电子应用设计的重要环节。在设计时，要充分考虑可能出现的各种干扰及其产生的影响，采取了相应措施，尽量提高系统的抗干扰性能。

汽车仪表的工作环境比较恶劣，汽车工作的物理环境经常的变化，温度、湿度、路面的颠簸状况时刻都有所不同，除了这些因素对仪表的工作产生影响外，其他的用电设备在工作时也会产生各种电磁干扰，如点火系统电磁场干扰，喇叭、空调系统等感性负载所产生的感应脉冲电流干扰等。这种反电动势和放电火花干扰是各电器设备干扰的主要形式[32]。实验证明：汽车电器工作时产生的干扰频谱很宽(一般在0.15-1000MHz)，强度也很大，如当点火线圈在初级电路断开或接通时，初级线圈两端产生高于电源电压数十倍的反向电动势，而在次级线圈上则感应产生高达上万伏的高压，并使火花塞跳火[38]。综合各种因素，干扰可分为四类[33]：

(1) 物理环境干扰是指应用系统在工作环境发生变化时，导致系统出现的多种问题而不能正常工作，如环境温度、湿度变化或振动等。从本质上说物理环境干扰是汽车的工作环境本身产生的。

(2) 电磁干扰指周围空间的电磁波辐射窜入系统，而引起系统工作不正常，电磁干扰可来自应用系统外部，也可以来自内部。在本课题中主要考虑来自点火系统的电磁干扰。一般采取屏蔽的方法，设计主要考虑地线系统、屏蔽和布局。

(3) 电源干扰是由于供电系统不稳定引起的，主要表现在电源欠压、过压、浪涌、尖峰电压、电源电压波动。对策是选取高性能的稳压电源和电源滤波器。

(4) 过程通道干扰指信息在传递过程中窜入的干扰。抑制过程通道干扰的主要措施有：用光耦将模拟信号和数字信号隔离；长距离传输可以采用双绞线，还可以用屏蔽线传输和积分网络以防窄脉冲的干扰。

干扰的产生必须具备三个基本因素，即干扰源、耦合通道、对干扰信号敏感的电路。本系统主要从后两个方面入手，采取切断干扰的耦合

通道，降低应用系统对干扰的敏感等抗干扰措施[34]。

5.2 硬件抗干扰方法

系统硬件抗干扰设计是整个系统抗干扰设计的主要部分，它是软件抗干扰设计的基础，必须为软件抗干扰设计提供良好的条件。

1.电源设计

由于汽车蓄电池的工作负载变化大，电压波动范围较大，而汽车仪表系统的微机电路和A/D转换电路对电源的要求很高，要求电压保持在+5V，且波动范围在5%以内，否则将使测量的误差增大。因此设计中采取了以下措施：

(1) 采用高性能的开关电源稳压器克服电池欠压得影响。

(2) 采用瞬态抑制二极管抑制电源反压和瞬时过压。

(3) 采用低通滤波器滤除高次谐波改善电源波形；

(4) 将数字和模拟电源进行隔离，防止交叉干扰。

(5) 用小电感和大电容滤波，尽量减小电路的感生电动势。

2. 长线传输的抗干扰设计

在过程通道干扰中，长线传输引起的长线效应干扰是主要干扰。一般而言，对于主振频率为l0MHz时，超过0.2m就应作长线处理[33]，在本仪表系统中，主振频率为12MHz，且信号传输距离都较远，尤其对于发动机后置的大型客车来说，传输距离就更远，由于传输线上分布电容、电感和漏电阻的影响，特别是脉冲信号，它们在传输线上传输时会出现延时、畸变、衰减现象，除此之外，长线传输时其外界耦合干扰也不可忽视。为保证长线传输的可靠性，应采取屏蔽线传输，同时要求信号线固定牢，防止作切割磁力线运动，减少干扰传入。采用光电隔离器件可以使组件之间脱离电联系，消除用连接方式所造成的组件间的电位差。此外还应采取阻抗匹配措施。

3. 印刷电路版抗干扰设计

印刷电路板的合理设计，可以抑制大部分的干扰，对软硬件的调试和调机更为重要。在印刷电路板上，电源线、信号线和元器件的高度集中，它们紧紧连在一起，电气上相互影响，因而印刷电路板的设计，直接决定系统的抗干扰能力。在布线和元器件的布置方面必须符合抗干扰的设计原则，设计中主要考虑了以下几点：

电源电路集中放置，根据电流的大小，尽量增加电源走线宽度；尽量

使电源线的走向与数据的传递方向一致；设计电源地、模拟地和数字地，并相互隔离；尽量加粗接地线，同时大面积敷铜；各信号线分开布线；在印刷电路板的关键部分配置去耦电容。

5.2 软件抗干扰方法

除了主要的硬件抗干扰措施之外，软件上也应该通过编程来进一步提高系统的整体的党干扰性能，弥补硬件的不足之处。下面介绍本系统采用的两种软件抗干扰方法。

1. 数字滤波法

数字滤波是用软件实现某种数学运算，对数据进行处理，以达到滤波的效果。它不需要增加硬件设备，可以多个通道共用，能灵活修改滤波参数，但由于指令执行速度受到限制，适用于低通滤波器，或抑制尖峰干扰[35]。本系统采用算数滤波法来滤除模拟量中的干扰。算数滤波法的原理是对经过多次采样然后对采样值取平均。

2. 软件运行失常抗干扰设计

系统在大多数干扰源的影响下，最终结果是“死机”。根本原因是，CPU执行指令时受到干扰，使操作码或地址码发生了改变，导致程序计数器PC的值改变。PC值指向操作数，把操作数当作指令码执行；或者PC值超出应用程序区，把非程序区的数据或随机数据当作指令码执行，致使程序盲目运行(即跑飞)，最终进入死循环。要使进入死循环的失常程序自动恢复，重新正确工作，主要是采用软件的方法，或软硬件结合的方法，重新起动执行程序。本系统采用看门狗方法。

P87C591内部自带了11位预分频器的8位看门狗定时器T3，T3溢出将产生复位脉冲使系统复位，程序正常运行时，每隔一定时间对其进行重新装载，使其不能溢出，一旦程序跑飞，不能完成装载，T3将产生溢出。看门狗定时器的重装周期必须小于已编程的看门狗间隔。看门狗间隔可编程为1024us~261ms。

第六章结论

随着信息技术、计算机技术、网络技术和电子技术的飞速发展，其在汽车仪表设计中也发挥着越来越重要的作用。汽车网络化作为汽车电子系统发展的重要趋势，其对于新一代汽车性能的深远影响己经通过在商品化车型上的成功应用逐渐显现出来。因此，将CAN总线技术引入到汽车仪表中是当前汽车仪表设计的重要环节。

本文设计的汽车仪表是以飞利浦公司生产的P87C591单片机为核心，设计了CAN接口，并引入微步进电机技术，对车速、转速、冷却水温度、机油压力和行驶里程5个参数进行实时的测量、显示和发送。本文完成了从信号采集到显示及传输的硬件及软件设计。

通过对仪表的研究与调试，得出以下结论：

(1) 在总体结构设计中，本文成功的将CAN总线引入到汽车仪表设计通信中，利用现场总线的通信速率高、容错性强等特点，提高了整个汽车仪表系统的现场数据通信的实时性和可靠性，大大的节约和简化汽车布线系统。

(2) 以微处理器为核心的汽车组合仪表能大幅度提高测量精度和测量的实时性，同时克服了机械式仪表的无法回避的缺点。

(3) 以步进电机替代传统的动圈式和动磁式机芯作为显示器件可以大大提高显示的精度，减少指针的抖动，提高机芯的使用寿命。

(4) 抗干扰是系统的关键问题，采用软硬件结合的方法，可以取得较为满意的抗干扰效果。其中硬件抗干扰设计是整个系统抗干扰设计的主要部分，是软件抗干扰设计的基础。本文对波形转换电路和系统电源作了详尽的设计，保证了系统的可靠性。

(5) 本系统的优点是体积小，精度高，系统实时性好，容易扩展，便于接入CAN网络而不用改变系统的硬件设计。

随着汽车电子技术的不断发展以及计算机在信息与控制领域的广泛应用，汽车仪表板上显示的信息不断增加，特别是近年来在线故障自诊断系统、智能交通系统、全球定位导航系统和电子自动驾驶系统等新技术产品的陆续装车应用对汽车仪表提出了更高的要求。因此将操作系统和专用的车辆仪表芯片应用到汽车仪表的开发中成为必然的趋势。例如富士通公司推出的MB90420G/425G系列16位单片机就使一款专门为