平行顯示系統(tǒng)電磁抗干擾測試方法及設(shè)計(jì)建議

卜夢龍，白 云，彭 俊，甘長紅

（河南凱瑞車輛檢測認(rèn)證中心有限公司，河南 焦作454950）

1 HUD的原理及在汽車中的應(yīng)用

平行顯示系統(tǒng)簡稱HUD（HEAD UP DISPLAY），起源于軍事領(lǐng)域技術(shù)。自20世紀(jì)80年代，HUD開始從飛機(jī)嫁接于汽車。將HUD應(yīng)用在汽車上是為了駕駛的安全性，使得駕駛員在駕駛過程中無需將視線轉(zhuǎn)移到儀表盤或者中控上。

HUD的原理類似于幻燈片投影。利用光學(xué)反射原理，可以在擋風(fēng)玻璃上顯示導(dǎo)航、車道偏離、超速預(yù)警、車況監(jiān)控、油耗、時(shí)速、防止追尾等信息，如圖1所示，能夠讓駕駛員的注意力集中在前方路面，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)行車安全。

當(dāng)前實(shí)現(xiàn)HUD的方案主要有3種［1］，一種是直接將前風(fēng)擋玻璃作為顯示屏，通過車載診斷系統(tǒng)OBD（On-Board Diagnostic）接口將車內(nèi)的參數(shù)及基本信息直接投影到前風(fēng)擋玻璃上。這種方案的風(fēng)擋玻璃都是特制的，會(huì)造成成本的增加。

由于成本問題，一般車輛的前風(fēng)擋玻璃都是普通的。為實(shí)現(xiàn)HUD功能，許多車輛都會(huì)后加裝一塊顯示屏置于前風(fēng)擋玻璃前，充當(dāng)HUD的投影屏幕。

以上2種方案都是可以通過OBD接口來實(shí)現(xiàn)HUD功能，而第3種方案是通過手機(jī)導(dǎo)航軟件，利用前風(fēng)擋玻璃上的倒影來實(shí)現(xiàn)HUD功能。

圖1 HUD的工作原理示意圖

本文主要研究通過OBD接口來實(shí)現(xiàn)HUD，此類平行顯示系統(tǒng)硬件主要包括信息采集、信號處理和投影顯示3部分組成。一般是通過OBD接口來獲得信息，經(jīng)過解串器傳送至單片機(jī)MCU處理信號，再通過投射裝置將信息投放到汽車風(fēng)擋玻璃或后裝顯示屏上?？傮w設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖

如圖2所示，單片機(jī)是信號處理的核心，也是平行顯示系統(tǒng)的核心。供電單元DC-DC將車載電源轉(zhuǎn)換為HUD正常工作的電壓。

2 HUD在電磁環(huán)境中的安全性

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)在汽車上的大量應(yīng)用，傳統(tǒng)意義上的機(jī)械式汽車被現(xiàn)代電子化汽車所取代，汽車電子技術(shù)的應(yīng)用在解決汽車經(jīng)濟(jì)性、安全性、舒適性的同時(shí)也帶來了電磁兼容安全性的問題。電磁兼容性（EMC，Electromagnetic Compatibility）是指設(shè)備或系統(tǒng)在電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾能力［2］。

電磁干擾會(huì)破壞汽車電子系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，影響汽車安全駕駛［3］。因此，為保證HUD能在復(fù)雜電磁環(huán)境下穩(wěn)定地工作，對HUD進(jìn)行電磁抗擾設(shè)計(jì)非常重要。

3 HUD抗電磁干擾的測試方案

汽車內(nèi)的電磁干擾源主要來源于點(diǎn)火系統(tǒng)、電源和車內(nèi)電子電器設(shè)備等易產(chǎn)生電磁干擾的執(zhí)行機(jī)構(gòu)［4］。車外電磁干擾源主要來源于基站、電網(wǎng)和通信。干擾不但對車輛外界的無線電設(shè)備造成影響，而且也會(huì)通過電源線、信號線耦合到車輛內(nèi)部的電子部件，并造成不良影響。

3.1 車內(nèi)外對HUD的電磁干擾主要有以下幾部分

1）靜電干擾：輪胎與地面的摩擦、車身與空氣的摩擦、人與車的摩擦都會(huì)產(chǎn)生靜電。靜電放電會(huì)產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾，放電電弧會(huì)產(chǎn)生電磁輻射干擾。靜電放電會(huì)影響電子單元的性能，嚴(yán)重時(shí)會(huì)破壞電子單元。

2）感性負(fù)載產(chǎn)生的瞬變干擾：汽車內(nèi)電機(jī)、電磁閥等感性負(fù)載在電源突然被切斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生反向瞬變電壓［5］。這種干擾會(huì)造成部件擊穿損壞。

3）點(diǎn)火系統(tǒng)的電磁干擾：在火花塞點(diǎn)火時(shí)，點(diǎn)火線圈瞬間產(chǎn)生上萬伏的點(diǎn)火電壓。高壓點(diǎn)火電弧會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾。

4）供電系統(tǒng)的電磁干擾：汽車發(fā)電機(jī)存在拋負(fù)載瞬變和激磁衰減瞬變，會(huì)產(chǎn)生異常電壓、過電壓現(xiàn)象和開關(guān)觸點(diǎn)產(chǎn)生火花放電電磁干擾。

5）線束和部件間的相互耦合干擾：車輛中經(jīng)常將各種線纜捆綁成一束線束，電源線的瞬變干擾會(huì)耦合到信號線或者控制線中［6］，形成差模信號，會(huì)對電子模塊產(chǎn)生不良影響。

6）輻射干擾：車內(nèi)和外界的通信設(shè)備和自然干擾會(huì)以電磁波輻射形式對車內(nèi)部件產(chǎn)生影響。此類干擾影響較小。

3.2 針對以上電磁干擾特點(diǎn)采取以下的測試方法

1）HUD靜電放電（ESD）試驗(yàn)

由于靜電放電時(shí)產(chǎn)生的電磁脈沖會(huì)導(dǎo)致電路出現(xiàn)問題，從而引起設(shè)備誤動(dòng)作。靜電放電試驗(yàn)會(huì)造成電荷積累，甚至?xí)⑵骷舸?。輕則造成器件性能下降，重則使其內(nèi)部芯片擊穿、燒毀造成其永久性失效。故建議最先進(jìn)行靜電放電試驗(yàn)。HUD（通電運(yùn)行）試驗(yàn)嚴(yán)酷程度等級見表1，HUD（不通電）分類試驗(yàn)等級見表2。

表1 HUD（通電運(yùn)行）試驗(yàn)嚴(yán)酷程度等級

表2 HUD（不通電）分類試驗(yàn)等級

2）瞬態(tài)傳導(dǎo)抗擾度試驗(yàn)

瞬態(tài)傳導(dǎo)抗擾主要是考驗(yàn)HUD對正向和反向電壓瞬變的抗擾能力。汽車電路中超過HUD正常工作電壓范圍的瞬態(tài)高電壓，會(huì)影響HUD的性能甚至造成破壞。參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T21437.2［7］以下波形進(jìn)行測試，詳見圖3~圖7，表3。

表3 瞬態(tài)傳導(dǎo)抗擾度波形參數(shù)

3）HUD電磁抗擾性試驗(yàn)

針對通過空間場和線束耦合到HUD的電磁干擾，試驗(yàn)方法一般選用自由場法、大電流注入法、磁場抗擾度和便攜式發(fā)射機(jī)法，測試頻率可覆蓋20Hz～6GHz，測量電平見表4。無論使用哪種測試方法，旨在覆蓋所有的測試頻段，且考驗(yàn)HUD的抗擾性能能否滿足企業(yè)要求。

4 HUD的設(shè)計(jì)建議

HUD的電磁兼容機(jī)理是相當(dāng)復(fù)雜的，而改善其抗擾性的最佳時(shí)期就是在設(shè)計(jì)初始階段。通過本文中對抗擾產(chǎn)生的特性，可以對HUD做PCB板設(shè)計(jì)、屏蔽設(shè)計(jì)、濾波設(shè)計(jì)等。

1）材料的選擇

圖3 波形1

圖4 波形2a

圖5 波形2b

圖6 波形3a

圖7 波形3b

表4 HUD電磁抗擾性的試驗(yàn)電平

器件的原材料是構(gòu)成整個(gè)HUD的基礎(chǔ)，原材料的選取可以直接影響到整個(gè)HUD的性能和功能的可靠性。同時(shí)也關(guān)系到成本和后期的維護(hù)與使用。因此要選擇合理、優(yōu)質(zhì)、抗干擾能力強(qiáng)的材料。

2）外殼設(shè)計(jì)

對殼體進(jìn)行屏蔽設(shè)計(jì)，可進(jìn)行鍍膜處理，例如鍍銅、鍍鋅等；進(jìn)行合理搭鐵處理。目的是能有效阻斷電磁干擾的傳輸。

3）MCU的設(shè)計(jì)

選擇功耗小、抗干擾能力強(qiáng)、集成度高的MCU，將影響整個(gè)系統(tǒng)的性能和可靠性。在單片機(jī)前端的輸入信號線進(jìn)行物理隔離或者光電轉(zhuǎn)換隔離。為抑制數(shù)字信號電平轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的沖擊電流干擾，在電源電路、信號處理電路和數(shù)字電路中合理運(yùn)用去耦電容。對信號進(jìn)行濾波處理。搭鐵技術(shù)能在很大程度上提高系統(tǒng)的抗干擾能力，設(shè)計(jì)時(shí)，交流搭鐵和信號搭鐵分開，數(shù)字搭鐵和模擬搭鐵不共用，合理運(yùn)用單點(diǎn)搭鐵、多點(diǎn)搭鐵。

4）PCB的設(shè)計(jì)

各元器件按功能集成布置，各功能模塊的組件分開布置。將濾波器、光電耦合器和隔離變壓器放置在靠近出線端子的地方能有效降低外部線路引進(jìn)的干擾。傳輸線路及印刷電路板的布線設(shè)計(jì)，應(yīng)注意進(jìn)線與出線、信號線與電源線盡量分開，電源線和搭鐵線盡量粗一點(diǎn)，且電流流向與信號流向相同。電路板銅線盡量同45°折線，降低公共阻抗耦合和輻射耦合；集中搭鐵設(shè)計(jì)。

5）DC-DC部件設(shè)計(jì)

電源DC-DC轉(zhuǎn)換器容易產(chǎn)生輻射和傳導(dǎo)干擾，在電源輸入端并聯(lián)電容［8］，以達(dá)到對電源的濾波作用。