车联网时代来临！基于车载T-BOX的EMC测试与设计～

　　摘要：文章介绍了车载通讯终端(T-BOX)工作原理，一种能够自动、并行验证T-BOX所有功能车载T-BOX的EMC测验方法和设备。以及在汽车电子电磁兼容测试时所遇到的RE、BCI和ESD等常见问题;从原理设计、器件选型、PCB布局及结构设计等多方进行了详细的分析,并列出了车载通讯终端EMC的设计规则确保了产品良好的性能。

　　关键词：汽车电子;车载通信终端;电磁兼容

　　

 

　　作为车联网的主要部件,车载通信终端(英文名称是 Telematics BOX,简称TBOX),承担着车内网与车外网之间的数据通信、车身数据采集、远程控制等重要功能,因此应用越来越广泛,尤其是《电动汽车远程服务与管理系统技术规范》(GB/T32960)国家标准的出现,使得T-BOX前装率将得到大幅度提升,设计方在满足了车厂对车载通信终端日新月异的功能需求同时,也要应对来自EMC设计带来的挑战。本文主要对T-BOX进行介绍和EMC设计分析。

　　1、车载通信终端介绍

　　作为汽车电子产品,T-BOX对可靠性、工作温度、抗干扰等方面有着严格要求,T-BOX主要工作器件采用车规级,可以在-40℃~+85℃环境下工作,在车辆上使用车载蓄电池供电,内置备用电池可以在应急环境下报警使用。T-BOX主要由主机、天线(卫星+移动天线)、电源线束和外置附属配件等部分组成,其中主机内有移动通信模块(内置集成有卫星通信功能)。当主机通电工作时,MCU处理器读取车身CAN总线报文数据,与移动通信模块将解析后的位置信息一起通过移动网络将信息上传到后台服务器,交给后台进行分析和处理;同时,车载T-BOX在获取到下行控制命令后,通过CAN总线发送控制报文并实现对车辆的控制,可以帮助用户实现远程遥控车辆、数据监控、远程报警等多种在线应用功能。T-BOX系统主要包括:4G模块、MCU处理器、CAN总线、音频处理、电源管理、接口电路等,见图1系统框图。

　　这些接口的用途总结如下表-1所示：

　　接口类型用途

　　CAN收发器高速CAN主要用在对实时性要求高的动力系统的控制;低速CAN主要是用在对实时性要求较低的舒适系统和车身系统的控制。

　　LIN收发器用在对速度以及安全性能要求不高的场合，如车身电子配件(车窗升降等)。

　　以太网收发器目前主要应用于非CAN的部分，与网 关互连。主要解决高速数据传输、协议兼容和成本受限的问题。

　　RS232/RS485/USB2.0 收发器用于系统的调试与测试。

图1 T-BOX系统框图

　　2、基于车载T-BOX的EMC测试

　　目前许多车辆上都安装了车联网终端，能够方便高效地连接卫星实现车辆定位，并且能够自动连接通信基站，将解析后的信息发送到第三方。对于车联网终端，需要以电磁波为载体来实现其功能，因此无线终端设备的EMC测试也变得愈发重要，只有通过了EMC测试，才能保证T-BOX(Telematics- BOX)使用的稳定性，而车联网终端功能多样、技术复杂，在EMC测试中模拟其正常工况是一个技术难点。本文将详细论述如何在EMC测试中模拟出T-BOX的正常工况。

　　车载T-BOX包括：4G 模块、MCU处理器、CAN总线、音频处理、电源管理、外部接口几个部分。

　　3、车载T-BOX的EMC测试方法及设备与流程

　　一种车载T-BOX的EMC测试方法，用于测试设置在EMC暗室内的车载T-BOX的抗扰能力，该测试方法包括通过设置在EMC暗室内的干扰源发送干扰信号，该测试方法还包括如下步骤：通过设置在EMC暗室外的上位机发送车载T-BOX功能原始测试数据至所述T-BOX;通过所述上位机接收由所述T-BOX发送的测试数据;判断接收到的测试数据与所述上位机发送的原始测试数据是否一致;在接收到的测试数据与所述上位机发送的原始测试数据一致的情况下，判断所述T- BOX功能正常。该方法提供了一种基于真实无线信号的自动、并行验证T-BOX功能的测试设备和方法。

图2 测试setup图

　　设备搭建与测试流程：

　　车联网系统包含智能主机、车载T-BOX、手机APP和后台系统。其中，T-BOX是远程信息处理箱(telematics-box)的简称，它一方面与车内各控制器通过CAN总线进行通信，搜集车辆状态信息;另一方面与后台系统、手机APP进行无线通信，实现在手机APP上显示车辆信息并对车辆进行远程控制的功能。T-BOX的主要功能包括：GPS信号的接收、4g数据的收/发、CAN总线数据的收/发。

　　目前，T-BOX在EMC测试过程中均使用人工串行测试，对于GPS信号测试，在被测设备上运行模拟导航程序，只验证导航过程中的声音和图像播放功能;对于4g信号测试，使用综合测试仪与被测设备建立模拟交互，只测量电平参数。

　　使用该车载T-BOX的EMC测试设备，包括设置在EMC暗室内的干扰源，该测试设备还包括：设置在EMC暗室外的上位机;设置在EMC暗室内和外的CAN光桥;连接EMC暗室内和外的CAN光桥的光纤;设置在EMC暗室外的与所述上位机建立通讯的连接设备;与所述连接设备连接的沟通EMC暗室内外的波导管;与所述波导管分别连接的设置在EMC暗室内的GPS发射天线和第二4g天线;设置在EMC暗室内的包含有GPS模块的车载T-BOX;所述车载T-BOX依次通过所述EMC暗室内的CAN光桥、光纤、所述EMC暗室外的CAN光桥与所述上位机连接。

　　进一步的，所述第一4g天线和所述第二4g天线均为双向天线。

　　进一步的，所述GPS接收天线和所述GPS发射天线均为单向天线。

　　通过上述技术方案能够获得以下有益效果：

　　(1)将真实信号引入EMC试验室，满足了验证实际功能的需求。

　　(2)使用EMC暗室外的电脑作为上位机，既能模拟手机APP与T-BOX进行4g数据交互，又能通过CAN光桥与T-BOX进行CAN数据交互。上位机可自动、并行、重复的进行所有功能的测试，实时获取反馈数据，判断试验结果，无需人工干预，省时高效。

　　4、车载通信终端EMC设计

　　针对T-BOX的EMC测试主要包括辐射类、抗扰类和ESD测试,其中,RE测试、BCI测试和ESD测试是重点,在产品设计之初若考虑不当,测试中产品会出现NG现象,RE测试结果导致个别频点超出设定标准;在BCI测试时产品受干扰会出现监测数据乱码:ESD会导致接口损坏或驱动IC失效等问题,因此需要从设计源头入手分析,在实验中采有效的对策,才能够降低产品的EMC风险。

　　4.1车载通信终端RE问题及解决措施

　　RE测试是衡量被试品通过空间辐射对其他设备的骚扰能力。汽车电子的RE测试检测频率一般从0.15MHz开始,最高可以达到6GHz,几乎覆盖到所有通讯行业频率,造成RE超标的原因是多方面的,如设计电路有缺陷、PCB布局问题结构屏蔽效能低、器件选型问题等等,因此雷要针对具体问题而具体分析,在笔者的一个项目曾经遇到低频段1.2MHz频点严重超标,通过排除法定位了来自电感器件问题,采用全封閉电感替代半封闭电感后,通过实验再次验证,辐射明显降低了。如图3、图4所示。

图3 整改前测试图片

　　针对RE辐射问题,常见的解决办法如下：

　　4.1.1降低干扰源辐射能量

　　T-BOX内部电路各个器件工作时钟CLK频率也各不相同,从几百kHz一直到几十MHz,通常为了降低时钟对外能量辐射,在器件收发时钟线上串联10-229Ω不等的电阻,让时钟脉冲上升沿变为缓慢上升;同时对时钟线要做包地处理;空间上与其他布线之间要满足3W原则;其他模拟信号电路要远离时钟干扰源。

　　4.1.2 PCB布线要优化

　　电源、地的环路布局面积要小,电源入口线要最短;差分信号线要同层、等长并行、阻抗一致,差分线间无其他走线;高频信号走过孔要少;个别DC-DC电源加屏蔽壳接地处理;重要信号线勿走折线。

　　4.1.3器件布局方面要合理

　　晶振、晶体等强辐射器件要远离敏感器件,并且要远离PCB边缘,在晶振周边加隔离地,与MCU之间引线要短;接口信号的滤波防护器件要遵循先防护后滤波原则。

　　通过以上多种处理措施,能够将RE干扰能量降低,有效地解了决RE辐射超标问题。

图4 整改后测试图片

　　4.2车载通信终端BCI问题及解决措施

　　BCI“ Bulk Current Injection”(大电流注入)是用来衡量各车载设备抵御耦合到线束上的射频干扰信号的能力,是汽车电子产品常用的一种抗干扰试验方法。BCI的工作原理是利用电流注入探头互感器将干扰信号感应至线束,射频干扰信号通过电流注入探头耦合后,转换为射频电流,在线束中以共模方式流过,因此干扰方式主要是以共模干扰形似存在,一般测试的频率范围从1MHz至400MHz。依据测试标准IS011452-4:2005《道路车辆.窄带辐射的电磁能量产生的电干扰的部件试验方法第4部分:大电流注入(BCI)法》,对T-BOX进行试验检测,试验中需要对包括4G通讯、CAN通讯等主要功能进行实时监控。

　　在做BCI测试时经常发现CAN报文数据和USB接口数据出现乱码现象;按键接口偶尔会误动作现象,对上述实验原理进行分析,一般采用下面两种做法:

　　(1)对于USB、CAN之类属于差模信号传输,而施加的回路干扰属于共模类型串上共模电感能较好的抑制共模干扰,并且共模电感对有用的差分信号没有任何衰减。

　　(2)对于单端信号,像按键、LED之类的差模回路类型,采用滤波器方式,在线缆入口处放置滤波电容,根据施加干扰频率范围,选择有效滤波频段和电容容值,能够将干扰信号降低滤除。

　　因此,对于BCI测试,针对不同的电路设计模式,采用有效的对策手段,能够取得明显的效果。

　　4.3车载通信终端ESD设计

　　ESD是T-BOX在EMC设计中最需重要环节,ESD试验是为了评估车载设备遭受来自操作者直接接触放电和临近物体间接放电的抗扰能力SD失效,会导致T-BOX主机某些接口功能失效或器件损坏,直接影到响产品使用,对于ESD防护设计,主要从硬件角度进行考虑,包括原理图设计、PCB布局和结构设计等综合处理方法。以下列出相关设计经验供大家参考。

　　(1)设计前期需要确定T-BOX耐受ESD电压等级,所选防静电器件要高于测试电压,确保ESD实验时静电不会将T-BOX接口内部器件击坏。

　　(2)在原理图设计阶段,需要在T-BOX所有与外界交互的接口处要预留TVS管等ESD保护措施,用于提高接口的抗ESD干扰能力。

　　(3)PCB元件布局时,要保证静电通过TVS管对地泄放回路路径尽可能短并且泄放回路阻抗要足够低;TVS管等ESD保护措施尽可能放在接口处附近,当静电由端子外部向内部沿信号线传递时,首先要经过TVS管及保护措施,并且可以在信号线上串微小电阻,能够有效的拦截静电流流入板内。主机所有元件布局时,器件距离四周板边缘要≥5mm,并且在此区域内不要布信号线,而是铺满地层,对于多层PCB,板子边缘要多放置一些地孔。

　　(4)在结构设计时,壳体缝隙要足夠小,用于防止空气放电时静电窜扰到壳体内部PCB板上,而击坏器件。

　　5、结论

　　随着汽车工业的发展,汽车产量与保有量都在不断攀升,EMC设计在汽车电子中的地位日益重要,汽车电子的EMC标准要严于其他类产品,通过EMC试验测试,能够客观的评价T-BOX电磁兼容设计能力。针对EMC测试问题,可以从设计源头出发,采取有效地对策措施,从而降低产品的EMC风险保障了产品质量,本文所提及的EMC解决方法也可以应用到其他类电子产品中。

　　参考文献

　　(1) 王曦汽车电子EMC设计中的电子元器件选型技术[J].电子元件与材料,2014.9:99-100.

　　(2) 李研强,张晓芳.汽车电子产品全寿命电磁兼容测试方法[J].山东科学,2017.4:133-138.