CAN总线汽车仪表系统的抗干扰分析与设计

【摘 要】抗干扰设计始终是电子应用设计的重要环节。基于汽车工作环境的复杂，对CAN总线汽车仪表系统的抗干扰进行了分析和设计。在设计时，充分考虑可能出现的各种干扰及其产生的影响，通过从系统的软硬件方面采取相应措施，尽量提高系统的抗干扰性能。

【关键词】CAN总线；汽车仪表；抗干扰

CAN Ｂus Ａutomotive Ｉnstrumentation Ｓystems Analysis and Design of Anti-jamming

QIU Ying-jie

（Hangｚhou Ｐrofessional Ｔechnology Ｉnstitute，Hangｚhou Ｚｈｅｊｉａｎｇ，310018）

【Abstract】Anti-interference design always is the important link of the electronic application design. Based on the complex environment, automobile work of CAN bus car instrument system is analyzed and the anti-interference design. In the design, fully consider possible all kinds of jamming and, through the influence of from the system of both hardware and software to take measures to try to improve the anti-jamming ability of the system.

【Key words】CAN bus；Ｖehicle meter;Anti-interference

随着现代电子技术的发展，传统意义上的机械式汽车被现代电子化汽车所取代，电子技术的应用，在解决汽车的动力性、经济性、安全性、舒适性等方面起着非常重要的作用。近年来，CAN总线技术应用于数字化汽车仪表系统，使汽车仪表成为兼具感觉、识别、情况分析、信息库、自适应和自动控制六大新颖功能的智能化系统。微电子技术、网络通信技术和液晶显示技术在汽车仪表中的不断深入应用，汽车仪表技术正加速朝着数字化、智能化、多元化和人性化的方向发展。然而，众多汽车电子产品的开发与应用，也给汽车行业带来了一个不容忽视的重要课题——汽车电子系统抗干扰的研究。

1 CAN总线汽车仪表系统

CAN总线汽车仪表系统采集来自汽车传感器的车速、转速、水温和机油压力信号，其中车速和转速是脉冲信号，经过整形处理后再经过光电隔离送入单片机完成脉冲信号的测量。水温和机油压力是模拟信号，经过前置处理后送入单片机的A/D转换输入端，利用其内部A/D转换器完成测量。测量结果经过单片机送入步进电机驱动模块驱动步进电机，分别显示车速、转速、水温和机油压力。通过单片机计算汽车的行驶里程并送入液晶显示模块显示，将里程数值存储于 EEPROM。通过CAN接口将采集到的数据发送到CAN总线上，并且接收其他CAN节点的信号。系统硬件总体结构如图1-1所示，系统软件总体结构如图1-2所示：

2 CAN总线汽车仪表系统干扰分析

对汽车电子系统产生干扰的干扰源可以分为车内干扰源和车外干扰源。车内干扰源往往是指车上各种电子电气系统产生的电磁干扰。电子电器设备产生的电磁干扰是由于汽车上使用的电子产品中有许多导线、线圈和带有触点的电器，都具有不同的电容和电感，而任何一个具有电感和电容的闭合回路都会形成振荡回路。汽车的车内干扰源主要是发动机的点火系统，其干扰来自点火系统次级电压的高频振荡。其次，在发电机负载电流突变和整流时也会产生电磁波。起动机、发电机、闪光器、喇叭、雨刮器、空调系统等也都会产生较小的传导干扰和辐射干扰的电磁波。汽车电器产生的干扰电磁波具有脉冲特性且频带较宽，其频率一般在0.15～1000MHz之间。而车外干扰源是指由自然现象、社会环境等引起的外部电磁干扰对汽车电子系统的影响，外部电磁干扰是指人为的各种电器设备，如：高压输电线、电车轨道附近、广播电视设备及无线电通讯设备等所辐射出来的对汽车起干扰的电磁辐射及由雷电等自然现象引起的电磁干扰。

汽车产生的干扰不但会影响外界的电子电器设备的正常工作，而且会影响自身电子电器设备的正常工作，因此，电子环境干扰会对电子产品的性能产生不利的影响，甚至会导致其功能丧失。

汽车仪表系统的工作环境比较恶劣，除了受温度、湿度、路面的颠簸状况等因素产生的影响外，同样也会受到车内和车外电器设备的电磁干扰。特别是如发动机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。综合各种因素分析，对汽车仪表系统造成的干扰大致有以下四种：

２.１ 环境干扰。环境干扰是汽车所处的工作环境如环境温度、湿度或振动等发生变化时，导致系统出现异常而不能正常工作。

２.２ 电气系统的电磁干扰。电磁干扰来自汽车外部和汽车内部。主要指汽车仪表系统所处空间的电磁波辐射窜入系统，而造成系统不能正常工作。对汽车仪表系统造成的电磁干扰主要考虑来自点火系统的电磁干扰。抗干扰设计主要考虑地线系统、屏蔽和布局。常常应用屏蔽的方法来抗干扰。

２.３ 电源干扰。这种干扰是由于汽车的电源供电不稳定引起的，主要现象是电源欠压、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。

２.４ 传输线干扰。也称为过程通道干扰，过程通道干扰指信息在传递过程中窜入的干扰，一般在信号输入输出口线上形成。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。

3 CAN总线汽车仪表系统干扰设计

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。

一般来说，形成干扰的三个主要因素为干扰源、耦合通道以及对干扰信号敏感的接收电路。通常在系统设计时就必须考虑干扰源的种类，以便采用软硬件结合的方法进行抗干扰设计。

3.1 汽车仪表系统硬件抗干扰方法

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。

３.１.１ 电源设计

电源是对电子应用系统干扰的一个主要来源。电源在提供能源的同时，直接将噪声加在微机系统上。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[1]。因此设计中采取了以下措施：

（１）用压敏电阻抑制尖峰、浪涌。压敏电阻两端的电压如超过其限定值．电流会迅速增大，呈短路状态。利用这一特点可以吸收瞬时尖峰、浪涌电压。压敏电阻并联在电源的初次级可有效抑制尖峰浪涌电压。

（２）低通滤波器可滤去干扰带来的高次谐波，改善电源波形。采用分散独立的稳压块，分别对各部分电路进行供电，可减少公共阻抗的相互影响，提高供电的可靠性。

除此之外，还可以采用高性能的开关电源稳压器克服电池欠压的影响；采用瞬态抑制二极管抑制电源反压和瞬时过压；将数字和模拟电源进行隔离，防止交叉干扰；用小电感和大电容滤波，尽量减小电路的感生电动势。

３.１.２ 远距离传输的抗干扰设计

在信号传输通道干扰中，其远距离传输引起的长线效应干扰是主要干扰。如车速信号取自变速器输出轴，发动机转速信号取自发动机点火系的低压侧，油箱液位信号取自于油箱，这些信号传输距离都较远，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，远距离传输时其外界耦合干扰也不可忽视。为保证远距离传输的可靠性，应采取屏蔽线传输，同时要求信号线固定牢，防止振动有切割磁力线运动，减少干扰传入。

针对过程通道干扰，在 CAN 总线过程通道和主控制器单元之间采用光电耦合器，切断了过程通道与主控制单元之间的联系，同时还有效抑制尖峰脉冲和各种噪声干扰，从而使过程通道上的信噪比大大提高。

针对液晶显示屏接口数据线导致信号的干扰，采取了缩短数据线长度，并把各接地信号线都进行单独接地的方法解决了干扰信号闪屏问题。

３.１.３ 印刷电路版抗干扰设计

在印刷电路板上，电源线、信号线和元器件的高度集中，使它们相互影响，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。

（１）设计时尽量选择多层PCB板，地层与电源层被分隔开，这种方式可形成良好的退耦电路，并加入地线的屏蔽，可防止产生低电位差和元件之间的耦合。

（２）印制板布线时，将信号线与强电控制线路、电源线路分开走线，相互间保持较大的间距。配线时应区分交流线、直流稳压电源线、数字信号线、模拟信号线、数字地、模拟地等。配线间隔越大，配线越短，则噪声越小。用地线将数字与模拟区隔离，数字地与模拟地分离，最后在一点接于电源地。交流地和信号地不能共用。

（３）元件面和焊接面应采用相互垂直、斜交、或者弯曲走线，避免相互平行以减小寄生耦合；避免相邻导线平行段过长；加大信号线间距。高频电路互联导线尽量短，使用或者圆弧折线布线，不要使用折线，减小高频信号对外的发射与耦合。

（４）印制电路板要按单点接电、单点接地的原则送电。三个区域的电源线、地线分三路引出。地线、电源线要尽量粗，噪声元件与非噪声元件要尽量离远一些。时钟振荡电路、特殊高速逻辑电路部分用地线圈起来，让周围电场趋近于零。

（５）使用满足系统要求的最低频率的时钟，时钟产生器要尽量靠近用到该时钟的器件。石英晶体振荡器外壳要接地，时钟线尽量短，时钟线要远离I／0线，在石英晶体振荡器下面要加大接地的面积而不应该走其它信号线。

（６）I／0驱动器件、功率放大器件尽量靠近印制板的边、靠近引出接插件。重要的信号线尽量短并要尽量粗，并在两侧加上保护地。将信号通过扁平电缆引出时，要使用地线——信号——地线相间的结构。

（７）每个IC元件要加一个0.01~0.1uF去藕电容，布线时去藕电容应尽量靠近Ic的电源脚和接地脚。要选高频特性好的独石电容或瓷片电容作去藕电容。去藕电容焊在印制电路板上时，引脚要尽量短。

（８）闲置不用的IC管脚不要悬空以避免干扰引入。不用的运算放大器正输入端接地，负输入端接输出。单片机不用的I／O口定义成输出。单片机上有一个以上电源、接地端，每个都要接上，不要悬空[2]。

3.2 汽车仪表系统软件抗干扰方法

系统除了在主要的硬件方面采取抗干扰措施外，还需要通过汽车仪表软件系统的抗干扰技术来进一步提高系统的整体的抗干扰性能。常用的两种软件抗干扰方法：

３.２.１ 数字滤波法

为了消除实时数据采集系统通道中的干扰信号，需对信号滤波。所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干扰信号在有用信号中的比重，提高信号的真实性，因此它实际上是一个程序滤波。这种滤波方法是通过软件实现的，不需要增加硬设备，因而可靠性高、稳定性好，不存在阻抗匹配问题；可多通道共享，降低了成本；可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。

常用的滤波方法有：算术平均滤波法、中位值滤波法、程序判断滤波、加权平均值滤波法、滑动平均滤波法和复合数字滤波法。

３.２.２ 软件“看门狗”技术

PC受到干扰引起程序失控，有可能使程序进入死循环，最终结果是“死机”。指令冗余和陷阱技术都不能解决这个问题，通常可采用“看门狗”技术，如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，可以采取P87C591内部的看门狗电路监视系统运行，当系统受到干扰程序跑飞时能够及时使系统复位。该技术就是不断监视程序循环运行的时间，若发现时间超过已知的循环设定时间，即认为进入死循环，然后强迫程序返回到0000H入口地址。在0000安排出错处理程序，使系统纳入正规。这是当系统受到干扰程序跑飞时能够及时的使系统复位的有效方法。“看门狗”技术既可由硬件实现，也可由软件来实现，还可以结合使用。

4 结束语

通常在实际的电子应用系统中都是几种抗干扰技术并存，通过相互补充完善来取得较好的抗干扰效果。认真细致地分析汽车内、外干扰源，确定干扰性质，在CAN总线汽车仪表系统的硬件与软件方面采取不同的抗干扰技术相结合，形成完整的有机的抗干扰体系，使系统最大限度的避免干扰的产生和受干扰后能使系统恢复正常运行，保证汽车仪表系统长期稳定安全可靠地工作。

【参考文献】

［１］耿天文.基于 CAN 总线的汽车仪表系统[J/OL].吉林大学硕士学位论文,2007.

［２］李长旺.单片机抗干扰技术设计.安徽电子信息职业技术学院学报，2006，5（5）.

［责任编辑：王爽］