汽车电子电磁场抗扰度测试方法及系统研究

詹思敏

（1.福州大学物理与信息工程学院，福州 350000； 2.福建省产品质量检验研究院 福州 350000）

引言

随着社会的发展，越来越多的电子技术应用到汽车的各个系统中，汽车电子[1]市场随之急速增长。车辆上增加了许多电子产品，它们在整车成本中的比例增长到30%甚至更高。但机动车上的任何一个电子零部件受到外界电磁干扰后引起的误动作都将引起不可预估的破坏性，甚至危及到用户的财产和生命安全。因此如何保障功能各异的汽车电子产品在整车复杂的电磁环境中持续稳定地正常工作成为了世界各国的关注焦点。发达国家及相关国际组织纷纷采取积极措施，加强汽车电子电磁兼容标准及相关法规制订，甚至将其列入市场准入制度。

1 电磁场抗扰度相关标准（见表1）

ISO 11452系列标准是目前车载电子国际通行的电磁场抗扰度标准[2-4]。ISO 11452-8[5]中规定，汽车中的发电机、输电线路以及一些强大的电气设备（如马达），会产生强大的磁场，暴露在此磁场中的车载电子产品要执行此项测试。该标准定义了15Hz～150kHz频段磁场抗扰度的测试，最大磁场强度值可达1000（A/m）。根据样品体积的不同，测试方法有亥姆霍兹线圈法和辐射环法。ISO 11452.3和ISO 11452.5规定了其他两种不同的测试方法：TEM小室法和带状线法。本文的远程控制系统涉及的频段主要针对15Hz～150kHz。

表1 不同磁场发生装置选型比较

2 电磁场产生及试验方法

2.1 亥姆霍兹线圈法

利用任意波形发生器，通过音频功放，让亥姆霍兹线圈产生一个合适的磁场，霍尔探头放在亥姆霍兹感应线圈中心，并适当调整方向以探测磁场强度的最大值。同时实时监测其磁场强度值，根据高斯计的读数适当调整任意波发生器的输出电平以得到测试规定的磁场强度。

2.2 辐射环法

调节任意波发生器的输出，通过功放放大后，馈入合适的辐射环天线，以产生所需的试验磁场。对于大于3Hz的磁场，通过相应的监测环监测试验磁场，将监测环上的电平馈送到示波器上进行监测；对于DC-3Hz的磁场，则利用高斯计进行监测。

2.3 TEM小室法

TEM小室是由特性阻抗为50Ω的矩形同轴线构成，主段和两边逐渐减小的过渡段，均具有50Ω阻抗特性。将高频电磁能量馈入TEM小室，在室内形成一个均匀的行波电磁场。

2.4 带状线法

在带状线一端馈入激励功率，另一端接以宽带匹配负载，在带状线装置内形成横电磁行波。产生稳定均匀的磁场区域，主要集中在导带的中心线附近，并且比较强。

3 系统的原理及框架组成

测试系统利用GPIB、TCP/IP、USB总线将各台仪器相连接，通过现场仪表实现在线监控，使用自主开发的控制软件构成完整的电磁场抗扰度测试系统。测试平台将信号发生器产生的干扰信号通过功率放大器放大后，利用电磁场发生装置将该干扰信号施加在受试设备上，再通过监测装置监测相关的强度值，根据反馈的电磁场强度信息适当调整信号源输出电平以达到所需的电磁场强度。同时，利用摄像头、拾音头和监控仪表实时监测整个测试平台的工作状态，保障测试系统安全运行。系统框架图见图1～图3。

4 测试系统软件架构

4.1 开发平台的选择

面向对象的热门开发环境有V C，E C L I P S,ANDROID，LabVIEW[6]等。经过对这些软件的比较分析，最终选用美国国家仪器公司所开发的实验室虚拟仪器工程平台LabVIEW 2011做为软件开发环境。LabVIEW使用图形化程序，采用“数据流”的概念打破传统的思维模式，提供了丰富的仪器接口驱动和数据分析子程序，使得程序设计者在流程图构思完毕的同时也完成了程序的撰写。

测试平台采用计算机控制，通过GPIB总线控制信号发生器的工作状态以及不同仪表间的数据传输，采用智能化编程语言LabVIEW实现系统的控制、显示与测试，实现标准[7-8]中规定的不同频率间测试模式的自动切换。

4.2 系统设计模式

图1 校准功能框架图

图2 测试软件功能框架图

图3 音视频监控、数据监测框架图

大量的事实证明：使用设计模式可以简化整个开发过程，更容易理解程序代码，并可方便实现代码重用。LabVIEW中设计模式主要包括数据流、主从线程模式、生产/消费模式、后台服务模式、消息队列模式、状态机模式、用户界面事件模式等。其中数据流编程被看成是核心编程思想。状态机由一系列的状态构成，在状态机中，每一个状态都可能导致一个或多个状态的发生，其下一状态是由用户的输入信息和当前状态所决定的。一个好的状态机会影响系统的稳定性和可维护性。本文设计的系统主要应用状态机模式、用户界面事件模式和消息队列模式。为了实现自校功能，还采用了PID闭环控制设计的方法，在系统中完成信号源和目标电磁场强度的自动控制功能。同时还配有CRC自校准程序，当信号源、频率或者电平有异常时，系统自动纠错并弹出提示窗口，保障系统的正常运行。

4.3 软件管理模块框架（见图4）

图4 软件管理模块框架

4.4 软件的测试流程图

测试流程是测试软件的主线，根据测试需求，实现全频段各台设备的连接和参数设置，完成所需要的各种功能。具体流程图见图5。

4.5 软件界面（见图6）

图5 软件测试流程图

图6 软件界面

5 系统设计难点与测试注意点

1）为了提高测试自动化[9]程度，搭建平台的过程中选用了支持GPIB和TCP/IP协议的仪器，如何协调分配这些仪器，使它们合理有序地正常工作，给程序的编写上增加了很大的难度。

2）测试过程中，有些监测设备偶尔也会受到磁场的影响，为了保证平台能够正常运行，需要采取措施如屏蔽、接地、加磁环等对监测设备进行电磁兼容整改，使之正常工作。

3）干扰电磁场的驻留时间应不低于样品的响应时间，测试过程中如果发现样品出现异常，可以手动将信号源输出在问题频点上，进行定点观察。如果有需要对样品进行整改，要先停止信号源的输出。

4）软件控制部分，在状态机中加入PID闭环设计时，注意闭环判断成功后需要把状态重新赋值，回到用户界面事件等待状态，防止系统运行时出现死机现象。

6 结语

目前，大部分检测机构在电磁场抗扰度试验过程中，受试样品工作状态的监控和判定都是通过检测人员在附近观察，高强度的电磁辐射干扰发射源对检测人员的身体健康的影响是显而易见的。本文设计了基于LabVIEW虚拟仪器远程测试系统，实现了测试频段的扩充，提高了测试效率，更好地保障了检测人员的安全[10-11]。在未来的发展过程中，汽车电子行业[12]将融入更多高科技的智能电子产品。汽车电子磁场抗扰度测试平台利用了已有的仪器设备，基于labVIEW虚拟仪器技术成功实现了测试自动化，兼顾了标准的更新[13]，为汽车电子的测试提供有力支撑。

[1]朱玉龙. 汽车电子硬件设计[M]. 北京:北京航天航空大学出版社,2011.

[2]陈立辉. 电磁兼容（EMC）设计与测试之汽车电子产品[M].北京:电子工业出版社, 2014.

[3]丁一夫，周克生，徐立．道路车辆的电磁抗扰性试验技术[J]．安全与电磁兼容, 2005.

[4]刘晓岩. 汽车电子控制技术[M].北京:化学工业出版社, 2009.

[5]ISO 11452-8：2007, Road vehicles - Component test methods for electrical disturbances from narrowband radiated electromagnetic energy-Part 8: Immunity to magnetic f ields, 2007[S].

[6]杨高科. LabVIEW 虚拟仪器项目开发与管理[M]. 北京:机械工业出版社, 2012.

[7]全国无线电干扰标准化技术委员会 编.电磁兼容标准实施指南(修订版)[M].北京:中国标准出版社.2011.

[8]林艳萍. 汽车电磁兼容标准[J]. 安全与电磁兼容, 2002.

[9]叶华杰. 电子产品测试[M].北京:电子工业出版社, 2012.

[10]J.W.Baum, A.V.Kuehner, R.D.Benz, A.L.Carsten. A system for simultaneous exposure of small animals to 50-Hz electric and magnetic f ields[J]. Bioelectromagnetics, 1991.

[11]K. Persson, R. Rylander, Disturbance from low-frequency noise in the environment: A survey among the local environmental health authorities in Sweden[J], Journal of Sound and Vibration, 1988.

[12]徐立．我国汽车电磁兼容技术发展状况[J]．安全与电磁兼容, 2003.

[13]徐立. 欧盟关于汽车电磁兼容(EMC) 最新技术要求[J].汽车电器,2006.