车载电子系统的接地设计研究

饶义琼，罗明阳

（重庆金美通信有限责任公司，重庆400030）

车载电子系统的接地设计研究

饶义琼，罗明阳

（重庆金美通信有限责任公司，重庆400030）

针对目前各种车载电子系统接地设计不合理暴露出来的各种问题，在研究分析接地作用、接地环路和接地种类的基础上，根据通信车的电子设备和装车环境的特点，对接地技术进行研究，提出一种简单实用的接地设计方法。并使用电磁兼容仿真软件对设备进行了仿真，对设备组成系统进行了试验。仿真和试验结果表明该接地设计方法是正确、可行和有效的。

电磁兼容；地回路；悬浮接地；单点接地；多点接地；电磁屏蔽

1 引 言

接地设计是电子系统最基本的要素，看似简单，其实很复杂，接地设计涉及电源安全、电磁兼容、信号串扰等问题，错综复杂。不同单元、设备、系统和应用环境的接地要求和方式都不尽相同，解决不好会导致单元工作不稳定、设备工作不可靠，最后影响到系统稳定性。

随着国家信息化建设的快速推进，信息系统的设备互连关系越来越复杂。目前特殊应用的车载信息处理系统内部设备种类和数量繁多，由于没有统一的接地设计规范要求，不同厂家研制的设备接地方式五花八门，在设备装车互连形成系统后出现的问题千奇百怪，给系统工作的安全性和可靠性带来极大隐患。

由于接地技术十分复杂，针对通信车电子系统的特点，下面提出一种较简单的接地设计方法。

2 接地设计分析

2.1 地的作用

从安全性看，地是大地或地球，处理不好会因高压危及人身安全；从结构上看，地是设备的金属外壳，处理不好会带来电磁骚扰和电磁干扰等电磁兼容性问题；从电气性能上看，地是电路的基准电压，处理不好将导致电路工作不稳定［1］。

总而言之，地就是为电路或系统提供参考等电位的点或面，为电流流回源提供一条低阻抗路径，为噪声提供一个低阻抗通路。地的这些作用都要求地的阻抗尽可能低，地回路尽可能简单。

2.2 如何提高地系统可靠性

如何降低地回路的阻抗，是提高地系统可靠性的重要措施，是地设计的关键技术，一般从以下几个方面考虑：

（1）参考趋肤效应，导线表面积尽可能大，表面部分电阻抗尽可能低。

（2）导线尽可能短，导线的长短要参考工作频率。

（3）选择适合信号或噪声频率的接地方式。

导线阻抗的计算公式如下［2］：

导线的阻抗与截面积、长度和信号频率的关系如表1所示。

表1 导线阻抗（Ω）

从表1关系可见，导线的长度越短，截面积越大，信号频率越小，其阻抗越小。因此为了降低地信号的回路阻抗，应尽量增大导电面积，降低导电距离［3］。

2.3 接地种类

地系统作用的多样性，导致了设计的多样性，工程设计中常用的接地种类和各自优缺点如表2所示［2］。

表2 接地种类及优缺点

在工程设计中，可根据不同的应用需求和使用环境，选择不同的接地设计方法。

3 车载系统接地特征

3.1 系统特征

通信车的电子设备都是装车应用，整个车壁是个大的屏蔽罩，通过单点接地。因此，通信车电子系统既有实验室系统和一般轮式车载系统的特征，又与两者有所区别。通信车电子系统的设备互连关系如图1所示。

从图1可看出，车内设备安装在车壁四周，通过车载电源为各设备统一提供24V直流电源，设备之间通过电缆互连，在系统内部有三种系统总线：电源线、地线和信号线。

图1 设备连接关系

3.2 设备特征

通信车电子系统的设备都是采用导电材质的金属外壳，设备内部一般都由多个单元板组成，设备内部分为屏蔽地、机壳地、安全地、数字地、信号地、模拟地等，如图2所示。图2中设备内部各种地的用途如表3所示。

从图2和表3可以看出，设备内部采用悬浮接地和单点接地相结合的设计，即相对于设备机壳和电缆的屏蔽地，设备内部的数字地和模拟地是悬浮的，整个设备通过接地柱一点接地。

图2 设备内部地组成

表3 设备各种地的用途

3.3 接口特征

通信车电子系统设备之间的电气信号通过接口电缆互连，电缆外部都设计有屏蔽层，接口连接器都是导电良好的金属外壳，与设备外壳能够良好导通。因此，系统内部设备之间通过接口电缆互连后，设备外壳和电缆外壳形成一个整体屏蔽层，如图3所示。

从图3可以看出，设备之间的接口信号在屏蔽体内传输。

4 车载系统接地设计方法

4.1 设备地设计

通信车电子系统设备内部的接地设计如图4所示。设备内部通过隔离电源模块产生设备内部工作电源（＋5V）和工作地（GND）；通过接口电缆与其它设备互连的数字地和信号地与GND直接短接；模拟地通过电感与GND连接；单元板的安装孔在单元板内悬浮，不与单元内的任何地信号连接，安装后与机壳的屏蔽地PGND短接；输入的24V电源负极24－在设备内也是悬浮。

图3 设备接口互连关系

图4 设备内部接地设计

根据图4设计的各种地信号关系为：PGND≠24V－≠GND≈AGND，即对于单设备来说，24V－、GND和AGND都是悬浮的信号。

4.2 系统地设计

通信车电子系统内部的地设计如图5所示。设备内部的GND和AGND是悬浮接地设计，与系统的PGND没有连接，相对于系统的屏蔽地PGND来说是悬浮的；设备之间的PGND和24V－是多点接地设计，每个设备通过电源线和地线分别接到电源总线（24V＋和24V－）和地总线（PGND）；PGND与24V－之间是单点接地设计，PGND总线和24V－总线最后在车壁的一点汇集，通过车壁连接至大地。

根据图5设计的各种地信号关系为：PGND＝24V－≠GND≈AGND，即对于单系统来说，GND和AGND都是悬浮信号。GND和AGND只作为设备内部的参考地，被系统的屏蔽地包裹住。

图5 系统内部接地设计

为解决电磁兼容及噪声干扰和信号串扰等问题，在工程设计时，要求设备结构和电缆屏蔽层的导电性能和屏蔽性能良好，电源和地总线尽量粗。

4.3 仿真及试验

根据上述的设备接地设计方法，使用Cadence公司的系统仿真工具Simulator［4］对设备及系统进行了电磁兼容仿真，仿真结果如图6所示。

根据电磁兼容试验要求，对七个设备串接起来的系统进行了电磁兼容试验测试，试验项目中RE102的30MHz～200MHz水平极化扫描测试，辐射信号得到了有效抑制。

仿真和试验结果表明，按照上述接地设计方法，通信车电子设备通过电缆互连形成后，系统工作稳定，数据传输可靠，话音质量良好。

5 结束语

这种适用于通信车系统的电子设备接地设计方法，简单实用，具有很好的工程设计指导和参考性。该方法已用于实际项目中，并已形成产品，经过长时间的运行测试，系统运行稳定可靠，证明了该方案是切实可行的。若是其它装甲底盘车载系统和交流供电系统，可在参照本方法的基础上，进行末端接地的多点汇集。

［1］ 中华人民共和国国家军用标准.GJB1210－91接地、搭接和屏蔽设计的实施［S］.北京：国防科学技术工业委员会，1992.

The People＇s Republic of China National military standard.GJB1210－91，Implement of Ground，Connect and Screen Design［S］.Beijing：National Defense Science and Technology Industry Committee，1992.

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Yu Xueping.Ground Engineering Technology and Theory of Electromagnetic Compatibility［R］.Beijing：Beijing Emcare Electronic Technology Co.，Ltd.2009，http：//www.emcare.com.cn.

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Yang Kejun.Electromagnetic Compatibility Principle and Design Technique［M］.Beijing：The People＇s Posts and Telecommunications Press，2004.

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Design and Research on Vehicle Electronic System Grounding

Rao Yiqiong，Luo Mingyang
（Chongqing Jinmei Communication Co.，Ltd.，Chongqing 400030，China）

Aiming at the disadvantages of design on the vehicle electronic system grounding，by analyzing the grounding connection，grounding loop and ground types，according the characteristics of the electronic equipment and vehicle environment，the grounding technology is researched and a usable grouding design method is put forward.The simulation software is used to simulate the electromagnetic compatibility of equipments，the system composed by several equipment is tested.The result of simulation and test show that the design is correct，feasible and effective.

Electromagnetic compatibility；Ground loop；Float grounding；Single grounding；Multi grounding；Electromagnetic screen

10.3969/j.issn.1002－2279.2015.06.019

TN5

B

1002－2279（2015）06－0070－04

饶义琼（1977－），女，四川省巴中市人，工程师/本科，主研方向：通信与网络系统测试。

2015－03－10