詹思敏

（1.福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福州 350000； 2.福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院 福州 350000）

引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，越來越多的電子技術(shù)應(yīng)用到汽車的各個(gè)系統(tǒng)中，汽車電子[1]市場(chǎng)隨之急速增長(zhǎng)。車輛上增加了許多電子產(chǎn)品，它們?cè)谡嚦杀局械谋壤鲩L(zhǎng)到30%甚至更高。但機(jī)動(dòng)車上的任何一個(gè)電子零部件受到外界電磁干擾后引起的誤動(dòng)作都將引起不可預(yù)估的破壞性，甚至危及到用戶的財(cái)產(chǎn)和生命安全。因此如何保障功能各異的汽車電子產(chǎn)品在整車復(fù)雜的電磁環(huán)境中持續(xù)穩(wěn)定地正常工作成為了世界各國(guó)的關(guān)注焦點(diǎn)。發(fā)達(dá)國(guó)家及相關(guān)國(guó)際組織紛紛采取積極措施，加強(qiáng)汽車電子電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)法規(guī)制訂，甚至將其列入市場(chǎng)準(zhǔn)入制度。

1 電磁場(chǎng)抗擾度相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（見表1）

ISO 11452系列標(biāo)準(zhǔn)是目前車載電子國(guó)際通行的電磁場(chǎng)抗擾度標(biāo)準(zhǔn)[2-4]。ISO 11452-8[5]中規(guī)定，汽車中的發(fā)電機(jī)、輸電線路以及一些強(qiáng)大的電氣設(shè)備（如馬達(dá)），會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)，暴露在此磁場(chǎng)中的車載電子產(chǎn)品要執(zhí)行此項(xiàng)測(cè)試。該標(biāo)準(zhǔn)定義了15Hz～150kHz頻段磁場(chǎng)抗擾度的測(cè)試，最大磁場(chǎng)強(qiáng)度值可達(dá)1000（A/m）。根據(jù)樣品體積的不同，測(cè)試方法有亥姆霍茲線圈法和輻射環(huán)法。ISO 11452.3和ISO 11452.5規(guī)定了其他兩種不同的測(cè)試方法：TEM小室法和帶狀線法。本文的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)涉及的頻段主要針對(duì)15Hz～150kHz。

表1 不同磁場(chǎng)發(fā)生裝置選型比較

2 電磁場(chǎng)產(chǎn)生及試驗(yàn)方法

2.1 亥姆霍茲線圈法

利用任意波形發(fā)生器，通過音頻功放，讓亥姆霍茲線圈產(chǎn)生一個(gè)合適的磁場(chǎng)，霍爾探頭放在亥姆霍茲感應(yīng)線圈中心，并適當(dāng)調(diào)整方向以探測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度的最大值。同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其磁場(chǎng)強(qiáng)度值，根據(jù)高斯計(jì)的讀數(shù)適當(dāng)調(diào)整任意波發(fā)生器的輸出電平以得到測(cè)試規(guī)定的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

2.2 輻射環(huán)法

調(diào)節(jié)任意波發(fā)生器的輸出，通過功放放大后，饋入合適的輻射環(huán)天線，以產(chǎn)生所需的試驗(yàn)磁場(chǎng)。對(duì)于大于3Hz的磁場(chǎng)，通過相應(yīng)的監(jiān)測(cè)環(huán)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)磁場(chǎng)，將監(jiān)測(cè)環(huán)上的電平饋送到示波器上進(jìn)行監(jiān)測(cè)；對(duì)于DC-3Hz的磁場(chǎng)，則利用高斯計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.3 TEM小室法

TEM小室是由特性阻抗為50Ω的矩形同軸線構(gòu)成，主段和兩邊逐漸減小的過渡段，均具有50Ω阻抗特性。將高頻電磁能量饋入TEM小室，在室內(nèi)形成一個(gè)均勻的行波電磁場(chǎng)。

2.4 帶狀線法

在帶狀線一端饋入激勵(lì)功率，另一端接以寬帶匹配負(fù)載，在帶狀線裝置內(nèi)形成橫電磁行波。產(chǎn)生穩(wěn)定均勻的磁場(chǎng)區(qū)域，主要集中在導(dǎo)帶的中心線附近，并且比較強(qiáng)。

3 系統(tǒng)的原理及框架組成

測(cè)試系統(tǒng)利用GPIB、TCP/IP、USB總線將各臺(tái)儀器相連接，通過現(xiàn)場(chǎng)儀表實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控，使用自主開發(fā)的控制軟件構(gòu)成完整的電磁場(chǎng)抗擾度測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試平臺(tái)將信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的干擾信號(hào)通過功率放大器放大后，利用電磁場(chǎng)發(fā)生裝置將該干擾信號(hào)施加在受試設(shè)備上，再通過監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)相關(guān)的強(qiáng)度值，根據(jù)反饋的電磁場(chǎng)強(qiáng)度信息適當(dāng)調(diào)整信號(hào)源輸出電平以達(dá)到所需的電磁場(chǎng)強(qiáng)度。同時(shí)，利用攝像頭、拾音頭和監(jiān)控儀表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)測(cè)試平臺(tái)的工作狀態(tài)，保障測(cè)試系統(tǒng)安全運(yùn)行。系統(tǒng)框架圖見圖1～圖3。

4 測(cè)試系統(tǒng)軟件架構(gòu)

4.1 開發(fā)平臺(tái)的選擇

面向?qū)ο蟮臒衢T開發(fā)環(huán)境有V C，E C L I P S,ANDROID，LabVIEW[6]等。經(jīng)過對(duì)這些軟件的比較分析，最終選用美國(guó)國(guó)家儀器公司所開發(fā)的實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)LabVIEW 2011做為軟件開發(fā)環(huán)境。LabVIEW使用圖形化程序，采用“數(shù)據(jù)流”的概念打破傳統(tǒng)的思維模式，提供了豐富的儀器接口驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)分析子程序，使得程序設(shè)計(jì)者在流程圖構(gòu)思完畢的同時(shí)也完成了程序的撰寫。

測(cè)試平臺(tái)采用計(jì)算機(jī)控制，通過GPIB總線控制信號(hào)發(fā)生器的工作狀態(tài)以及不同儀表間的數(shù)據(jù)傳輸，采用智能化編程語言LabVIEW實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制、顯示與測(cè)試，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)[7-8]中規(guī)定的不同頻率間測(cè)試模式的自動(dòng)切換。

4.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式

圖1 校準(zhǔn)功能框架圖

圖2 測(cè)試軟件功能框架圖

圖3 音視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)框架圖

大量的事實(shí)證明：使用設(shè)計(jì)模式可以簡(jiǎn)化整個(gè)開發(fā)過程，更容易理解程序代碼，并可方便實(shí)現(xiàn)代碼重用。LabVIEW中設(shè)計(jì)模式主要包括數(shù)據(jù)流、主從線程模式、生產(chǎn)/消費(fèi)模式、后臺(tái)服務(wù)模式、消息隊(duì)列模式、狀態(tài)機(jī)模式、用戶界面事件模式等。其中數(shù)據(jù)流編程被看成是核心編程思想。狀態(tài)機(jī)由一系列的狀態(tài)構(gòu)成，在狀態(tài)機(jī)中，每一個(gè)狀態(tài)都可能導(dǎo)致一個(gè)或多個(gè)狀態(tài)的發(fā)生，其下一狀態(tài)是由用戶的輸入信息和當(dāng)前狀態(tài)所決定的。一個(gè)好的狀態(tài)機(jī)會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可維護(hù)性。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要應(yīng)用狀態(tài)機(jī)模式、用戶界面事件模式和消息隊(duì)列模式。為了實(shí)現(xiàn)自校功能，還采用了PID閉環(huán)控制設(shè)計(jì)的方法，在系統(tǒng)中完成信號(hào)源和目標(biāo)電磁場(chǎng)強(qiáng)度的自動(dòng)控制功能。同時(shí)還配有CRC自校準(zhǔn)程序，當(dāng)信號(hào)源、頻率或者電平有異常時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)糾錯(cuò)并彈出提示窗口，保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

4.3 軟件管理模塊框架（見圖4）

圖4 軟件管理模塊框架

4.4 軟件的測(cè)試流程圖

測(cè)試流程是測(cè)試軟件的主線，根據(jù)測(cè)試需求，實(shí)現(xiàn)全頻段各臺(tái)設(shè)備的連接和參數(shù)設(shè)置，完成所需要的各種功能。具體流程圖見圖5。

4.5 軟件界面（見圖6）

圖5 軟件測(cè)試流程圖

圖6 軟件界面

5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)與測(cè)試注意點(diǎn)

1）為了提高測(cè)試自動(dòng)化[9]程度，搭建平臺(tái)的過程中選用了支持GPIB和TCP/IP協(xié)議的儀器，如何協(xié)調(diào)分配這些儀器，使它們合理有序地正常工作，給程序的編寫上增加了很大的難度。

2）測(cè)試過程中，有些監(jiān)測(cè)設(shè)備偶爾也會(huì)受到磁場(chǎng)的影響，為了保證平臺(tái)能夠正常運(yùn)行，需要采取措施如屏蔽、接地、加磁環(huán)等對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行電磁兼容整改，使之正常工作。

3）干擾電磁場(chǎng)的駐留時(shí)間應(yīng)不低于樣品的響應(yīng)時(shí)間，測(cè)試過程中如果發(fā)現(xiàn)樣品出現(xiàn)異常，可以手動(dòng)將信號(hào)源輸出在問題頻點(diǎn)上，進(jìn)行定點(diǎn)觀察。如果有需要對(duì)樣品進(jìn)行整改，要先停止信號(hào)源的輸出。

4）軟件控制部分，在狀態(tài)機(jī)中加入PID閉環(huán)設(shè)計(jì)時(shí)，注意閉環(huán)判斷成功后需要把狀態(tài)重新賦值，回到用戶界面事件等待狀態(tài)，防止系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象。

6 結(jié)語

目前，大部分檢測(cè)機(jī)構(gòu)在電磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)過程中，受試樣品工作狀態(tài)的監(jiān)控和判定都是通過檢測(cè)人員在附近觀察，高強(qiáng)度的電磁輻射干擾發(fā)射源對(duì)檢測(cè)人員的身體健康的影響是顯而易見的。本文設(shè)計(jì)了基于LabVIEW虛擬儀器遠(yuǎn)程測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試頻段的擴(kuò)充，提高了測(cè)試效率，更好地保障了檢測(cè)人員的安全[10-11]。在未來的發(fā)展過程中，汽車電子行業(yè)[12]將融入更多高科技的智能電子產(chǎn)品。汽車電子磁場(chǎng)抗擾度測(cè)試平臺(tái)利用了已有的儀器設(shè)備，基于labVIEW虛擬儀器技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了測(cè)試自動(dòng)化，兼顧了標(biāo)準(zhǔn)的更新[13]，為汽車電子的測(cè)試提供有力支撐。

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