平行显示系统电磁抗干扰测试方法及设计建议

卜梦龙，白 云，彭 俊，甘长红

（河南凯瑞车辆检测认证中心有限公司，河南 焦作454950）

1 HUD的原理及在汽车中的应用

平行显示系统简称HUD（HEAD UP DISPLAY），起源于军事领域技术。自20世纪80年代，HUD开始从飞机嫁接于汽车。将HUD应用在汽车上是为了驾驶的安全性，使得驾驶员在驾驶过程中无需将视线转移到仪表盘或者中控上。

HUD的原理类似于幻灯片投影。利用光学反射原理，可以在挡风玻璃上显示导航、车道偏离、超速预警、车况监控、油耗、时速、防止追尾等信息，如图1所示，能够让驾驶员的注意力集中在前方路面，实现主动行车安全。

当前实现HUD的方案主要有3种［1］，一种是直接将前风挡玻璃作为显示屏，通过车载诊断系统OBD（On-Board Diagnostic）接口将车内的参数及基本信息直接投影到前风挡玻璃上。这种方案的风挡玻璃都是特制的，会造成成本的增加。

由于成本问题，一般车辆的前风挡玻璃都是普通的。为实现HUD功能，许多车辆都会后加装一块显示屏置于前风挡玻璃前，充当HUD的投影屏幕。

以上2种方案都是可以通过OBD接口来实现HUD功能，而第3种方案是通过手机导航软件，利用前风挡玻璃上的倒影来实现HUD功能。

图1 HUD的工作原理示意图

本文主要研究通过OBD接口来实现HUD，此类平行显示系统硬件主要包括信息采集、信号处理和投影显示3部分组成。一般是通过OBD接口来获得信息，经过解串器传送至单片机MCU处理信号，再通过投射装置将信息投放到汽车风挡玻璃或后装显示屏上。总体设计如图2所示。

图2 系统硬件设计图

如图2所示，单片机是信号处理的核心，也是平行显示系统的核心。供电单元DC-DC将车载电源转换为HUD正常工作的电压。

2 HUD在电磁环境中的安全性

随着现代电子技术在汽车上的大量应用，传统意义上的机械式汽车被现代电子化汽车所取代，汽车电子技术的应用在解决汽车经济性、安全性、舒适性的同时也带来了电磁兼容安全性的问题。电磁兼容性（EMC，Electromagnetic Compatibility）是指设备或系统在电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰能力［2］。

电磁干扰会破坏汽车电子系统工作的稳定性，影响汽车安全驾驶［3］。因此，为保证HUD能在复杂电磁环境下稳定地工作，对HUD进行电磁抗扰设计非常重要。

3 HUD抗电磁干扰的测试方案

汽车内的电磁干扰源主要来源于点火系统、电源和车内电子电器设备等易产生电磁干扰的执行机构［4］。车外电磁干扰源主要来源于基站、电网和通信。干扰不但对车辆外界的无线电设备造成影响，而且也会通过电源线、信号线耦合到车辆内部的电子部件，并造成不良影响。

3.1 车内外对HUD的电磁干扰主要有以下几部分

1）静电干扰：轮胎与地面的摩擦、车身与空气的摩擦、人与车的摩擦都会产生静电。静电放电会产生传导干扰，放电电弧会产生电磁辐射干扰。静电放电会影响电子单元的性能，严重时会破坏电子单元。

2）感性负载产生的瞬变干扰：汽车内电机、电磁阀等感性负载在电源突然被切断时会产生反向瞬变电压［5］。这种干扰会造成部件击穿损坏。

3）点火系统的电磁干扰：在火花塞点火时，点火线圈瞬间产生上万伏的点火电压。高压点火电弧会产生强烈的电磁干扰。

4）供电系统的电磁干扰：汽车发电机存在抛负载瞬变和激磁衰减瞬变，会产生异常电压、过电压现象和开关触点产生火花放电电磁干扰。

5）线束和部件间的相互耦合干扰：车辆中经常将各种线缆捆绑成一束线束，电源线的瞬变干扰会耦合到信号线或者控制线中［6］，形成差模信号，会对电子模块产生不良影响。

6）辐射干扰：车内和外界的通信设备和自然干扰会以电磁波辐射形式对车内部件产生影响。此类干扰影响较小。

3.2 针对以上电磁干扰特点采取以下的测试方法

1）HUD静电放电（ESD）试验

由于静电放电时产生的电磁脉冲会导致电路出现问题，从而引起设备误动作。静电放电试验会造成电荷积累，甚至会将器件击穿。轻则造成器件性能下降，重则使其内部芯片击穿、烧毁造成其永久性失效。故建议最先进行静电放电试验。HUD（通电运行）试验严酷程度等级见表1，HUD（不通电）分类试验等级见表2。

表1 HUD（通电运行）试验严酷程度等级

表2 HUD（不通电）分类试验等级

2）瞬态传导抗扰度试验

瞬态传导抗扰主要是考验HUD对正向和反向电压瞬变的抗扰能力。汽车电路中超过HUD正常工作电压范围的瞬态高电压，会影响HUD的性能甚至造成破坏。参考标准GB/T21437.2［7］以下波形进行测试，详见图3~图7，表3。

表3 瞬态传导抗扰度波形参数

3）HUD电磁抗扰性试验

针对通过空间场和线束耦合到HUD的电磁干扰，试验方法一般选用自由场法、大电流注入法、磁场抗扰度和便携式发射机法，测试频率可覆盖20Hz～6GHz，测量电平见表4。无论使用哪种测试方法，旨在覆盖所有的测试频段，且考验HUD的抗扰性能能否满足企业要求。

4 HUD的设计建议

HUD的电磁兼容机理是相当复杂的，而改善其抗扰性的最佳时期就是在设计初始阶段。通过本文中对抗扰产生的特性，可以对HUD做PCB板设计、屏蔽设计、滤波设计等。

1）材料的选择

图3 波形1

图4 波形2a

图5 波形2b

图6 波形3a

图7 波形3b

表4 HUD电磁抗扰性的试验电平

器件的原材料是构成整个HUD的基础，原材料的选取可以直接影响到整个HUD的性能和功能的可靠性。同时也关系到成本和后期的维护与使用。因此要选择合理、优质、抗干扰能力强的材料。

2）外壳设计

对壳体进行屏蔽设计，可进行镀膜处理，例如镀铜、镀锌等；进行合理搭铁处理。目的是能有效阻断电磁干扰的传输。

3）MCU的设计

选择功耗小、抗干扰能力强、集成度高的MCU，将影响整个系统的性能和可靠性。在单片机前端的输入信号线进行物理隔离或者光电转换隔离。为抑制数字信号电平转换产生的冲击电流干扰，在电源电路、信号处理电路和数字电路中合理运用去耦电容。对信号进行滤波处理。搭铁技术能在很大程度上提高系统的抗干扰能力，设计时，交流搭铁和信号搭铁分开，数字搭铁和模拟搭铁不共用，合理运用单点搭铁、多点搭铁。

4）PCB的设计

各元器件按功能集成布置，各功能模块的组件分开布置。将滤波器、光电耦合器和隔离变压器放置在靠近出线端子的地方能有效降低外部线路引进的干扰。传输线路及印刷电路板的布线设计，应注意进线与出线、信号线与电源线尽量分开，电源线和搭铁线尽量粗一点，且电流流向与信号流向相同。电路板铜线尽量同45°折线，降低公共阻抗耦合和辐射耦合；集中搭铁设计。

5）DC-DC部件设计

电源DC-DC转换器容易产生辐射和传导干扰，在电源输入端并联电容［8］，以达到对电源的滤波作用。