一种高可靠车载光耦隔离按键触发电路设计与实现

陆华 龙韬

摘 要：本文实现了一种车载光耦隔离按键触发电路设计，介绍了按键、光耦器件的特点，阐述了光耦隔离按键触发电路的组成、工作原理和PCB设计要点，分析了电路在车载应用场景的验证和使用情况。通过车辆仪表盘按键触发信号输入和智能处理设备的输出控制響应，车辆可以实现交通占道违章监管和一键报警功能，具有电路简洁，高可靠性，快速响应，零误动作等特点，适应于各类车辆后装工程复杂多变的车载电磁环境。

关键词：按键 触发 光耦隔离 高可靠性 干扰

Abstract：This paper implemented the design of high reliability of vehicle push-button triggered circuit of optocoupler isolation， introduced the characteristics of push-button and optocoupler. It expounds the circuit composition and principles of push-button triggered circuit of optocoupler isolation and the design points of PCB， analyzing the result of testing and application in vehicle usage scenario. By using the input trigger signal of push-button in the vehicle instrument board and the response of intelligent processing equipment， the function of traffic supervision of break rules and regulations and alarm of push-button are achieved. The design is of the advantages of concise， high reliability， quick response and no malfunction， which accommodates the complicated and varied electromagnetic environment of after-modification of vehicle.

Key words：push-button， triggered， optocoupler isolation， high reliability， interference

1 引言

按键是各类仪器仪表设备常用的人机交互接口，同时也是外部控制信号输入的普遍方式。常见的机械式按键内部触点结构大都使用弹性金属簧片，按键动作时不可避免产生触点抖动现象，此外，如果按键设备所处工作环境的电磁干扰较强，也很容易在输入电路中引入干扰脉冲[1]，不做处理则会出现按键失灵，导致按键误触发或无响应。常见的按键触发方式分为低电平触发和高电平触发。

车载环境具有供电电压波动范围大，电磁干扰复杂的特点，根据工程实践经验，DC24V等级供电的车型，其地线电平常见波动范围是0～3V，在某些情况下，地线电平波动范围上限甚至会超过5V。如此大的地线电平波动范围，对于车载设备低电平触发的控制信号来说输入信号动态范围波动大，为满足高可靠性，保障不出现误触发或无响应的故障，对于电路设计提出了一定的要求。

在电路设计中，将处理器与外部输入触发信号之间进行电气隔离，是解决上述按键失灵问题行之有效的方式。常见的电气隔离方法包括光耦隔离、变压器隔离和继电器隔离等，光耦隔离与其他的隔离方法相比，具有体积小巧、结构简单、响应快速、工作稳定、使用寿命长、成本低廉、电气隔离能力和抗干扰能力强等优势，在信号隔离传输设计中被广泛使用。采用光耦隔离方法，实现电路中信号的光学隔离，既能使输入信号无阻无损通过，且防止输出信号反馈到输入端，有力地抑制尖峰脉冲和各种噪声导致的干扰[2，3]，适应的电压波动范围广。

2 光耦的特征和工作原理

光耦是光电耦合器的简称，它是一种把发光元件和光敏元件设计在同一个器件外壳内经封装而成的以光为媒介传输信号的“电-光-电”转换器件，当输入端通过电信号时，发光元件发出光源，受光元件接受光源后有光电流生成，沿输出端流出[4]，进而导通输出电路。常见的光电耦合器件依据采用光敏元件的差异分为多种类型，如光电三极管型、达林顿型和光控晶闸管型等。一般光耦的输入阻抗很低（100～1000Ω），输入输出间的电容很小（0.5～2pF），绝缘电阻大（1011～1013Ω），具有很高的电气隔离和电磁噪声抗干扰能力[3]。

光耦隔离就是采用光耦对电信号进行隔离，被隔离的输入输出两部分电路通过光电耦合器内的光传递信号，使被隔离的输入和输出电路之间不形成电的直接连接，防止因有电气连接而造成干扰和损坏。光耦的信号单向传输，输出信号对输入端信号无相互影响，共模抑制比大，响应速度较快，磁场抗干扰能力强，无触点，寿命长，易于逻辑电路配合，这使光耦获得广泛应用[5，6]。

3 电路组成、功能及原理分析

3.1 电路组成和功能

本设计的光耦隔离按键触发电路是车端智能设备1的功能电路之一，车端主要包括智能设备1、智能设备2、传感器相机、违章拍照按键、一键报警按键和交换机，云端包括云端服务器和数据中心。所处的电路中智能设备1负责数据处理和控制，其中包含光耦隔离按键触发电路。智能设备2负责提供GPS数据和定位，传感器相机负责相机图像采集，违章拍照和一键报警两个按键用于响应驾驶员的触发需求，交换机用于网络数据传输，可传输交通违章取证图片和警报及视频流，并通过4G通讯传输至云端的服务器和数据中心。触发按键所处的电路结构图如图1所示。

智能设备1中的光耦隔离按键触发电路主要包括输入触发按键，触发信号，防护电路，光耦，电平转换器，处理器和输出控制信号组成。输入按键为车辆的仪表盘按键，是一种自复位式按键，按键触发动作完成后可自动回弹，用于响应驾驶员的触发需求，包含两个按键，用于实现占道违章监管和一键报警两种触发功能，且均为低电平触发，通过车辆仪表盘的按键实现触发，占道违章监管功能驾驶员可以一键上传交通专用车道违章行驶和停驶等违法行为，实现即时回传到监管平台，有效上报违章情况；一键报警功能是当驾驶员预判车内出现威胁公共安全的突发事件或由于自身身体不适等状况，通过按键触发紧急事件上报功能，实现即刻告知远程监管平台。防护电路主要包括滤波电路、电压瞬态抑制电路和肖特基二极管保护电路。光耦型号为工业级直流输入单通道光耦。处理器为智能处理设备按键触发电路板的高性能处理器，同时进行按键触发信号的二次检测和软件消抖。输出控制信号为处理器决策后的控制信号，给执行设备发送指令，并将处理结果经网络发送至后台数据中心。触发按键的光耦隔离按键触发电路结构及数据流如图2所示，自复位式触发按键工程样件如图3所示。

3.2 电路原理分析

光耦隔离部分控制电路如下图4所示。U513为一光敏三极管型光耦，当有输入按键动作触发时，输入信号GPIO01_ISO_IN0为低电平，这时光耦中的发光二极管流过电流而发光，光敏三极管受到光照后集电极和射极导通而接地，光敏三极管流过电流，此时输出信号GPIO01_LS为低电平，并通过电平转换器后输入处理器。当按键无动作触发时，输入信号GPIO01_ISO_IN0为默认的悬空状态，光耦中的发光二极管电路不能形成回路而导通，此时光耦中的发光二极管无电流产生因而不发光，光敏三极管处于截止状态，集电极和射极不导通，这时输出信号GPIO01_LS默认为上拉的高电平，并通过电平转换器后输入处理器。保护电路中，肖特基二极管D641反向偏置，可防止在默认状态时，因外部电磁干扰引发发光二极管误导通，起到保护作用。

需要说明的是，即使在电磁干扰严重的车载环境和场景下，输入信号GPIO01_ISO_IN0输入的低电平波动范围比较大，极限值有可能达到6V～7V，此时，通过合适的电路参数配置，发光二极管的电流仍然维持在5mA以上，满足导通的要求，电路依然能正常工作，保障不受电磁干扰和输入信号电压异常波动的影响。

电平转换器实现将TTL电路电平转换为CMOS电路电平。由于处理器的IO电平为1.8V CMOS电平，光耦输出的3.3V TTL电平信号GPIO01_LS经过U13电平转换芯片转换成所需的1.8V CMOS电平信号GPIO01，进而输入处理器的GPIO接口。电平转换部分电路如图5所示。

3.3 PCB设计要点

为增强电路的抗干扰能力，PCB设计的重要性同等重要。PCB布局时，将高频器件和功耗较高的器件远离光耦，可以降低频率和温度对光耦可靠性的影响。同时，保持PCB科学布线，将数字信号与模拟信号之间，高频信号与低频信号之间，光耦的输入信号与输出信号之间以及强电信号与弱电信号之间，按照通用布线规则保持尽可能大的间距，合理设计层叠结构，关键信号和敏感信号包地处理，杜绝交叉走线，能使隔离和屏蔽效果达到最优，提高电路运行的稳定可靠。

4 结果分析

电路板制作回板和板卡软硬件调测通过后，安装适配的结构外壳组成智能处理设备整机，经过常温老化测试后安装在测试车辆仪表盘区域，安装位置如图6所示。經测试，在多种天气条件下，以及在起步、匀速行驶、加速、减速、急刹车等多种运行状态下，按键触发输入动作均能快速可靠地响应，运行半年来统计测试结果为零误触发和零无响应，各项功能性能测试指标符合电路设计要求。

5 结语

本文实现了一种后装车载光耦隔离按键触发电路设计和应用，通过光耦隔离按键触发电路的设计，能够快速响应各类车辆仪表盘按键触发信号输入，可以实现交通占道违章监管和一键报警的功能性能要求，具有成本低，电路结构简单，可靠性高，响应快速，零误动作和零无响应等特点，能够适应于工程改装中复杂多变的车载电磁环境。当前，电路测试和应用的样本量不够大，没有对电路的可靠性寿命作出理论分析和数据统计，这些问题还需进行下一步的研究。

参考文献：

[1]王松林.按键开关可靠触发的软件处理方法[J].现代计算机，2010，09：133.

[2]刘洋.光耦隔离芯片失效分析研究[J].电子元器件与信息技术，2022，02，23.

[3]陆泉森.光耦隔离技术在智能测控系统中的应用[J].机械与电子，2008，02，53.

[4]闻有禄.光耦隔离差分总线收发器芯片的设计[J].飞机设计，2017，37（01）36.

[5]李霆霆.一种MHz光耦隔离放大器的设计与分析 [J].电子学报，2014，42（07），1398.

[6]周林富.模拟信号光耦隔离方法及应用分析[J].工业仪表与自动化装置，1995，03，14.