汽車LED燈具閃爍中按鍵噪聲控制機(jī)理研究

李祥兵

（神龍汽車有限公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430050）

汽車LED燈具閃爍中按鍵噪聲控制機(jī)理研究

李祥兵

（神龍汽車有限公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430050）

一直以來，電路中由于按鍵噪聲對電器元件的輸入、輸出存在很大干擾，怎樣消除按鍵噪聲，成為電路設(shè)計(jì)中的一大難題。本文借助東風(fēng)標(biāo)致T88前照燈開發(fā)過程中出現(xiàn)LED位置燈無故閃爍的問題，詳細(xì)分析了按鍵噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，以及采取的相關(guān)對策。該研究對其他按鍵噪聲課題也具有重要的指導(dǎo)作用。

按鍵噪聲；閃爍；硬件；軟件

按鍵噪聲，即開關(guān)在按鍵接觸過程中產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)。當(dāng)按鍵閉合和斷開時(shí)，由于機(jī)械觸點(diǎn)本身的機(jī)械彈性效應(yīng)，導(dǎo)致接觸點(diǎn)的電壓并不是保持恒定，而是出現(xiàn)抖動(dòng)［1］。根據(jù)按鍵不同的機(jī)械特性，抖動(dòng)的時(shí)間長短不一。這種抖動(dòng)產(chǎn)生的直接后果是對輸出電壓產(chǎn)生瞬間的波動(dòng)，有時(shí)甚至產(chǎn)生高頻和高幅的尖峰波，若外界接有其他設(shè)備，很可能導(dǎo)致設(shè)備啟動(dòng)甚至燒損。在車輛系統(tǒng)中，鍵盤、按鍵、繼電器等開關(guān)設(shè)備都會產(chǎn)生不同的按鍵噪聲。為了消除按鍵抖動(dòng)，并保證系統(tǒng)對鍵盤的一次輸入僅響應(yīng)一次，通常需要在硬件和軟件上采取不同的措施。一般來說，在項(xiàng)目后期硬件變更周期長、成本高（含EMC重做試驗(yàn)），而直接更改軟件，則相對簡單實(shí)用，因而得到更加廣泛的應(yīng)用。

1 開關(guān)按鍵噪聲去除的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)方式

1.1 按鍵噪聲產(chǎn)生的機(jī)理分析

機(jī)械開關(guān)的觸點(diǎn)從斷開到閉合，或從閉合到斷開，表面上只經(jīng)過一次變化，實(shí)際上，開關(guān)的觸點(diǎn)在此過程中將會發(fā)生抖動(dòng)。換句話說，從斷開到穩(wěn)定閉合的過程中，開關(guān)要經(jīng)過若干次的接通和斷開，從閉合到完全斷開的過程中亦如此［2-3］。圖1簡單描繪了機(jī)械開關(guān)的動(dòng)作狀態(tài)，在電平發(fā)生變化時(shí)，其前后都有無數(shù)個(gè)小脈沖，其持續(xù)的時(shí)間根據(jù)按鍵觸點(diǎn)的材料不同而不同。對通用繼電器而言，一般認(rèn)為抖動(dòng)持續(xù)時(shí)間為10～40ms。盡管這種變化很難用肉眼和簡單的儀表測出，但是用計(jì)數(shù)器或示波器則可以準(zhǔn)確地測出機(jī)械開關(guān)動(dòng)作的波形。

圖1 繼電器開關(guān)的動(dòng)作狀態(tài)

按鍵噪聲對整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行具有很大的破壞作用。由于按鍵之后本身輸出的無規(guī)則性，導(dǎo)致外界無法識別出系統(tǒng)是否提供了輸入，從而導(dǎo)致系統(tǒng)誤判。比如，對響應(yīng)敏感度較高的設(shè)備，如LED，當(dāng)對按鍵噪聲不做任何處理時(shí)，其直接后果是在按鍵的一瞬間，LED會得到一個(gè)很高的峰值電壓，導(dǎo)致LED比正常狀態(tài)更亮，其壽命會大大下降甚至造成LED燒損［4］。因此，盡可能地消除按鍵噪聲，對系統(tǒng)的理想控制具有重要的意義。

1.2 按鍵噪聲去除的基本方法

1.2.1 硬件去噪

通常情況下，硬件去抖動(dòng)主要采用在開關(guān)的輸出端增加濾波電容的方式，通過電容本身的儲電、放電的功能，將開關(guān)輸出端在瞬間出現(xiàn)的尖峰波轉(zhuǎn)化為比較平整、頻率正常的波形。如圖2所示。

由于電容器的容抗會隨著兩端所加的交流電的頻率不同而發(fā)生改變，參照公式Z=1／2×3.14×F.C。根據(jù)需要來濾除頻率電流，設(shè)置不同的容值。這樣就可以把不需要的電流引到大地，從而完成濾波。而對需要的頻率電流，電容會處于通路或阻抗很小的狀態(tài)。交流電通過時(shí)，是反復(fù)充電和放電的過程。電容是并聯(lián)的，其中充放電的時(shí)間T=R×C。若C越大，充放電時(shí)間越長，這樣電壓越接近穩(wěn)定。由于C越大，只能過濾高頻，所以一般后面再并聯(lián)一個(gè)小電容，過濾低頻。這樣，既能使電路板本身特有的諧振可以被抑制掉，從而減少噪聲的產(chǎn)生，同時(shí)也可以降低電路板邊緣輻射以緩解電磁兼容問題。

當(dāng)然，關(guān)于硬件去噪的方式，目前比較流行的還有通過施密特觸發(fā)器以及RS觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)［5-6］。前者只要保證外界的干擾電壓（開關(guān)抖動(dòng)產(chǎn)生電壓）不超過施密特觸發(fā)器的遲滯寬度ΔU值，則輸出的電壓即為恒定值。后者通過信號線的邏輯信號以保證輸出不變。比較先進(jìn)的方式還有采用電磁帶隙結(jié)構(gòu)和EBG結(jié)構(gòu)，即通過選用不同帶寬的EBG結(jié)構(gòu)來抑制噪聲，該結(jié)構(gòu)被廣泛運(yùn)用在電路板本身的噪聲抑制中，具有很好的開關(guān)噪聲抑制作用。

1.2.2 軟件去抖動(dòng)

軟件去抖動(dòng)和一次按鍵的處理，是軟件程序的基本要求［7］。其主要步驟通常是，當(dāng)程序檢測到有鍵按下時(shí)，執(zhí)行一個(gè)延時(shí)程序，然后再掃描一次，確認(rèn)該鍵是否仍然閉合。如果仍然閉合，則可以確認(rèn)該鍵確實(shí)按下，從而可以消除抖動(dòng)的影響。如果第2次掃描時(shí)發(fā)現(xiàn)按鍵沒有接觸，軟件將此次按鍵動(dòng)作視為無效，軟件就不輸出按鍵未成功按下的指令。如圖3所示。

2 標(biāo)致T88前照燈LED位置燈閃爍的機(jī)理分析

標(biāo)致T88前照燈LED位置燈在前期開發(fā)過程中，曾出現(xiàn)閃爍問題。出現(xiàn)閃爍問題的主要工況為：車輛遙控解鎖時(shí)；車輛休眠后再開門時(shí)；切換位置燈開關(guān)時(shí)；休眠狀態(tài)無任何操作時(shí)，上述工況都會出現(xiàn)LED位置燈周期性的無故閃爍。

因第4種工況與繼電器無關(guān)，所以，本文僅對前3種情況，在繼電器工作的情況下出現(xiàn)的閃爍進(jìn)行討論。

標(biāo)致T88前照燈位置燈電路原理結(jié)構(gòu)如圖4所示。在位置燈的輸入中，存在一個(gè)繼電器對位置燈的指令進(jìn)行控制。而在LED的輸入端口，存在一個(gè)復(fù)雜的電路對電路系統(tǒng)的輸入波形進(jìn)行整理，其中電容C1和C2分別對輸入電路的電容進(jìn)行濾波處理。由于有繼電器這個(gè)機(jī)械接觸點(diǎn)的存在，使得LED在啟閉的過程中，由于機(jī)械件的彈性效應(yīng)，系統(tǒng)輸出的電壓波形必然發(fā)生隨機(jī)波動(dòng)。由于LED啟動(dòng)的響應(yīng)時(shí)間極短，若電壓的峰值達(dá)到LED本身的啟動(dòng)電壓，LED就會出現(xiàn)點(diǎn)亮，并且其亮度會比正常要亮。這個(gè)瞬間的啟動(dòng)變亮過程，即為閃爍。

圖3 一次按鍵去噪的基本流程圖

圖4 標(biāo)致T88前照燈位置燈／DRL電路模塊圖

經(jīng)過整車試驗(yàn)測量結(jié)果，對于上述3種情況的調(diào)查表明，在遙控解鎖工況，鎖車后10 min，待汽車進(jìn)入休眠狀態(tài)后，使用遙控鑰匙解鎖，位置燈閃爍的瞬間，示波器捕捉到一個(gè)13 V／100 ms的異常輸出電壓，如圖5所示。當(dāng)汽車休眠后再開門時(shí)，待汽車進(jìn)入休眠狀態(tài)后，突然拉開車門，位置燈出現(xiàn)異常閃爍的瞬間，示波器也能捕捉到一個(gè)13V／100ms的異常輸出電壓；當(dāng)休眠狀態(tài)無任何操作時(shí)，在LED出現(xiàn)異常閃爍的瞬間，示波器也可以捕捉到圖5的黃色圓圈中的信號。由此可知，由于該異常輸出電壓的存在，導(dǎo)致LED出現(xiàn)異常點(diǎn)亮，出現(xiàn)閃爍。

通過分析硬件和軟件的執(zhí)行規(guī)律，當(dāng)繼電器閉合時(shí)，整個(gè)電路的波形和軟件執(zhí)行狀態(tài)如圖6所示。

圖5 標(biāo)致T88前照燈LED閃爍時(shí)的波形

圖6 軟件去抖動(dòng)的作用原理示意圖

由于整車BSI的軟件延時(shí)時(shí)長一定，根據(jù)前面所描述的按鍵去抖動(dòng)的原理，當(dāng)閉合繼電器（切換組合開關(guān)）的瞬間，LED電路板芯片中軟件開始第1次對繼電器的觸點(diǎn)進(jìn)行掃描，此后軟件執(zhí)行延時(shí)程序，如果以很快的速度切換LED位置燈（即圖6中t＜t′），當(dāng)軟件延遲結(jié)束時(shí)，軟件在第2次對按鍵掃描時(shí)就不會檢測到繼電器仍然閉合的信號（即第2次判斷），這樣LED就不會啟動(dòng)，因而不會出現(xiàn)閃爍問題，即輕微切換不會出現(xiàn)閃爍問題；如果按鍵噪聲結(jié)束之前，軟件延時(shí)已經(jīng)結(jié)束（即t＞t′），即軟件在第2次對按鍵進(jìn)行判斷時(shí)，軟件所掃描的繼電器的狀態(tài)仍然處于閉合或抖動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)按鍵本身產(chǎn)生一種高頻高幅電壓，LED就會出現(xiàn)閃爍。

在實(shí)際情況中，標(biāo)致T88位置燈閃爍也具有一定的周期性，即每2～3次切換（或通過突然打開車門或解鎖），LED總會出現(xiàn)輕微的閃爍，這說明去耦電容（C1，C2）在濾波過程中，電容具有累積電荷的作用。如果這2個(gè)電容的電容值選擇失當(dāng)，根據(jù)公式：T=R× C，當(dāng)所選電容越大時(shí)，電容放電所需的時(shí)間也就越長。如果在切換位置燈的過程中，時(shí)間很短，電容器就會在每個(gè)循環(huán)積累電荷（每個(gè)循環(huán)電容不能將電荷全部排出），當(dāng)積累到一定程度，即使當(dāng)繼電器輕微的切換（切換時(shí)間極短）時(shí)，電容器也會在短時(shí)間內(nèi)排放出大量電荷，使LED啟動(dòng)而導(dǎo)致閃爍。也就是說，由于電容中電荷的累積導(dǎo)致了LED出現(xiàn)周期性的閃爍。因此，在電路板的設(shè)計(jì)上，濾波電容的選取對解決閃爍問題也至關(guān)重要。

3 解決措施分析

通過以上分析可以看出，BSI軟件延時(shí)、繼電器觸點(diǎn)、位置燈電路板之間存在相互協(xié)調(diào)的關(guān)系，才能保證電路不會出現(xiàn)LED閃爍的問題。

3.1 硬件

從硬件上看，由于繼電器本身的彈性變形，使電壓產(chǎn)生波動(dòng)，就需要在電路板上對硬件進(jìn)行變更，在不改變電路板布線的前提下，采用優(yōu)化高低頻電容（C1和C2）的方式來對尖峰波進(jìn)行濾除。

這種方式盡管可以解決大部分的閃爍問題，但是由于對電路板修改后會造成電路中時(shí)變電流的變化，而時(shí)變電流是電路產(chǎn)生電場和磁場的根本原因。更改電容值后，所產(chǎn)生的電場和磁場對外界其他物體的影響分析（電磁干擾：EMI），以及外界電磁干擾對該P(yáng)CB電路板影響（電磁耐受：EMS），都必須重新通過EMC的相關(guān)試驗(yàn)得到驗(yàn)證評估，因而相應(yīng)的開發(fā)成本也會增加。

3.2 軟件優(yōu)化

當(dāng)軟件延時(shí)時(shí)間t′＜t時(shí)，即當(dāng)軟件延時(shí)已經(jīng)結(jié)束，繼電器開關(guān)觸點(diǎn)仍然在處于振動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)必然輸出一個(gè)尖峰波，導(dǎo)致LED瞬間變亮；當(dāng)軟件的延時(shí)t′＞t時(shí)，即當(dāng)繼電器開關(guān)觸點(diǎn)抖動(dòng)過程結(jié)束時(shí)，此時(shí)軟件仍在執(zhí)行延時(shí)程序，當(dāng)開關(guān)接觸完好后（無抖動(dòng)），此時(shí)軟件再發(fā)出一個(gè)繼電器接觸的指令，此時(shí)的電壓就會處于一種很平穩(wěn)的狀態(tài)來啟動(dòng)LED，就不會導(dǎo)致LED閃爍。

通過對T88前照燈LED電路板主芯片的軟件延時(shí)進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)其延時(shí)只有50ms，而對于繼電器這種機(jī)械件觸點(diǎn)而言，由于材料本身的彈性，導(dǎo)致人無論采取多快的速度來切換開關(guān)（繼電器），切換開始到切換結(jié)束的時(shí)間總是大于50ms。由于繼電器觸點(diǎn)的機(jī)械屬性是物質(zhì)的固有屬性，可以看成是一個(gè)恒定的量，要想從軟件角度來解決在切換過程中的閃爍問題，只有將軟件延時(shí)加長，使之完全覆蓋機(jī)械觸點(diǎn)的整個(gè)抖動(dòng)過程。

事實(shí)上，在T88前照燈LED位置燈的閃爍問題的分析中，經(jīng)過了多輪的軟件優(yōu)化（容值優(yōu)化和延時(shí)優(yōu)化，如表1所示）和反復(fù)調(diào)試驗(yàn)證，最終確定容值33 μF和軟件延時(shí)150ms搭配時(shí)能完全覆蓋繼電器觸點(diǎn)的抖動(dòng)效應(yīng)，并能解決所有出現(xiàn)的閃爍問題。如表2所示，描述了LED位置燈在軟件延時(shí)150ms的工作狀態(tài)。

表1 硬件和軟件設(shè)計(jì)

表2 采用軟件延時(shí)150ms后的狀態(tài)

從表面上來看，優(yōu)化軟件只能解決按鍵抖動(dòng)所產(chǎn)生閃爍問題，因?yàn)樗皇清e(cuò)開開關(guān)抖動(dòng)的時(shí)刻。但實(shí)際上，對于開門和解鎖這2種工況，由于動(dòng)作的時(shí)間很短，當(dāng)該動(dòng)作持續(xù)時(shí)間小于軟件的延時(shí)長度時(shí)，這2種工況所產(chǎn)生的繼電器抖動(dòng)也會被軟件避開，因而這個(gè)閃爍問題也可以消除。

由于優(yōu)化PCB軟件的原理是將軟件延時(shí)加長，從而使得LED點(diǎn)亮的響應(yīng)時(shí)刻滯后，因而會導(dǎo)致另一種現(xiàn)象：當(dāng)切換組合開關(guān)時(shí)，LED會滯后一個(gè)時(shí)長（根據(jù)延時(shí)而定）才響應(yīng)，因而LED點(diǎn)亮?xí)r刻響應(yīng)的靈敏度降低。但是，由于優(yōu)化系統(tǒng)軟件并沒有改變電路板的布線以及時(shí)變電流，因而對電磁兼容等方面的特性影響很小，相關(guān)的成本也相對較低，因而獲得廣泛運(yùn)用。由于該方法更改方便，且大部分情況下不用新增試驗(yàn)來驗(yàn)證，因此獲得了很好的運(yùn)用。

4 結(jié)論

本文基于T88前照燈項(xiàng)目，討論了按鍵噪聲在電路設(shè)計(jì)品質(zhì)控制中的重要影響和機(jī)理。所得出的結(jié)論：①對于按鍵噪聲，通過硬件和軟件的優(yōu)化，可以最大限度地降低其對系統(tǒng)電路的影響。對于去耦電容值的選取以及軟件延時(shí)的設(shè)置，需要考慮繼電器本身的材料屬性以及整車BSI的狀態(tài)。②由于時(shí)變電流是否發(fā)生變化是衡量一個(gè)電路板是否需要完成相關(guān)EMC試驗(yàn)的前提，因此在電路板的后期優(yōu)化過程中，對硬件的修改需要慎重。從節(jié)約成本和周期的角度，優(yōu)先考慮對軟件優(yōu)化，然后再考慮對電路板的參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖兏?/p>

本文基于T88項(xiàng)目，討論了按鍵抖動(dòng)的基本原理，以及相關(guān)的應(yīng)對措施。按鍵噪聲是開關(guān)控制的一個(gè)重要課題，了解其原理，對整車的其他電路方面診斷（如對車門鎖的控制等），具有重要的指導(dǎo)意義。

［1］李穎宏，羅勇.PCB設(shè)計(jì)中同步開關(guān)噪聲問題分析［J］.電訊技術(shù)，2012，52（3）：395-399.

［2］郭雁林，路宏敏，李明儒，等.超寬帶抑制同步開關(guān)噪聲的新型電磁帶隙結(jié)構(gòu)［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，29（5）：419-423.

［3］嵇海旭，梁秀娟.機(jī)電一體化接口設(shè)計(jì)中開關(guān)抖動(dòng)的處理［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2012，（4）：59-61.

［4］李若嫻.光電檢測電路噪聲分析與噪聲處理研究［J］.產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2016，15（13）：43-44.

［5］漆黎明.電子線路的噪聲抑制研究［J］.電子制作，2016（8）：17-17.

［6］L Draetta，L Centemeri.Specifications D`environment des Equipements Electriques et Electroniques Caracteristiques Electriques［J］.New Phytologist，2011，153（2）：307-315.

［7］李祥兵，肖合林.基于Matlab的小波閾值折衷去噪算法研究［J］.電腦開發(fā)及運(yùn)用，2009（2）：4-6.

（編輯 凌波）

Mechanism Research of Button Noise Influence Control on Vehicle LED Lamp

LI Xiang-bing

（Technical Center，Dongfeng Peugeot Citroen Automotive Company Ltd，Wuhan 430050，China）

The noise caused by button push has always posed great interference on input and output of electronic components，which becomes a bottleneck in circuit design.Through analyzing the irregular flash defect on Peugeot 3008 front lamp，the article investigates the noise cause and relevant solutions，which provides valuable reference for other research on button noise.

button push noise；flash；hardware；software

U463.65

A

1003－8639（2017）02－0018－04

2016-08-12；

2016-09-10

李祥兵（1981-），男，湖北宜昌人，工程師，碩士，主要研究方向車燈開發(fā)設(shè)計(jì)。