參考地耦合對非道路車輛智能網(wǎng)聯(lián)終端靜電放電試驗(yàn)結(jié)果的影響

王中 劉雨宸 陳天華 / 上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

0 引言

針對非道路車輛的污染排放監(jiān)管問題，國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)HJ 1014-2020《非道路柴油移動(dòng)機(jī)械污染物排放控制技術(shù)要求》中明確要求用于在線監(jiān)管的智能網(wǎng)聯(lián)終端采用TCP/IP協(xié)議作為底層通信承載協(xié)議，結(jié)合全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）以及無線通信等技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)管功能。非道路車輛智能網(wǎng)聯(lián)終端系統(tǒng)功能連接示意圖如圖1所示，在車輛內(nèi)部通過車載以太網(wǎng)等車載網(wǎng)絡(luò)從電子控制單元（Electric Control Unit，ECU）采集車輛工作狀態(tài)、實(shí)時(shí)能耗、污染排放等車輛狀態(tài)信息；在車輛外部通過連接全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)和無線通信基站將車輛識別信息、地理位置、車輛狀態(tài)信息等數(shù)據(jù)傳輸至實(shí)時(shí)在線監(jiān)管服務(wù)平臺(tái)。其中智能網(wǎng)聯(lián)終端和ECU之間的車載以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸量大且速率高，對電磁干擾非常敏感，尤其是靜電脈沖[1,2]。相關(guān)研究也表明，靜電放電的原生和次生脈沖干擾的頻率可以覆蓋幾千赫茲到幾百兆赫茲，對系統(tǒng)產(chǎn)生明顯的電磁干擾[3,4]。由于非道路車輛的作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，其電磁兼容安全性要求也較高，尤其是抗靜電放電干擾的性能，試驗(yàn)等級通常達(dá)到10 kV以上。這將對車載以太網(wǎng)通信產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響，例如數(shù)據(jù)丟包、連接中斷，甚至設(shè)備損壞[5]。在靜電放電敏感度試驗(yàn)中，當(dāng)智能網(wǎng)聯(lián)終端和ECU組成的系統(tǒng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包和連接中斷等現(xiàn)象時(shí)，難以判定這種現(xiàn)象是由智能網(wǎng)聯(lián)終端引起的還是由ECU引起的。該問題給非道路車輛智能網(wǎng)聯(lián)終端靜電防護(hù)性能的準(zhǔn)確判定帶來了很大的困擾[6-8]。

圖1 非道路車輛智能網(wǎng)聯(lián)終端系統(tǒng)功能連接示意圖

本文在不同系統(tǒng)配置條件下對一款非道路車輛智能網(wǎng)聯(lián)終端進(jìn)行靜電放電敏感度試驗(yàn)，分析試驗(yàn)中導(dǎo)致智能網(wǎng)聯(lián)終端性能降級和功能失效的原因，為車輛智能網(wǎng)聯(lián)終端靜電防護(hù)性能的判定和結(jié)果分析提供技術(shù)支撐。

1 靜電放電敏感度試驗(yàn)

基于ISO 10605：2008+A1：2014的要求[9]，試驗(yàn)中的智能網(wǎng)聯(lián)終端通過連接真實(shí)或模擬的ECU，使其處于典型工作狀態(tài)，并通過收發(fā)數(shù)據(jù)包進(jìn)行校驗(yàn)，靜電放電試驗(yàn)配置方案如圖2所示。試驗(yàn)中按要求采用的靜電放電阻容模塊為330 pF/2 kΩ。對研究中的智能網(wǎng)聯(lián)終端射頻天線端口外殼的固定點(diǎn)進(jìn)行接觸放電。按照接觸放電50次，間隔5 s的條件進(jìn)行靜電放電敏感度試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)其數(shù)據(jù)丟包率和連接中斷次數(shù)。試驗(yàn)中為了保證每次放電的獨(dú)立性，使用靜電刷對被測樣品進(jìn)行充分放電。連接真實(shí)ECU的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，連接模擬ECU的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由于正負(fù)靜電脈沖的檢測結(jié)果近似，因此，僅列出了正脈沖的檢測結(jié)果用以對比。

圖2 靜電放電敏感度試驗(yàn)配置方案

表1 真實(shí)ECU配置下試驗(yàn)結(jié)果

表2 模擬ECU配置下試驗(yàn)結(jié)果

從表1和表2可知，在真實(shí)ECU配置下進(jìn)行試驗(yàn)，系統(tǒng)從+6 kV開始出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象，+8 kV開始出現(xiàn)以太網(wǎng)連接中斷現(xiàn)象；而在模擬ECU配置下進(jìn)行試驗(yàn)，系統(tǒng)從+4 kV開始出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象，從+6 kV開始出現(xiàn)以太網(wǎng)連接中斷現(xiàn)象。如果按照局域網(wǎng)的丟包率低于1%的要求進(jìn)行判定，則在真實(shí)ECU配置下，系統(tǒng)可通過4 kV；而在模擬ECU配置下，系統(tǒng)僅通過2 kV干擾等級。如果僅通過以太網(wǎng)連接是否中斷進(jìn)行判定，則真實(shí)ECU配置下，系統(tǒng)可通過6 kV干擾等級，而模擬ECU配置下，系統(tǒng)僅通過4 kV干擾等級。由上述結(jié)果可知，在不同系統(tǒng)配置條件下，試驗(yàn)結(jié)果具有明顯的差異，這給檢測結(jié)果的判定帶來了一定的困擾。在靜電放電敏感度試驗(yàn)中，由于智能網(wǎng)聯(lián)終端和ECU組成的系統(tǒng)承受來自外部的靜電脈沖干擾，而干擾電壓會(huì)在系統(tǒng)內(nèi)部通過多種途徑傳輸和耦合，對系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生了不良的影響。以太網(wǎng)端口脈沖電壓采集結(jié)果如圖3所示，Vp+為脈沖電壓的最大正峰值，Vp-為脈沖電壓的最大負(fù)峰值。其中圖3（A）（B）（C）（D）分別為施加靜電干擾等級為+4 kV，+6 kV，+8 kV以及+10 kV時(shí)，在以太網(wǎng)端口采集的瞬態(tài)電壓波形。從圖3可知，所采集的瞬態(tài)電壓幅值高，頻率寬，對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大影響。并且，施加干擾等級為+4 kV時(shí)，脈沖電壓幅值Vp+為+0.50 kV，Vp-為-0.36 kV；施加干擾等級為+6 kV時(shí)，脈沖電壓幅值Vp+為+1.55 kV，Vp-為-0.37 kV；施加干擾等級為+8 kV時(shí)，脈沖電壓幅值Vp+為+2.01 kV，Vp-為-0.77 kV；施加干擾等級為+10 kV時(shí)，脈沖電壓幅值Vp+為+3.10 kV，Vp-為-1.30 kV。由于試驗(yàn)點(diǎn)通過印制電路板連接至參考地，所以，試驗(yàn)中在以太網(wǎng)端口未采集到高幅值的共模脈沖電壓。而靜電脈沖電壓在印制電路板（PCB）印制線間進(jìn)行不均勻耦合，導(dǎo)致了高幅值的差模脈沖電壓。

圖3 以太網(wǎng)端口脈沖電壓采集結(jié)果

2 以太網(wǎng)端口脈沖電壓采集

根據(jù)上述理論分析，使用示波器在真實(shí)和模擬ECU端的以太網(wǎng)端口進(jìn)行脈沖電壓采集，由于兩種條件下的電壓近似，僅列出真實(shí)ECU端口的數(shù)據(jù)。

3 參考地耦合對試驗(yàn)結(jié)果影響的驗(yàn)證

根據(jù)上述以太網(wǎng)端口脈沖電壓采集結(jié)果和理論分析，為了驗(yàn)證ECU端的以太網(wǎng)端口的差模電壓是由PCB參考地耦合引起，設(shè)計(jì)了一套驗(yàn)證方案，如圖4所示。為了模擬參考地與印制電路板印制線之間的靜電耦合，將以太網(wǎng)線中的一組成對線固定于接地平板表面，在圖4所標(biāo)注的距離試驗(yàn)線束水平距離（5.0±0.2） cm的驗(yàn)證點(diǎn)進(jìn)行接觸放電驗(yàn)證，結(jié)果出現(xiàn)了數(shù)據(jù)丟包和連接中斷的現(xiàn)象，且與表1和表2中的結(jié)果近似。分別采用真實(shí)和模擬的ECU進(jìn)行驗(yàn)證，兩者耦合脈沖電壓幅值近似，僅列出真實(shí)ECU端口的脈沖電壓數(shù)據(jù)，如圖5所示。其中圖5（A）（B）（C）（D）分別為施加干擾等級為+4 kV，+6 kV，+8 kV以及+10 kV時(shí)，在ECU的以太網(wǎng)端口采集到脈沖電壓Vp+分別為+0.59 kV，+1.66 kV，+2.14 kV，+3.02 kV，與圖3中結(jié)果一致。而Vp-脈沖電壓幅值較低，是耦合模型簡化后引起的差異所致。由此可以證明，研究中的智能網(wǎng)聯(lián)終端和ECU組成的系統(tǒng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包和連接中斷等性能降級現(xiàn)象是由于參考地耦合引起的高幅值差模脈沖電壓導(dǎo)致的。

圖4 參考地耦合對試驗(yàn)結(jié)果影響的驗(yàn)證方案

圖5 驗(yàn)證方案配置下以太網(wǎng)端口脈沖電壓采集結(jié)果

綜上所述，在針對非道路車輛智能網(wǎng)聯(lián)終端靜電放電試驗(yàn)中，參考地耦合所引起的高幅值差模脈沖電壓是導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)以太網(wǎng)通信數(shù)據(jù)丟包和連接中斷的主要原因。

4 結(jié)語

在非道路車輛智能網(wǎng)聯(lián)終端的靜電放電試驗(yàn)中，不同試驗(yàn)配置會(huì)導(dǎo)致不同的試驗(yàn)結(jié)果。這是由于系統(tǒng)內(nèi)各部分對靜電脈沖干擾的承受能力不同所引起的。研究中使用示波器對ECU的以太網(wǎng)端口進(jìn)行脈沖電壓采集，結(jié)果顯示以太網(wǎng)端口耦合了高幅值的差模脈沖電壓。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，通過參考地耦合所引起的差模脈沖電壓是引起智能網(wǎng)聯(lián)終端性能降級和功能失效的主要原因。

導(dǎo)致智能網(wǎng)聯(lián)終端性能降級或失效的原因主要有以下三種：（1）智能網(wǎng)聯(lián)終端以太網(wǎng)端口性能降級或失效；（2）ECU的以太網(wǎng)端口性能降級或失效；（3）以太網(wǎng)通信的物理波形疊加靜電脈沖后產(chǎn)生畸變而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟包。由此可知，試驗(yàn)中難以單獨(dú)針對智能網(wǎng)聯(lián)終端的性能進(jìn)行準(zhǔn)確判定。因此，有必要研制一種針對以太網(wǎng)端口的專用靜電脈沖抑制模塊，以實(shí)現(xiàn)在有效地釋放干擾能量的同時(shí)保持信號物理參數(shù)所受影響在允許范圍內(nèi)，這將為車輛智能網(wǎng)聯(lián)終端靜電放電試驗(yàn)及靜電防護(hù)性能判定提供一定的技術(shù)支撐。