一種高可靠車載光耦隔離按鍵觸發(fā)電路設(shè)計與實現(xiàn)

陸華 龍韜

摘 要：本文實現(xiàn)了一種車載光耦隔離按鍵觸發(fā)電路設(shè)計，介紹了按鍵、光耦器件的特點，闡述了光耦隔離按鍵觸發(fā)電路的組成、工作原理和PCB設(shè)計要點，分析了電路在車載應(yīng)用場景的驗證和使用情況。通過車輛儀表盤按鍵觸發(fā)信號輸入和智能處理設(shè)備的輸出控制響應(yīng)，車輛可以實現(xiàn)交通占道違章監(jiān)管和一鍵報警功能，具有電路簡潔，高可靠性，快速響應(yīng)，零誤動作等特點，適應(yīng)于各類車輛后裝工程復(fù)雜多變的車載電磁環(huán)境。

關(guān)鍵詞：按鍵 觸發(fā) 光耦隔離 高可靠性 干擾

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

按鍵是各類儀器儀表設(shè)備常用的人機(jī)交互接口，同時也是外部控制信號輸入的普遍方式。常見的機(jī)械式按鍵內(nèi)部觸點結(jié)構(gòu)大都使用彈性金屬簧片，按鍵動作時不可避免產(chǎn)生觸點抖動現(xiàn)象，此外，如果按鍵設(shè)備所處工作環(huán)境的電磁干擾較強(qiáng)，也很容易在輸入電路中引入干擾脈沖[1]，不做處理則會出現(xiàn)按鍵失靈，導(dǎo)致按鍵誤觸發(fā)或無響應(yīng)。常見的按鍵觸發(fā)方式分為低電平觸發(fā)和高電平觸發(fā)。

車載環(huán)境具有供電電壓波動范圍大，電磁干擾復(fù)雜的特點，根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，DC24V等級供電的車型，其地線電平常見波動范圍是0～3V，在某些情況下，地線電平波動范圍上限甚至?xí)^5V。如此大的地線電平波動范圍，對于車載設(shè)備低電平觸發(fā)的控制信號來說輸入信號動態(tài)范圍波動大，為滿足高可靠性，保障不出現(xiàn)誤觸發(fā)或無響應(yīng)的故障，對于電路設(shè)計提出了一定的要求。

在電路設(shè)計中，將處理器與外部輸入觸發(fā)信號之間進(jìn)行電氣隔離，是解決上述按鍵失靈問題行之有效的方式。常見的電氣隔離方法包括光耦隔離、變壓器隔離和繼電器隔離等，光耦隔離與其他的隔離方法相比，具有體積小巧、結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快速、工作穩(wěn)定、使用壽命長、成本低廉、電氣隔離能力和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢，在信號隔離傳輸設(shè)計中被廣泛使用。采用光耦隔離方法，實現(xiàn)電路中信號的光學(xué)隔離，既能使輸入信號無阻無損通過，且防止輸出信號反饋到輸入端，有力地抑制尖峰脈沖和各種噪聲導(dǎo)致的干擾[2，3]，適應(yīng)的電壓波動范圍廣。

2 光耦的特征和工作原理

光耦是光電耦合器的簡稱，它是一種把發(fā)光元件和光敏元件設(shè)計在同一個器件外殼內(nèi)經(jīng)封裝而成的以光為媒介傳輸信號的“電-光-電”轉(zhuǎn)換器件，當(dāng)輸入端通過電信號時，發(fā)光元件發(fā)出光源，受光元件接受光源后有光電流生成，沿輸出端流出[4]，進(jìn)而導(dǎo)通輸出電路。常見的光電耦合器件依據(jù)采用光敏元件的差異分為多種類型，如光電三極管型、達(dá)林頓型和光控晶閘管型等。一般光耦的輸入阻抗很低（100～1000Ω），輸入輸出間的電容很?。?.5～2pF），絕緣電阻大（1011～1013Ω），具有很高的電氣隔離和電磁噪聲抗干擾能力[3]。

光耦隔離就是采用光耦對電信號進(jìn)行隔離，被隔離的輸入輸出兩部分電路通過光電耦合器內(nèi)的光傳遞信號，使被隔離的輸入和輸出電路之間不形成電的直接連接，防止因有電氣連接而造成干擾和損壞。光耦的信號單向傳輸，輸出信號對輸入端信號無相互影響，共模抑制比大，響應(yīng)速度較快，磁場抗干擾能力強(qiáng)，無觸點，壽命長，易于邏輯電路配合，這使光耦獲得廣泛應(yīng)用[5，6]。

3 電路組成、功能及原理分析

3.1 電路組成和功能

本設(shè)計的光耦隔離按鍵觸發(fā)電路是車端智能設(shè)備1的功能電路之一，車端主要包括智能設(shè)備1、智能設(shè)備2、傳感器相機(jī)、違章拍照按鍵、一鍵報警按鍵和交換機(jī)，云端包括云端服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心。所處的電路中智能設(shè)備1負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和控制，其中包含光耦隔離按鍵觸發(fā)電路。智能設(shè)備2負(fù)責(zé)提供GPS數(shù)據(jù)和定位，傳感器相機(jī)負(fù)責(zé)相機(jī)圖像采集，違章拍照和一鍵報警兩個按鍵用于響應(yīng)駕駛員的觸發(fā)需求，交換機(jī)用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，可傳輸交通違章取證圖片和警報及視頻流，并通過4G通訊傳輸至云端的服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心。觸發(fā)按鍵所處的電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

智能設(shè)備1中的光耦隔離按鍵觸發(fā)電路主要包括輸入觸發(fā)按鍵，觸發(fā)信號，防護(hù)電路，光耦，電平轉(zhuǎn)換器，處理器和輸出控制信號組成。輸入按鍵為車輛的儀表盤按鍵，是一種自復(fù)位式按鍵，按鍵觸發(fā)動作完成后可自動回彈，用于響應(yīng)駕駛員的觸發(fā)需求，包含兩個按鍵，用于實現(xiàn)占道違章監(jiān)管和一鍵報警兩種觸發(fā)功能，且均為低電平觸發(fā)，通過車輛儀表盤的按鍵實現(xiàn)觸發(fā)，占道違章監(jiān)管功能駕駛員可以一鍵上傳交通專用車道違章行駛和停駛等違法行為，實現(xiàn)即時回傳到監(jiān)管平臺，有效上報違章情況；一鍵報警功能是當(dāng)駕駛員預(yù)判車內(nèi)出現(xiàn)威脅公共安全的突發(fā)事件或由于自身身體不適等狀況，通過按鍵觸發(fā)緊急事件上報功能，實現(xiàn)即刻告知遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺。防護(hù)電路主要包括濾波電路、電壓瞬態(tài)抑制電路和肖特基二極管保護(hù)電路。光耦型號為工業(yè)級直流輸入單通道光耦。處理器為智能處理設(shè)備按鍵觸發(fā)電路板的高性能處理器，同時進(jìn)行按鍵觸發(fā)信號的二次檢測和軟件消抖。輸出控制信號為處理器決策后的控制信號，給執(zhí)行設(shè)備發(fā)送指令，并將處理結(jié)果經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至后臺數(shù)據(jù)中心。觸發(fā)按鍵的光耦隔離按鍵觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)流如圖2所示，自復(fù)位式觸發(fā)按鍵工程樣件如圖3所示。

3.2 電路原理分析

光耦隔離部分控制電路如下圖4所示。U513為一光敏三極管型光耦，當(dāng)有輸入按鍵動作觸發(fā)時，輸入信號GPIO01_ISO_IN0為低電平，這時光耦中的發(fā)光二極管流過電流而發(fā)光，光敏三極管受到光照后集電極和射極導(dǎo)通而接地，光敏三極管流過電流，此時輸出信號GPIO01_LS為低電平，并通過電平轉(zhuǎn)換器后輸入處理器。當(dāng)按鍵無動作觸發(fā)時，輸入信號GPIO01_ISO_IN0為默認(rèn)的懸空狀態(tài)，光耦中的發(fā)光二極管電路不能形成回路而導(dǎo)通，此時光耦中的發(fā)光二極管無電流產(chǎn)生因而不發(fā)光，光敏三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，集電極和射極不導(dǎo)通，這時輸出信號GPIO01_LS默認(rèn)為上拉的高電平，并通過電平轉(zhuǎn)換器后輸入處理器。保護(hù)電路中，肖特基二極管D641反向偏置，可防止在默認(rèn)狀態(tài)時，因外部電磁干擾引發(fā)發(fā)光二極管誤導(dǎo)通，起到保護(hù)作用。

需要說明的是，即使在電磁干擾嚴(yán)重的車載環(huán)境和場景下，輸入信號GPIO01_ISO_IN0輸入的低電平波動范圍比較大，極限值有可能達(dá)到6V～7V，此時，通過合適的電路參數(shù)配置，發(fā)光二極管的電流仍然維持在5mA以上，滿足導(dǎo)通的要求，電路依然能正常工作，保障不受電磁干擾和輸入信號電壓異常波動的影響。

電平轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)將TTL電路電平轉(zhuǎn)換為CMOS電路電平。由于處理器的IO電平為1.8V CMOS電平，光耦輸出的3.3V TTL電平信號GPIO01_LS經(jīng)過U13電平轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成所需的1.8V CMOS電平信號GPIO01，進(jìn)而輸入處理器的GPIO接口。電平轉(zhuǎn)換部分電路如圖5所示。

3.3 PCB設(shè)計要點

為增強(qiáng)電路的抗干擾能力，PCB設(shè)計的重要性同等重要。PCB布局時，將高頻器件和功耗較高的器件遠(yuǎn)離光耦，可以降低頻率和溫度對光耦可靠性的影響。同時，保持PCB科學(xué)布線，將數(shù)字信號與模擬信號之間，高頻信號與低頻信號之間，光耦的輸入信號與輸出信號之間以及強(qiáng)電信號與弱電信號之間，按照通用布線規(guī)則保持盡可能大的間距，合理設(shè)計層疊結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵信號和敏感信號包地處理，杜絕交叉走線，能使隔離和屏蔽效果達(dá)到最優(yōu)，提高電路運(yùn)行的穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)果分析

電路板制作回板和板卡軟硬件調(diào)測通過后，安裝適配的結(jié)構(gòu)外殼組成智能處理設(shè)備整機(jī)，經(jīng)過常溫老化測試后安裝在測試車輛儀表盤區(qū)域，安裝位置如圖6所示。經(jīng)測試，在多種天氣條件下，以及在起步、勻速行駛、加速、減速、急剎車等多種運(yùn)行狀態(tài)下，按鍵觸發(fā)輸入動作均能快速可靠地響應(yīng)，運(yùn)行半年來統(tǒng)計測試結(jié)果為零誤觸發(fā)和零無響應(yīng)，各項功能性能測試指標(biāo)符合電路設(shè)計要求。

5 結(jié)語

本文實現(xiàn)了一種后裝車載光耦隔離按鍵觸發(fā)電路設(shè)計和應(yīng)用，通過光耦隔離按鍵觸發(fā)電路的設(shè)計，能夠快速響應(yīng)各類車輛儀表盤按鍵觸發(fā)信號輸入，可以實現(xiàn)交通占道違章監(jiān)管和一鍵報警的功能性能要求，具有成本低，電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，響應(yīng)快速，零誤動作和零無響應(yīng)等特點，能夠適應(yīng)于工程改裝中復(fù)雜多變的車載電磁環(huán)境。當(dāng)前，電路測試和應(yīng)用的樣本量不夠大，沒有對電路的可靠性壽命作出理論分析和數(shù)據(jù)統(tǒng)計，這些問題還需進(jìn)行下一步的研究。

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