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交通信号灯防电磁干扰设计研究

作　者: 王艳龙
导　师: 姚竹亭
学　校: 中北大学
专　业: 模式识别与智能系统
关键词: 电磁兼容信号完整性交通信号灯 HyperLynx PADS软件
分类号: U491.51
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

随着生活水平的提高，人们更注重生活品质的提高。越来越多的人开始考虑购买车辆，交通压力日益严峻。传统的交通信号灯已经无法满足人们的需求，更多功能及性能复杂的交通信号灯出现在生活当中。由于其功能的复杂性，故障发生率明显提高。更多的故障来自于内部元器件，线路之间的电磁干扰。为了让交通信号灯更好的为社会服务,必须提高其抗干扰能力。本文首先概括了电磁兼容（EMC）的研究背景及国内外研究现状，详细介绍了电磁干扰三要素,干扰源，传播途径，敏感设备。抑制方法包括利用低辐射设计，电源线和信号线的隔离，设备的屏蔽,接地等，针对其干扰的不同，利用不同的抑制方法。然后通过实例CAN总线交通信号灯系统为研究对象，利用PADS Logic软件设计其主要组成部分—CAN总线适配器原理图，对其关键部分，电源，复位电路，CAN总线，RS232接口电路等进行了详细的电磁兼容设计。在设计过程中，用到了大部分的电磁干扰抑制方法，包括接地，滤波，屏蔽等。同时对车流量测量节点的硬件等进行了电磁兼容设计。车流量检查系统用到3.3V电压，所以采用LM1804-33稳压芯片，把5V电压转换为稳定的3.3V电压。其次由于线圈传感器传递数据时，掺杂有大量的干扰信号，所正弦信号经过比较器LM393以及74HC14整形电路后输出稳定的波形，便于单片机采集。其次，利用PADS Layout绘制交通信号灯适配器PCB图，在绘制PCB时采用PADS独特的交互式布局布线方式，同时考虑电磁干扰的影响，合理设计PCB板。整体设计完毕后，利用PADS工具中的verify design来检查安全间距等规则冲突。最后介绍了集成电路正在向高速化和微型化发展，各种信号完整性问题出现在设计者面前。由Mentor Graphics公司开发的HyperLynx软件可以对PCB板信号完整性及电路实施优化,提高硬件电路的稳定性。文章中利用其子功能对过孔模型仿真，通过示波器发现过孔对电路延时，以及产生干扰等负面影响很大。所以必须采取有效的方法抑制其干扰，其次对双层板中主要存在串扰进行建模仿真。最后对整板进行电磁兼容测试，对不合理的地方改进。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-11
1 绪论  11-19
  1.1 电磁兼容研究背景及意义  11-14
    1.1.1 电磁兼容研究的目的  11-12
    1.1.2 电磁兼容设计的内容和基本方法  12-13
    1.1.3 电磁兼容理论意义及应用价值  13-14
  1.2 电磁兼容国内外研究现状  14-16
  1.3 交通信号灯国内外研究现状及发展趋势  16-18
  1.4 本文研究的主要内容  18-19
2 电磁兼容理论  19-30
  2.1 电磁兼容概念  19
  2.2 电磁干扰理论  19
  2.3 电磁环境  19-20
  2.4 电磁干扰三要素  20-21
  2.5 电磁干扰抑制方法  21-27
    2.5.1 滤波技术  21-24
    2.5.2 接地技术  24-26
    2.5.3 屏蔽技术  26-27
  2.6 静电放电防护  27-28
  2.7 元器件对电磁兼容的影响  28
  2.8 电磁兼容预测及分析  28-29
  2.9 软件介绍  29
  2.10 本章小结  29-30
3 交通信号灯电磁兼容性设计  30-52
  3.1 交通信号灯整体设计思路  30-31
  3.2 CAN 总线技术概述  31-33
    3.2.1 CAN 总线基本特点  31-32
    3.2.2 CAN 总线节点  32-33
  3.3 交通信号灯总线适配器电路设计  33-43
    3.3.1 电源电路防 EMI 设计  35-36
    3.3.2 复位电路电磁兼容设计  36-37
    3.3.3 RS232 接口模块电磁兼容设计  37-38
    3.3.4 线缆电磁兼容设计  38-39
    3.3.5 MAX232 模块电磁兼容设计  39-40
    3.3.6 CAN 总线终端电阻与 PAC82C251 的设计  40-42
    3.3.7 6N173 光电耦合模块电磁兼容设计  42-43
  3.4 车流量测量节点的硬件设计  43-48
    3.4.1 振荡器的工作原理  43
    3.4.2 车流量检测器的组成  43-44
    3.4.3 涡流检测车流量原理  44-46
    3.4.4 车辆检测模块功能需求  46
    3.4.5 车流量计数功能硬件设计  46-48
  3.5 LED 交通信号灯设计  48-50
    3.5.1 LED 交通信号灯指示电路设计  48-50
  3.6 过压保护  50-51
  3.7 本章小结  51-52
4 交通信号灯总线适配器 PCB 电磁兼容设计  52-61
  4.1 PADS 软件介绍  52-53
  4.2 PADS 优化布局方法  53-55
    4.2.1 元器件具体布局方法  54-55
  4.3 PCB 布线注意事项  55-56
    4.3.1 双层 PCB 板设计注意事项  55-56
  4.4 PADS Layout 绘制 PCB 图  56-59
  4.5 覆铜  59-60
  4.6 本章小结  60-61
5 基于 HyperLynx 的 PCB 板优化设计  61-80
  5.1 HyperLynx 的交互性  61-62
  5.2 过孔模型仿真  62-65
  5.3 HyperLynx 对串扰信号研究  65-69
    5.3.1 基本传输线模型的建立  66-69
  5.4 PCB 板信号完整性和 EMC 问题分析  69-74
  5.5 HyperLynx 对端接技术的仿真分析  74-79
  5.6 本章小结  79-80
总结与展望  80-82
参考文献  82-86
攻读硕士学期间发表的论文  86-87
致谢  87-88

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