單片機(jī)系統(tǒng)中的EMC電磁兼容性設(shè)計(jì)方案

1、單片機(jī)系統(tǒng)中的 EMC電磁兼容性設(shè)計(jì)EMC電磁兼容性包括 EMI(inteferenee)和EMS(susceptibility),也就是電磁干擾和電磁抗干擾。隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)的應(yīng)用也日益廣泛。雖然單片機(jī)本身有一定的抗干 擾能力，但是用單片機(jī)為核心組成的控制系統(tǒng)在應(yīng)用中，仍存在著電磁干擾的問題。為防止外界對(duì)系統(tǒng)的 EMI,并確保單片機(jī)控制系統(tǒng)安 全可靠地運(yùn)行，必須采取相應(yīng)的 EMS昔施。1 EMI的產(chǎn)生原因分析在單片機(jī)系統(tǒng)的工作環(huán)境中，往往有許多強(qiáng)電設(shè)備，特別是電 機(jī)啟動(dòng)和繼電器的吸合將對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾， 使用示波器的話 可以看到電源電壓波形上有明顯的毛刺干擾。 此外受到條件

2、限制有時(shí) 單片機(jī)控制系統(tǒng)的各部分之間要有較遠(yuǎn)的距離，數(shù)據(jù)和控制線使用較 長的導(dǎo)線且沒有良好的屏蔽措施，這會(huì)使得電磁干擾就更容易混入系 統(tǒng)之中?？傊畬?duì)單片機(jī)系統(tǒng)的 EMI總是以輻射、電源回路等方式進(jìn)入 的，其途徑主要有三種，第一是輸入途徑，它使得模擬信號(hào)出現(xiàn)失真， 數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生錯(cuò)誤，系統(tǒng)如根據(jù)有問題的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理結(jié)果將必 然是錯(cuò)誤的。第二是輸出途徑，干擾會(huì)和各輸出信號(hào)疊加，造成輸出 信號(hào)混亂，不能將系統(tǒng)真實(shí)的處理結(jié)果進(jìn)行表達(dá)。 第三是單片機(jī)內(nèi)部 總線干擾，干擾使得控制、地址、數(shù)據(jù)總線上的內(nèi)部數(shù)字信號(hào)錯(cuò)亂， 使MCI出錯(cuò)，程序跑飛，甚至當(dāng)機(jī)。2 EMS技術(shù)的主要研究方向針對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)中干擾產(chǎn)生

3、的原因和途徑， EMS技術(shù)主要研究 方向集中于硬件的屏蔽、隔離、濾波、接地以及軟件編程等方面。屏蔽主要適用于切斷通過靜電耦合、感應(yīng)耦合或交變電磁場(chǎng)耦 合形成的電磁噪聲傳播途徑。分別對(duì)應(yīng)于此三種耦合可以采取靜電屏 蔽、磁場(chǎng)屏蔽與電磁屏蔽。屏蔽技術(shù)的研究方向主要是如金屬、 磁性、 復(fù)合材料等各種材料的屏蔽效能，如多層、單層、孔隙等各種結(jié)構(gòu)的 屏蔽效能，各種形狀的屏蔽體的屏蔽效能以及屏蔽體的設(shè)計(jì)以及屏蔽 與接地的關(guān)系等。隔離是用于切斷傳導(dǎo)形式的電磁噪聲的傳播途徑。 隔離技術(shù)的 研究方向主要采用直交流繼電器、隔離變壓器或光電隔離器件等進(jìn)行 隔離。其特點(diǎn)是可將兩部分電路的地線系統(tǒng)分割開來，切斷通過地線

4、系統(tǒng)進(jìn)行耦合的可能性。濾波是用于在頻域上切斷噪聲傳播的一種技術(shù)。 濾波技術(shù)的研 究方向是采用電容電感等濾波器件將不需要的一部分頻譜信號(hào)濾掉， 只保留需要的信號(hào)。例如對(duì)電源濾波器，只保留工頻 50Hz的電源頻 率，濾除所有其它高低頻電磁噪聲。接地是提供有用信號(hào)和電磁噪聲的公共通路。 接地技術(shù)的研究 方向是安全地、信號(hào)地、電源中線以及系統(tǒng)內(nèi)的各種地線的接地方法。 主要考慮是如何正確地布置數(shù)字地模擬地、接地體的設(shè)計(jì)、地線在各 種不同頻率時(shí)的阻抗等等。硬件抗干擾措施是給單片機(jī)系統(tǒng)創(chuàng)造了一個(gè)基本潔凈的工作環(huán)境，但并不能保證絕對(duì)沒有雜波，因此要將編程軟件抗干擾措施加 入進(jìn)去。軟件抗干擾技術(shù)是當(dāng)系統(tǒng)受干擾后

5、， 在單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部特定 的程序發(fā)揮作用，使得系統(tǒng)復(fù)位正常運(yùn)行如看門狗或者是在輸入信號(hào) 受干擾時(shí)通過特定的編程技巧進(jìn)行篩選后去偽存真的一種編程輔助 方法如數(shù)字濾波器。此技術(shù)編程設(shè)計(jì)多樣靈活，能夠大量的節(jié)省硬件 成本，調(diào)試操作起來更加方便。3 EMS技術(shù)的具體應(yīng)用3.1硬件EM戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用(1)良好的接地的方式單片機(jī)控制系統(tǒng)的工作頻率較低，對(duì)其起作用的干擾頻率也大 多在1MHz以下，故宜采用一點(diǎn)獨(dú)立接地，但是要注意其地線長度不 得超過波長的1/20。一點(diǎn)接地方式有串聯(lián)一點(diǎn)接地和并聯(lián)一點(diǎn)接地 兩種方式，使用串聯(lián)一點(diǎn)接地的時(shí)候?yàn)榱朔乐垢蓴_每一個(gè)支路之間地 線應(yīng)盡可能縮短，并且線徑應(yīng)足夠粗，特別的電平較低

6、的優(yōu)先安排在 距電源最近的地方。相對(duì)的并聯(lián)一點(diǎn)接地會(huì)讓各支路電流在導(dǎo)線上所 產(chǎn)生的壓降互不影響，不會(huì)形成干擾，效果更好。(2)光電隔離在輸入和輸出通道上采用光電隔離器件來進(jìn)行信息傳輸，可將單片機(jī)系統(tǒng)與各種傳感器、開關(guān)、繼電器等機(jī)構(gòu)從電氣上隔離開來， 就像是pic 樣，將絕大多數(shù)的外部設(shè)備干擾都將被阻擋在外。而有 用的各類數(shù)字信號(hào)利用光電耦合的方式傳輸無問題，模擬信號(hào)則可以 使用線性光耦傳輸保證質(zhì)量。(3)硬件濾波在需要對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行低頻信號(hào)傳送時(shí)接入一些 RC低通濾 波器，可大大削弱各類高頻干擾信號(hào)的作用。 在單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)電源環(huán) 境要求較高時(shí)，可以使用電源濾波器，只保留工頻50Hz的電源頻率

7、， 濾除所有其它高低頻電磁噪聲。(4)屏蔽屏蔽對(duì)于各種電磁感應(yīng)引起的干擾能起到很好的作用，用金屬 殼將單片機(jī)核心系統(tǒng)包圍起來，再將金屬外殼或金屬閘接地就能將電 磁干擾導(dǎo)入大地，從而去除干擾。屏蔽外殼的接地點(diǎn)要與系統(tǒng)信號(hào)參 考地線點(diǎn)相接，如有從被金屬屏蔽包圍的單片機(jī)系統(tǒng)中引出信號(hào)線， 應(yīng)采用屏蔽線，其屏蔽層和外殼應(yīng)在同一點(diǎn)接系統(tǒng)參考點(diǎn)。 特別的參 考接地點(diǎn)不同的系統(tǒng)應(yīng)分別屏蔽，不可將其共處一金屬屏蔽殼中。3.2軟件EM戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用(1)數(shù)字濾波器。采取軟件的方法對(duì)疊加在模擬輸入信號(hào)上的 噪聲進(jìn)行抑制，以讀取真正有用的信息。以下為幾種常用濾波方式 a.程序判斷濾波b.中值濾波c.算術(shù)平均濾波d.去極值

8、平均濾波e. 加權(quán)平均濾波f.滑動(dòng)平均濾波(2)軟件攔截技術(shù)。在程序受到干擾”跑飛”的情況下，采取 措施使程序回到正常的軌道上來， 常見的抗干擾技術(shù)有：軟件攔截技 術(shù)(軟件陷阱等)常采用a.NOP指令使用b.未使用的中斷區(qū)陷阱c.未 使用的EPRO空間陷阱d.程序區(qū)陷阱(3)程序運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)(watchdog)當(dāng)程序彈飛進(jìn)入一個(gè)死循環(huán) 時(shí)，冗余指令和軟件陷阱都無能為力，系統(tǒng)將完全癱瘓。為此程序中 應(yīng)設(shè)一個(gè)運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)(watchdog)，應(yīng)具有以下特征：a.本身能獨(dú)立 工作，基本上不依賴 MCU b.MCU在一段固定的時(shí)間內(nèi)和該系統(tǒng)打一 次交道，表明目前正常。c.當(dāng)MCU進(jìn)入死循環(huán)時(shí)，能及時(shí)發(fā)覺并使系 統(tǒng)復(fù)位。3.3其他EMS術(shù)應(yīng)用(1) 在單片機(jī)系統(tǒng)的長線傳輸中，采用雙絞屏蔽線做傳輸線能 有效的抑制共模噪場(chǎng)及電磁場(chǎng)干擾。但應(yīng)注意必需對(duì)傳輸線進(jìn)行阻抗 匹配，以免產(chǎn)生反射，使信號(hào)失真。(2) 單片機(jī)系統(tǒng)外圍電路