從PCB設(shè)計到軟件處理 談單片機(jī)系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計

　　一、影響EMC的因數(shù)

　　1、電壓：電源電壓越高，意味著電壓振幅越大，發(fā)射就更多，而低電源電壓影響敏感度。

　　2、頻率：高頻產(chǎn)生更多的發(fā)射，周期性信號產(chǎn)生更多的發(fā)射。在高頻單片機(jī)系統(tǒng)中，當(dāng)器件開關(guān)時產(chǎn)生電流尖峰信號;在模擬系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)載電流變化時產(chǎn)生電流尖峰信號。

　　3、接地：在所有EMC題目中，主要題目是不適當(dāng)?shù)慕拥匾鸬摹Ｓ腥N信號接地方法：單點、多點和混合。在頻率低于1MHz時，可采用單點接地方法，但 不適宜高頻;在高頻應(yīng)用中，最好采用多點接地?；旌辖拥厥堑皖l用單點接地，而高頻用多點接地的方法。地線布局是關(guān)鍵，高頻數(shù)字電路和低電平模擬電路的接地 電路盡不能混合。

　　4、PCB設(shè)計：適當(dāng)?shù)挠∷㈦娐钒?PCB)布線對防止EMI是至關(guān)重要的。

　　5、電源往耦：當(dāng)器件開關(guān)時，在電源線上會產(chǎn)生瞬態(tài)電流，必須衰減和濾掉這些瞬態(tài)電流。來自高di/dt源的瞬態(tài)電流導(dǎo)致地和線跡“發(fā)射”電壓，高di /dt產(chǎn)生大范圍的高頻電流，激勵部件和線纜輻射。流經(jīng)導(dǎo)線的電流變化和電感會導(dǎo)致壓降，減小電感或電流隨時間的變化可使該壓降最小。

　　二、對干擾措施的硬件處理方法

　　1、印刷線路板(PCB)的電磁兼容性設(shè)計

　　PCB是單片機(jī)系統(tǒng)中電路元件和器件的支撐件，它提供電路元件和器件之間的電氣連接。隨著電子技術(shù)的 飛速發(fā)展，PCB的密度越來越高。PCB設(shè)計的好壞對單片機(jī)系統(tǒng)的電磁兼容性影響很大，實踐證實，即使電路原理圖設(shè)計正確，印刷電路板設(shè)計不當(dāng)，也會對單 片機(jī)系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生不利影響。例如，假如印刷電路板的兩條細(xì)平行線靠的很近，會形成信號波形的延遲，在傳輸線的終端形成反射噪聲。因此，在設(shè)計印刷電路 板的時候，應(yīng)留意采用正確的方法，遵守PCB設(shè)計的一般原則，并應(yīng)符合抗干擾的設(shè)計要求。要使電子電路獲得最佳性能，元器件的布局及導(dǎo)線的布設(shè)是很重要 的。

　　2、輸入/輸出的電磁兼容性設(shè)計

　　在單片機(jī)系統(tǒng)中輸進(jìn)/輸出也是干擾源的傳導(dǎo)線，和接收射頻干擾信號的拾檢源，我們設(shè)計時一般要采取有效的措施：

　?、俨捎帽匾墓材?差模抑制電路，同時也要采取一定的濾波和防電磁屏蔽措施以減小干擾的進(jìn)進(jìn)。

　?、谠跅l件許可的情況下盡可能采取各種隔離措施(如光電隔離或者磁電隔離)，從而阻斷干擾的傳播。

　　3、單片機(jī)復(fù)位電路的設(shè)計

　　在單片機(jī)系統(tǒng)中，看門狗系統(tǒng)對整個單片機(jī)的運行起著特別重要的作用，由于所有的干擾源不可能全部被隔離或往除，一旦進(jìn)進(jìn)CPU干擾程序的正常運行，那么復(fù)位系統(tǒng)結(jié)合軟件處理措施就成了一道有效的糾錯防御的屏障了。常用的復(fù)位系統(tǒng)有以下兩種：

　?、偻獠繌?fù)位系統(tǒng)。外部“看門狗”電路可以自己設(shè)計也可以用專門的“看門狗”芯片來搭建。然而，他們各有優(yōu)缺點，大部分專用“看門狗”芯片對低頻“喂狗” 信號不能響應(yīng)，而高頻“喂狗”信號都能響應(yīng)，使其在低頻“喂狗”信號下產(chǎn)生復(fù)位動作而在高頻的“喂狗”信號下不產(chǎn)生復(fù)位動作，這樣，假如程序系統(tǒng)陷進(jìn)一個 死循環(huán)，而該循環(huán)中恰巧有著“喂狗”信號的話，那么該復(fù)位電路就無法實現(xiàn)它的應(yīng)有的功能了。然而，我們自己可以設(shè)計一個具有帶通的“喂狗”電路和其他復(fù)位 電路構(gòu)成的系統(tǒng)就是一個很有效外部監(jiān)控系統(tǒng)了。

　?、诂F(xiàn)在越來越多的單片機(jī)都帶有自己的片上復(fù)位系統(tǒng)，這樣用戶就可以很方便的使用其內(nèi)部的 復(fù)位定時器了，但是，有一些型號的單片機(jī)它的復(fù)位指令太過于簡單，這樣也會存在象上述死循環(huán)那樣的“喂狗”指令，使其失往監(jiān)控作用。有一些單片機(jī)的片上復(fù) 位指令就做的比較好，一般他們把“喂狗”信號做成固定格式的多條指令依順序來執(zhí)行，假如有一定錯誤則該“喂狗”操縱無效，這樣就大大進(jìn)步了復(fù)位電路的可靠 性。

　　4、振蕩器

　　大部分的單片機(jī)都有一個耦合于外部晶體或陶瓷諧振器的振蕩器電路。在PCB上，要求外接是電容、晶體或陶瓷諧振器的引線越短越好。RC振蕩器對干擾信號有潛伏的敏感性，它能產(chǎn)生很短的時鐘周期，因而最好選晶體或陶瓷諧振器。另外，石英晶體的外殼要接地。

　　5、防雷擊措施

　　室外使用的單片機(jī)系統(tǒng)或從室外排擠引進(jìn)室內(nèi)的電源線、信號線，要考慮系統(tǒng)的防雷擊題目。常用的防雷擊器件有：氣體放電管、TVS等。氣體放電管是當(dāng)電源 的電壓大于某一數(shù)值時，通常為數(shù)十V或數(shù)百V，氣體擊穿放電，將電源線上強沖擊脈沖導(dǎo)進(jìn)大地。TVS可以看成兩個并聯(lián)且方向相反的齊納二極管，當(dāng)兩端電壓 高于某一值時導(dǎo)通。其特點是可以瞬態(tài)通過數(shù)百乃上千A的電流。

　　三、對干擾措施的軟件處理方法

　　電磁干擾源所產(chǎn)生的干擾信號在一些特定的情況下(比如在一些電磁環(huán)境比較惡劣的情況下)是無法完全消除的，終極將會進(jìn)進(jìn)CPU處理的的核心單元，這樣在一些大規(guī)模集成電路經(jīng) 常會受到干擾，導(dǎo)致不能正常工作或在錯誤狀態(tài)下工作。特別是像RAM這種利用雙穩(wěn)態(tài)進(jìn)行存儲的器件，往往會在強干擾下發(fā)生翻轉(zhuǎn)，使原來存儲的“0”變?yōu)?“1”，或者“1”變?yōu)?ldquo;0”;一些串行傳輸?shù)臅r序及數(shù)據(jù)會因干擾而發(fā)生改變;更嚴(yán)重的會破壞一些重要的數(shù)據(jù)參數(shù)等;造成的后果往往是很嚴(yán)重的。在這種情 況下軟件設(shè)計的好壞直接影響到整個系統(tǒng)的抗干擾能力的高低。

　　1、程序會由于電磁干擾大致會一下幾種情況：

　?、俪绦蚺茱w。這種情況是最常見的干擾結(jié)果，一般來說有一個好的復(fù)位系統(tǒng)或軟件幀測系統(tǒng)即可，對整個運行系統(tǒng)的不會產(chǎn)生太大的影響。

　　②死循環(huán)或不正常程序代碼運行。當(dāng)然這種死循環(huán)和不正常程序代碼并非設(shè)計職員有意寫進(jìn)的，我們知道程序的指令是由字節(jié)組成的，有的是單字節(jié)指令而有的是 多字節(jié)指令，當(dāng)干擾產(chǎn)生后使得PC指針發(fā)生變化，從而使原來的程序代碼發(fā)生了重組產(chǎn)生了不可猜測的可執(zhí)行的程序代碼，那么，這種錯誤是致命的，它會有可能 會往修改重要的數(shù)據(jù)參數(shù)，有可能產(chǎn)生不可猜測的控制輸出等一系列錯誤狀態(tài)。

　　2、對重要參數(shù)儲存的措施

　　一般情況下，我們可以采用錯誤檢測與糾正來有效地減少或避免這種情況的出現(xiàn)。根據(jù)檢錯、糾錯的原理，主要思想是在數(shù)據(jù)寫進(jìn)時，根據(jù)寫進(jìn)的數(shù)據(jù)天生一定位 數(shù)的校驗碼，與相應(yīng)的數(shù)據(jù)一起保存起來;當(dāng)讀出時，同時也將校驗碼讀出，進(jìn)行判決。假如出現(xiàn)一位錯誤則自動糾正，將正確的數(shù)據(jù)送出，并同時將改正以后的數(shù) 據(jù)回寫覆蓋原來錯誤的數(shù)據(jù);假如出現(xiàn)兩位錯誤則產(chǎn)生中斷報告，通知CPU進(jìn)行異常處理。所有這一切動作都是靠軟件設(shè)計自動完成的，具有實時性和自動完成的 特點。通過這樣的設(shè)計，能大大進(jìn)步系統(tǒng)的抗干擾能力，從而進(jìn)步系統(tǒng)的可靠性。

　　檢錯與糾錯原理：

　　首先來看看檢錯和糾錯的基本原理。進(jìn)行差錯控制的基本思想是在信息碼組中以一定規(guī)則加進(jìn)不同方式的冗余碼，以便在信息讀出的時候依靠多余的監(jiān)視碼或校碼 碼來發(fā)現(xiàn)或自動糾正錯誤。針對誤碼發(fā)生的特點，即錯誤發(fā)生的隨機(jī)性和小概任性，它幾乎總是隨機(jī)地影響某個字節(jié)中的某一位(bit)，因此，假如能夠設(shè)計自 動糾正一位錯誤，而檢查兩位錯誤的編碼方式。就可以大大進(jìn)步系統(tǒng)的可靠性。

　　3、對RAM和FLASH(ROM)的檢測

　　在編制程序時我們最好是寫進(jìn)一些檢測程序來測試RAM和FLASH(ROM)的數(shù)據(jù)代碼，看有無發(fā)生錯誤，一旦發(fā)生要立即糾正，糾正不了的要及時給出錯誤指示，以便用戶往處理。

　　最后，我們在編制程序時加進(jìn)程序冗余是不可缺少的。在一定的地方加進(jìn)三條或三條以上NOP指令對程序的重組有著很有效防止作用。同時，在程序的運行狀態(tài)中要引進(jìn)標(biāo)志數(shù)據(jù)和檢測狀態(tài)，從而及時發(fā)現(xiàn)和糾正錯誤產(chǎn)生。