【導(dǎo)讀】隨著電磁干擾給人們帶來越來越多的危害，1970年以來，電磁兼容（EMC）逐漸成為非?；钴S的學(xué)科領(lǐng)域之一。本文中所提到的對電磁干擾的設(shè)計(jì)我們主要從硬件和軟件方面進(jìn)行設(shè)計(jì)處理，下面就是從單片機(jī)的PCB設(shè)計(jì)到軟件處理等方面來詳細(xì)介紹對電磁兼容性問題的處理。
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(shí)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(shí)產(chǎn)生電流尖峰信號。
3、接地：在所有EMC問題中，一般都是不適當(dāng)?shù)慕拥匾鸬?。有三種信號接地方法：單點(diǎn)、多點(diǎn)和混合。在頻率低于1MHz時(shí)，可采用單點(diǎn)接地方法；在高頻應(yīng)用中，最好采用多點(diǎn)接地；混合接地是低頻用單點(diǎn)接地，而高頻用多點(diǎn)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是不能混合。
4、PCB設(shè)計(jì)：適當(dāng)?shù)挠∷㈦娐钒?PCB)布線對防止EMI是至關(guān)重要的。
5、電源耦合：當(dāng)器件開關(guān)時(shí)，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(shí)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(jì)
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(jì)的好壞對單片機(jī)系統(tǒng)的電磁兼容性影響很大，實(shí)踐證實(shí)，即使電路原理圖設(shè)計(jì)正確，印刷電路板設(shè)計(jì)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(jì)印刷電路板的時(shí)候，應(yīng)留意采用正確的方法，遵守PCB設(shè)計(jì)的一般原則，并應(yīng)符合抗干擾的設(shè)計(jì)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(jì)
在單片機(jī)系統(tǒng)中輸入/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(jì)時(shí)一般要采取一系列有效的措施來減少干擾：
①采用必要的共模/差模抑制電路，同時(shí)也要采取一定的濾波和防電磁屏蔽措施以減小干擾。
②在條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(jì)
在單片機(jī)系統(tǒng)中，看門狗系統(tǒng)對整個(gè)單片機(jī)的運(yùn)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消除，一旦進(jìn)入CPU干擾程序的正常運(yùn)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：
①外部復(fù)位系統(tǒng)。外部“看門狗”電路可以自己設(shè)計(jì)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(diǎn)，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(gè)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(shí)現(xiàn)它的應(yīng)有的功能了。然而，我們自己可以設(shè)計(jì)一個(gè)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(gè)很有效外部監(jiān)控系統(tǒng)了。
②現(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(shí)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，這樣也會存在像上述死循環(huán)那樣的“喂狗”指令，使其失去監(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，這樣就大大增加了復(fù)位電路的可靠性。
4、振蕩器
大部分的單片機(jī)都有一個(gè)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(shí)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)的防雷擊問題。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(shí)，通常為數(shù)十V或數(shù)百V，氣體擊穿放電，將電源線上強(qiáng)沖擊脈沖導(dǎo)進(jìn)大地。TVS可以看成兩個(gè)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(shí)導(dǎo)通。其特點(diǎn)是可以瞬態(tài)通過數(shù)百乃至上千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)入CPU處理的的核心單元，這樣對于一些大規(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(qiáng)干擾下發(fā)生翻轉(zhuǎn)，使原來存儲的“0”變?yōu)?ldquo;1”，或者“1”變?yōu)?ldquo;0”，一些串行傳輸?shù)臅r(shí)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(jì)的好壞直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力的高低。
1、由于電磁干擾程序大致會出現(xiàn)以下幾種情況：
①程序跑飛。這種情況是最常見的干擾結(jié)果，一般來說有一個(gè)好的復(fù)位系統(tǒng)或軟件幀測系統(tǒng)即可，對整個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)不會產(chǎn)生太大的影響。
②死循環(huán)或不正常程序代碼運(yùn)行。當(dāng)然這種死循環(huán)和不正常程序代碼并非設(shè)計(jì)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，它有可能會修改重要的數(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(shí)，根據(jù)寫進(jìn)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定位數(shù)的校驗(yàn)碼，與相應(yīng)的數(shù)據(jù)一起保存起來，當(dāng)讀出時(shí)，同時(shí)也將校驗(yàn)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(shí)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(bào)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(jì)自動完成的，具有實(shí)時(shí)性和自動完成的特點(diǎn)。通過這樣的設(shè)計(jì)，能大大增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，從而增加系統(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(shí)候依靠多余的監(jiān)視碼或校驗(yàn)碼來發(fā)現(xiàn)或自動糾正錯誤。針對誤碼發(fā)生的特點(diǎn)，即錯誤發(fā)生的隨機(jī)性和小概率性，它幾乎總是隨機(jī)地影響某個(gè)字節(jié)中的某一位(bit)，因此，假如能夠設(shè)計(jì)自動糾正一位錯誤，而檢查兩位錯誤的編碼方式。就可以大大增加系統(tǒng)的可靠性。
3、對RAM和FLASH(ROM)的檢測
在編制程序時(shí)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(shí)給出錯誤指示，以便用戶進(jìn)行處理。
最后，我們在編制程序時(shí)加進(jìn)程序冗余是不可缺少的。在一定地方加進(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(shí)，在程序的運(yùn)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(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正錯誤產(chǎn)生。
