單片機(jī)設(shè)計(jì)中如何處理電磁兼容問題

對(duì)于新手來說，在單片機(jī)的電路設(shè)計(jì)中，可能不太關(guān)注電磁干擾對(duì)設(shè)計(jì)本身輸入輸出的影響，但對(duì)于一個(gè)電子工程師來說，不言而喻的是，并不是這樣的。 不僅關(guān)系到單片機(jī)的控制能力和精度，還關(guān)系到行業(yè)內(nèi)企業(yè)的競爭。 對(duì)于電磁干擾的設(shè)計(jì)，我們主要從硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行處理。 下面從MCU的PCB設(shè)計(jì)到軟件處理對(duì)電磁兼容的處理進(jìn)行介紹。

影響EMC的因素 

1、電壓

電源電壓越高，電壓幅值越大，發(fā)射量也越大。 電源電壓越低，影響靈敏度。

2、頻率

高頻產(chǎn)生更多發(fā)射，周期性信號(hào)產(chǎn)生更多發(fā)射。 在高頻單片機(jī)系統(tǒng)中，器件開關(guān)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電流尖峰信號(hào)； 在模擬系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)載電流變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生電流尖峰。

3、接地

在所有的EMC問題中，最主要的問題是由接地不當(dāng)引起的。

信號(hào)接地方式有以下三種：

1、單點(diǎn)、多點(diǎn)、混合。 當(dāng)頻率低于1MHz時(shí)，可采用單點(diǎn)接地方式，但不適合高頻；

2、高頻應(yīng)用時(shí)，建議多點(diǎn)接地；

3、混合接地是低頻單點(diǎn)接地、高頻多點(diǎn)接地的方式。 地線布置是關(guān)鍵。 高頻數(shù)字電路和低電平模擬電路的接地電路不能混用。

4、PCB設(shè)計(jì)正確的 PCB 布線對(duì)于防止 EMI 至關(guān)重要。

5、 電源耦合

當(dāng)設(shè)備開關(guān)時(shí)，電源線上會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)電流，必須對(duì)這些瞬態(tài)電流進(jìn)行衰減和濾波。

來自高di/dt源的瞬態(tài)電流導(dǎo)致地和走線的“發(fā)射”電壓，高di/dt產(chǎn)生大范圍的高頻電流來刺激元件和電纜的輻射。

導(dǎo)線中流過的電流變化和電感會(huì)導(dǎo)致電壓降，可以通過減小電感或電流隨時(shí)間的變化來減小電壓降。

干擾措施的硬件處理方法

1、印刷電路板（PCB）電磁兼容設(shè)計(jì)

PCB是單片機(jī)系統(tǒng)中電路元件和器件的支撐部分，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)的質(zhì)量對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的電磁兼容性影響很大。 實(shí)踐證明，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(huì)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性造成不利影響。

例如，如果印刷電路板的兩條細(xì)平行線靠得很近，就會(huì)形成信號(hào)波形的延遲，并在傳輸線的末端形成反射噪聲。因此，在設(shè)計(jì)印制電路板時(shí)，應(yīng)注意采用正確的方法，遵循PCB設(shè)計(jì)的一般原則，滿足抗干擾設(shè)計(jì)要求。 為了獲得電子電路的良好性能，元件和導(dǎo)線的布局非常重要。

2、輸入輸出EMC設(shè)計(jì)

在單片機(jī)系統(tǒng)中，輸入/輸出也是干擾源的傳輸線，也是接收射頻干擾信號(hào)的拾取源。 一般來說，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取有效的措施：

① 采用必要的共模/差模抑制電路，并采取一定的濾波和抗電磁屏蔽措施，以減少干擾的前進(jìn)。

② 在條件允許的情況下，應(yīng)盡可能采取各種隔離措施（如光電隔離或磁電隔離），阻斷干擾的傳播。

3、單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計(jì)

在單片機(jī)系統(tǒng)中，看門狗系統(tǒng)對(duì)整個(gè)單片機(jī)的運(yùn)行起著特別重要的作用。 由于所有的干擾源都無法被隔離或去除，一旦CPU干擾了程序的正常運(yùn)行，復(fù)位系統(tǒng)結(jié)合軟件處理措施將成為有效的糾錯(cuò)防御屏障。

有兩種常見的重置系統(tǒng)：

① 外部復(fù)位系統(tǒng)。 外部“看門狗”電路可以用專門的“看門狗”芯片來設(shè)計(jì)或構(gòu)建。

然而，它們有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。 大多數(shù)專用“看門狗”芯片不能響應(yīng)低頻“喂狗”信號(hào)，而高頻“喂狗”信號(hào)可以響應(yīng)，這樣就可以在低頻“喂狗”信號(hào)下產(chǎn)生復(fù)位動(dòng)作，而不是產(chǎn)生復(fù)位動(dòng)作。 在高頻“喂狗”信號(hào)下復(fù)位動(dòng)作。 這樣，如果程序系統(tǒng)陷入死循環(huán)，而循環(huán)中恰好出現(xiàn)“喂狗”信號(hào)，那么復(fù)位電路就無法實(shí)現(xiàn)其應(yīng)有的功能。

然而，我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)由帶通“喂狗”電路和其他復(fù)位電路組成的系統(tǒng)，這是一個(gè)非常有效的外部監(jiān)控系統(tǒng)。

② 現(xiàn)在越來越多的單片機(jī)都有自己的片上復(fù)位系統(tǒng)，這樣用戶就可以方便地使用其內(nèi)部的復(fù)位定時(shí)器。 但有一些型號(hào)的單片機(jī)其復(fù)位指令過于簡單，因此也會(huì)出現(xiàn)像上述死循環(huán)這樣的“喂狗”指令，使其失去監(jiān)控作用。

有些單片機(jī)芯片的復(fù)位指令做得更好。 一般他們把“喂狗”信號(hào)做成固定格式的多條指令依次執(zhí)行。 如果出現(xiàn)一定誤差，“喂狗”操作無效，大大提高了復(fù)位電路的可靠性。

4、振蕩器

大多數(shù)單片機(jī)都有一個(gè)與外部晶體或陶瓷諧振器耦合的振蕩器電路。 PCB板上要求外接的電容、晶體或陶瓷諧振器的引線盡可能短。

RC 振蕩器對(duì)干擾信號(hào)可能很敏感，從而產(chǎn)生非常短的時(shí)鐘周期。 因此，建議使用晶體或陶瓷諧振器。 另外，石英晶體的外殼應(yīng)接地。

5、防雷措施

對(duì)于室外使用的單片機(jī)系統(tǒng)或從室外引入的電源線、信號(hào)線，應(yīng)考慮系統(tǒng)的防雷保護(hù)。 常見的防雷器件有：氣體放電管、TVS（瞬態(tài)電壓抑制）等。

當(dāng)電源電壓大于一定值時(shí)，通常為幾十、幾百伏。 氣體分解并放電，導(dǎo)致電線上的強(qiáng)烈沖擊脈沖到達(dá)地面。TVS可以看作是兩個(gè)并聯(lián)且方向相反的齊納二極管。 當(dāng)兩端電壓高于一定值時(shí)，TVS就會(huì)導(dǎo)通。 其特點(diǎn)是可以瞬時(shí)通過數(shù)百甚至數(shù)千安培的電流。

干擾措施的軟件處理方法

電磁干擾源產(chǎn)生的干擾信號(hào)在某些特定情況下（例如在某些惡劣的電磁環(huán)境下）無法完全消除，并且會(huì)進(jìn)入CPU處理的核心單元。 這樣，一些大規(guī)模集成電路常常受到干擾，導(dǎo)致不能正常工作或處于錯(cuò)誤狀態(tài)。

特別是RAM等采用雙穩(wěn)態(tài)進(jìn)行存儲(chǔ)的器件，在強(qiáng)干擾下容易發(fā)生翻轉(zhuǎn)，使原來的“0”變成“1”，或者“1”變成“0”； 有些串行傳輸?shù)臅r(shí)序和數(shù)據(jù)會(huì)因干擾而改變； 更嚴(yán)重的是，一些重要的數(shù)據(jù)參數(shù)會(huì)被破壞； 后果往往是非常嚴(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。

1、由于電磁干擾，程序大致會(huì)滿足以下條件：

① 程序運(yùn)行。

這是一種很常見的干擾結(jié)果。 一般來說，一個(gè)好的復(fù)位系統(tǒng)或者軟件幀測系統(tǒng)就足夠了，不會(huì)對(duì)整個(gè)操作系統(tǒng)產(chǎn)生太大的影響。

② 程序代碼循環(huán)或異常運(yùn)行。

當(dāng)然，這種死循環(huán)和異常的程序代碼并不是設(shè)計(jì)者故意編寫的。 我們知道程序指令是由字節(jié)組成的，有的是單字節(jié)指令，有的是多字節(jié)指令。 當(dāng)干擾發(fā)生時(shí)，PC指針發(fā)生變化，從而使原來的程序代碼被重新組織，產(chǎn)生不可預(yù)測的可執(zhí)行程序代碼。

那么，這個(gè)錯(cuò)誤是致命的。 它可能會(huì)修改重要的數(shù)據(jù)參數(shù)，并可能產(chǎn)生一系列錯(cuò)誤。