【摘 要】 隨著單片機(jī)系統(tǒng)越來越廣泛地應(yīng)用于消費類電子，醫(yī)療，工業(yè)自動化，智能化儀器儀表，航空航天等各領(lǐng)域，單片子系統(tǒng)面臨著電磁干擾（EMI）日益嚴(yán)重的威脅，電磁兼容的問題在稱重領(lǐng)域也日益突出，本文圍繞單片機(jī)系統(tǒng)的電磁兼容技術(shù)淺談一些筆者的經(jīng)驗，與同行探討。 【關(guān)鍵詞】 單片機(jī) 電磁干擾 電磁兼容硬件設(shè)計方法電磁兼容軟件設(shè)計方法 在電磁環(huán)境比較惡劣的情況下，一些大規(guī)模集成電路常常會受到干擾，導(dǎo)致不能正常工作或在錯誤狀態(tài)下運行，造成的后果往往是很嚴(yán)重的。這樣電磁干擾就成為困擾設(shè)計師的一個重要問題。電磁兼容性（EMC）包含系統(tǒng)的發(fā)射和敏感度兩方面的問題。如果一個單片機(jī)系統(tǒng)符條件合下面三個條件，則該系統(tǒng)是電磁兼容的： 1．對其他系統(tǒng)不產(chǎn)生干擾； 2．對其他系統(tǒng)的發(fā)射不敏感； 3．對系統(tǒng)本身不產(chǎn)生干擾； 假若干擾不能完全消除，但也要使干擾減少到最小。干擾的產(chǎn)生不是直接的（通過導(dǎo)體、公共阻抗耦合等），就是間接的（通過串?dāng)_或輻射耦合）。電磁干擾的產(chǎn)生是通過導(dǎo)體和通過輻射，很多磁電發(fā)射源、如光照、繼電器、DC電機(jī)和日光燈都可以引起干擾；AC電源線、互連電纜、金屬電纜和子系統(tǒng)的內(nèi)部電路也都可能產(chǎn)生輻射或接收到不希望的信號。在高速單片機(jī)系統(tǒng)中，時鐘電路通常是寬帶噪聲的最大產(chǎn)生源，這些電路可產(chǎn)生高達(dá)300MHz的諧波失真，在系統(tǒng)中應(yīng)該把他們?nèi)サ簟Ａ硗?，在單片機(jī)系統(tǒng)中最容易受影響的是復(fù)位線，中斷線和控制線。 一、干擾的耦合方式 1．傳導(dǎo)性EMI 一種最明顯而往往被忽略的能引起電路中噪聲的路徑是經(jīng)過導(dǎo)體。一條穿過噪聲環(huán)境的導(dǎo)線可檢拾噪聲并把噪聲送到其他電路引起干擾。設(shè)計人員必須避免導(dǎo)線檢拾噪聲和在噪聲引起干擾前用去耦辦法去除噪聲。最普通的例子是噪聲通過電源進(jìn)入電路。若電源本身或連接到電源的其他電路是干擾源，則在電源線進(jìn)入電路之前必須對其去耦。 2．公共阻抗耦合 當(dāng)來自兩個不同電路的電流流經(jīng)一個公共阻抗時就會產(chǎn)生共阻抗耦合。阻抗上的壓降由兩個電路決定，來自兩個電路的地電流流過共地阻抗。電路a的地電位被電流b調(diào)制，噪聲信號或DC補(bǔ)償經(jīng)共地阻抗從電路b耦合到電路a。 3．輻射耦合 經(jīng)輻射的耦合通稱串?dāng)_。串?dāng)_發(fā)生在電流流經(jīng)導(dǎo)體時產(chǎn)生電磁場，而電磁場在鄰近的導(dǎo)體中感應(yīng)瞬態(tài)電流。 4．輻射發(fā)射 輻射發(fā)射有兩種基本類型；差分模式（DM）和共模（CM）。共模輻射或單極天線輻射是由無意的壓降引起的，它使電路中所有地連接抬高到系統(tǒng)電地位之上。就電場大小而言，CM輻射是比DM輻射更為嚴(yán)重的問題。為使CM輻射最小，必須用切合實際的設(shè)計使共模電流降到零。 二、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問題中，主要問題是不適當(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絕不能混合。 4．PCB設(shè)計 適當(dāng)?shù)挠∷㈦娐钒澹≒CB）布線對防止EMI是至關(guān)重要的。 5．電源去耦 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。 三、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，實踐證明，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，如果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)注意采用正確的方法，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。為了設(shè)計質(zhì)量好，成本低的PCB，應(yīng)遵循以下一般性原則。 A．特殊元器件布局 首先，要考慮PCB尺寸的大小，PCB尺寸過大時，印刷線條長，阻抗增大，抗噪聲能力下降，成本也增加；過小，則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。在確定PCB尺寸后再確定特殊元器件的位置。最后，根據(jù)電路的功能單元，對電路的全部元器件進(jìn)行布局。 在確定特殊元器件位置時要遵循以下的原則： ①盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設(shè)法減小他們的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互挨的太近，輸入和輸出元件應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。 ②某些元器件或?qū)Ь€之間有較高的電位差，應(yīng)加大他們之間的距離，以免放電引起意外短路，帶高電壓的元器件應(yīng)盡量布置在調(diào)試時手不易觸及的地方。 ③重量超過15g的元器件，應(yīng)當(dāng)用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重，發(fā)熱量多的元器件，不易裝在印刷電路板上，而應(yīng)裝在整機(jī)的機(jī)箱地板上。且應(yīng)考慮散熱問題，熱敏元件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件。 ④對于電位器，可調(diào)電感線圈，可變電容器，微動開關(guān)等可調(diào)元件的布局，應(yīng)考慮整機(jī)的結(jié)構(gòu)要求。若是機(jī)內(nèi)調(diào)節(jié)，應(yīng)放在印刷電路板的方便調(diào)節(jié)的地方；若是機(jī)外調(diào)節(jié)，其位置要與調(diào)節(jié)旋鈕在機(jī)箱面板上的位置相適應(yīng)。 ⑤留出印刷板定位孔及固定支架所占用的位置。 B．一般元器件布局 根據(jù)電路的功能單元，對電路的全部元器件進(jìn)行布局時，要符合以下原則： ①按照電路的流程安排各個功能電路單元的位置，使布局便于信號流通，并使信號盡可能保持一致的方向。 ②以每個功能電路的核心元件為中心，圍繞它來進(jìn)行布局。元器件應(yīng)均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。 ③在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般電路應(yīng)盡可能使元器件平行排列，這樣，不但美觀，而且裝焊容易，易于批量生產(chǎn)。 ④位于電路板邊緣的元器件，離電路板邊緣一般不小于2mm。電路板的最佳形狀為矩形。長寬比為3∶2或4∶3。電路板面板尺寸大于200mm×150mm時，應(yīng)考慮電路板所受的機(jī)械強(qiáng)度。 C．布線的原則如下： ①輸入輸出端用的導(dǎo)線應(yīng)盡量避免相鄰平行，最好加線間地線，以免發(fā)生反饋耦合。 ②印刷板導(dǎo)線的最小寬度主要由導(dǎo)線與絕緣基板間的粘附強(qiáng)度和流過它們的電流值決定。當(dāng)銅箔厚度為0.5mm、寬度為1～15mm時，通過2A的電流，溫升不會高于3℃。因此，導(dǎo)線寬度為1.5mm可滿足要求。對于集成電路，尤其是數(shù)字電路，通常選0.02～0.3mm導(dǎo)線寬度。當(dāng)然，只要允許，還是盡可能用寬線，尤其是電源線和地線。導(dǎo)線的最小間距主要由最壞情況下的線間絕緣電阻和擊穿電壓決定。對于集成電路，尤其是數(shù)字電路，只要工藝允許，可使間距小于0.1～0.2mm。 ③印刷導(dǎo)線拐彎處一般取圓弧形，而直角或夾角在高頻電路中會影響電氣性能。此外，盡量避免使用大面積銅箔，否則，長時間受熱時，易發(fā)生銅箔膨脹和脫落現(xiàn)象。必須用大面積銅箔時，最好用柵格狀，這樣有利于排除銅箔與基板間粘合劑受熱產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體。 ④焊盤 焊盤中心孔也要比器件引線直徑稍大一些。焊盤太大易形成虛焊。焊盤外徑D一般不?。╠+1.2）mm，其中d為引線孔徑。對高密度的數(shù)字電路，焊盤最小直徑可?。╠+1.0）mm。 D．PCB及電路抗干擾措施 印刷電路板的抗干擾設(shè)計與具體電路有著密切的關(guān)系，這里僅就PCB抗干擾設(shè)計的幾項常用措施作一些說明。 ①電源線設(shè)計 根據(jù)印刷線路板電流的大小，盡量加粗電源線寬度，減少環(huán)路電阻；同時，使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。 ②地線設(shè)計 在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計中，接地是控制干擾的重要方法。如能將接地和屏蔽正確結(jié)合來使用，可解決大部分干擾問題。單片機(jī)系統(tǒng)中地線結(jié)構(gòu)大致有系統(tǒng)地、機(jī)殼地（屏蔽地）、數(shù)字地（邏輯地）和模擬地等。 在地線設(shè)計中應(yīng)注意以下幾點： a．正確選擇單點接地與多點接地。在低頻電路中，信號的工作頻率小于1MHz，它的布線和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對干擾影響較大，因而采用一點接地的方式。當(dāng)信號工作頻率大于10MHz，地線阻抗變得很大，此時應(yīng)盡量降低地線阻抗，應(yīng)采用就近多點接地。當(dāng)工作頻率在1～10MHz時，如果采用一點接地，其地線長度不應(yīng)超過波長的1/20，否則應(yīng)采用多點接地法。 b．?dāng)?shù)字地與模擬地分開。電路板上既有高速邏輯電路，又有線性電路，應(yīng)使它們盡量分開，而兩者的地線不要相混，分別與電源端地線相連。低頻電路的地應(yīng)盡量采用單點并聯(lián)接地，實際布線有困難時可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地；高頻元件周圍盡量用柵格狀大面積地箔，要盡量加大線性電路的接地面積。 c．接地線應(yīng)盡量加粗。若接地線用很細(xì)的線條，則接地電位會隨電流的變化而變化，致使電子產(chǎn)品的定時信號電平不穩(wěn)，抗噪聲性能降低。因此應(yīng)將接地線盡量加粗，使它能通過三倍于印刷電路板的允許電流。如有可能，接地線的寬度應(yīng)大于3 mm。 d．接地線構(gòu)成閉環(huán)路。設(shè)計只由數(shù)字電路組成的印刷電路板的地線系統(tǒng)時，將接地線做成閉路可以明顯地提高抗噪聲能力。其原因在于：印刷電路板上有很多集成電路元件，尤其遇有耗電多的元件時，因受接地線粗細(xì)的限制，會在地線上產(chǎn)生較大的電位差，引起抗噪聲能力下降；若將接地線構(gòu)成環(huán)路，則會縮小電位差值，提高電子設(shè)備的抗噪聲能力。 ③退耦電容配置 PCB設(shè)計的常規(guī)做法之一，是在印刷板的各個關(guān)鍵部位配置適當(dāng)?shù)耐笋铍娙?。退耦電容的一般配置原則是： a．電源輸入端跨接10～100μF的電解電容器。如有可能，接100μF以上的更好。 b．原則上每個集成電路芯片都應(yīng)布置一個0.01pF的瓷片電容。如遇印刷板空隙不夠，可每4～8個芯片布置一個1～10pF的鉭電容。 c．對于抗噪聲能力弱、關(guān)斷時電源變化大的器件，如RAM、ROM存儲器件，應(yīng)在芯片的電源線和地線之間直接接入退耦電容。 d．電容引線不能太長，尤其是高頻旁路電容不能有引線。 此外，還應(yīng)注意以下兩點： a．在印刷板中有接觸器、繼電器、按鈕等元件時，操作它們時均會產(chǎn)生較大火花放電，必須采用RC電路來吸收放電電流。一般R取1～2kΩ，C取2.2～47μF。 b．CMOS的輸入阻抗很高，且易受感應(yīng)，因此在使用時，對不用端要接地或接正電源。 2．輸入/輸出的電磁兼容性設(shè)計 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)計時一般要采取有效的措施： ①采用必要的共模/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)入。 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 在的單片機(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，因為所有的干擾源不可能全部被隔離或去除，一旦進(jìn)入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： ①外部復(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，如果程序系統(tǒng)陷入一個死循環(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。 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，如果有一定錯誤則該“喂狗”操作無效，這樣就大大提高了復(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在的敏感性，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)或從室外架空引入室內(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（Transient Voltage Suppression）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(qiáng)沖擊脈沖導(dǎo)入大地。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。 四、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，最終將會進(jìn)入CPU處理的的核心單元，這樣在一些大規(guī)模集成電路常常會受到干擾，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)椤?”，或者“1”變?yōu)椤?”；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．程序會因為電磁干擾大致會一下幾種情況： 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)計人員有意寫入的，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)生了不可預(yù)測的可執(zhí)行的程序代碼，那么，這種錯誤是致命的，它會有可能會去修改重要的數(shù)據(jù)參數(shù)，有可能產(chǎn)生不可預(yù)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)寫入時，根據(jù)寫入的數(shù)據(jù)生成一定位數(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。如果出現(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)；如果出現(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，能大大提高系統(tǒng)的抗干擾能力，從而提高系統(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)則加入不同方式的冗余碼，以便在信息讀出的時候依靠多余的監(jiān)督碼或校碼碼來發(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)性和小概率性，它幾乎總是隨機(jī)地影響某個字節(jié)中的某一位（bit），因此，如果能夠設(shè)計自動糾正一位錯誤，而檢查兩位錯誤的編碼方式。就可以大大提高系統(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入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，以便用戶去處理。 另外，在編制程序時加入程序冗余是不可缺少的。在一定的地方加入三條或三條以上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)中要引入標(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。 結(jié)語 為了提高單片機(jī)系統(tǒng)的電磁兼容性，不僅要合理設(shè)計PCB板，而且要在電路結(jié)構(gòu)上及軟硬件中采取相應(yīng)的措施。實踐表明，在單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計、制造、安裝和運行的各個階段，都需要考慮其電磁兼容性，只有這樣，才能保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定、可靠、安全地運行。