EMC技術(shù)在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用

EMC電磁兼容性包括EMI(interference)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(wèn)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措施。

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(zhǎng)的導(dǎo)線且沒(méi)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。

總之對(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(wèn)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MCU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(guò)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(kāi)來(lái)，切斷通過(guò)地線系統(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(méi)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，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(mén)狗或者是在輸入信號(hào)受干擾時(shí)通過(guò)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(lái)更加方便。

3 EMS技術(shù)的具體應(yīng)用

3.1 硬件EMS技術(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(zhǎng)度不得超過(guò)波長(zhǎng)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(lái)進(jìn)行信息傳輸，可將單片機(jī)系統(tǒng)與各種傳感器、開(kāi)關(guān)、繼電器等機(jī)構(gòu)從電氣上隔離開(kāi)來(lái)，就像是PLC一樣，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(lèi)數(shù)字信號(hào)利用光電耦合的方式傳輸無(wú)問(wèn)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(lèi)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，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(lái)，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EMS技術(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(lái)，常見(jiàn)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EPROM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(wú)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(lài)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(jué)并使系統(tǒng)復(fù)位。

3.3 其他EMS技術(shù)應(yīng)用

(1)在單片機(jī)系統(tǒng)的長(zhǎng)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)外圍電路設(shè)計(jì)時(shí)要注意電平匹配。如TTL“1”電平是2.4~5伏，“0”電平是0~0.4伏;而CMOS輸入“1”電平是4.99~5伏，“0“電平是0~0.01伏。因此，當(dāng)CMOS器件接受TTL輸出時(shí)，其輸入端就要加電平轉(zhuǎn)換器或上拉電阻，否則，CMOS器件就會(huì)處于不確定狀態(tài)。

(3)單片機(jī)進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)，不應(yīng)超過(guò)其驅(qū)動(dòng)能力，否則將會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)工作不正常。如果要超負(fù)載驅(qū)動(dòng)，則應(yīng)加上總線驅(qū)動(dòng)器，如74LS244、74LS245等。

(4)CMOS電路不使用的輸入端不允許浮空。否則會(huì)引起邏輯電平不正常，易接受外界干擾產(chǎn)生誤動(dòng)作。在設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況，將多余的輸入端與正電源或地相連接。