嵌入式系統(tǒng)中電磁兼容問題的研究

1、嵌入式系統(tǒng)中電磁兼容問題的研究嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中文核心期刊微計(jì)算機(jī)信息(嵌入式與soc)2007年第23卷第6.2期文章編號(hào):1008-0570(2007)062-0022-03嵌入式系統(tǒng)中電磁兼容問題的研究researchonelectromagneticcompatibilityproblemsintheembeddedsystem(1.安陽工學(xué)院;2.鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院)劉愛琴宋素萍liuai-qinsongsuping摘要:嵌入式系統(tǒng)往往工作頻率高,環(huán)境惡劣,含有功率器件,電磁兼容問題的處理尤其重要.在分析嵌入式系統(tǒng)電磁兼容問題的基礎(chǔ)上,針對(duì)系統(tǒng)突出的電磁干擾環(huán)節(jié),如電源設(shè)計(jì),接地處理,印

2、刷線路板設(shè)計(jì),提出了較為詳細(xì)的解決辦法.關(guān)鍵詞:嵌入式系統(tǒng);電磁兼容;供電;接地;線路板中圖分類號(hào):tq330文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:babstract:embeddedsystemusuallyhashighworkfrequencyinthefoulenvironment,containsthepowerpartsofanapparatus,sothedisposalofelectromagneticcompatibilityproblemsareveryimportant.onthebaseofanalysisofelectromagneticcompatibilityproblems,thisar

3、ticlebringsforwardthedetailedsolution,aimingtotheprominenttachesofelectromagneticantijamminginthesystem,suchasthedesignofpowersupply,disposalofgrounding,thedesignofprintedcircuit.keywords:embeddedsystem;electromagneticcompatibility;powersupply;grounding;printedcircuit1引言電磁兼容就是要求系統(tǒng)抗干擾能力要強(qiáng),不易受到外界環(huán)境的干擾

4、.系統(tǒng)本身不應(yīng)成為一個(gè)噪聲源.產(chǎn)生對(duì)其它儀器,設(shè)備的電磁干擾.即設(shè)備或系統(tǒng)在電磁環(huán)境中能正常工作.且不對(duì)該環(huán)境中的任何事物構(gòu)成不能接受的電磁騷擾的能力.解決電磁兼容問題重要的是抑制電磁干擾的過程.要求嵌入式系統(tǒng),不僅要精度高,可靠,成本低,還要不干擾其他電器設(shè)備.2嵌入式系統(tǒng)電磁兼容問題在嵌入式系統(tǒng)中.由于系統(tǒng)時(shí)鐘頻率越來越高,電磁兼容的問題也越來越突出.印刷線路板上信號(hào)的高頻成分可以通過元器件的引腳以及印刷線路板到驅(qū)動(dòng)部件的引線發(fā)射出去.如同無線電天線將高頻信號(hào)以空間電波的形式發(fā)送出去.成為干擾其他電器設(shè)備的噪聲源,信號(hào)在線路板上傳送對(duì)系統(tǒng)本身也會(huì)造成干擾.另外系統(tǒng)電源和外部的電磁輻射同樣會(huì)

5、對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾.3電磁兼容問題的解決方法1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于嵌入式系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣,干擾大,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮抗干擾十分重要.微型機(jī)本身要采用浮地,用金屬外殼屏蔽,并放在機(jī)箱內(nèi).大功率器件不要與微型機(jī)放在一個(gè)機(jī)箱中.發(fā)熱元件,振動(dòng)大的部件要單獨(dú)放在機(jī)柜中.系統(tǒng)的電網(wǎng)電源要單獨(dú)走線,不要靠近微機(jī)系統(tǒng)的信號(hào)線,強(qiáng)信號(hào)線與弱信號(hào)線要分開,一般主機(jī)放在控制室中,把終端,伺服機(jī)構(gòu),測(cè)試部件或前端機(jī)安裝在現(xiàn)場(chǎng)2.供電系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)交流穩(wěn)壓器:交流穩(wěn)壓器可保證供電的穩(wěn)定性.在變壓器設(shè)計(jì)時(shí),初次級(jí)間加靜電屏蔽,并將屏蔽層接地.為減少電源變壓器的泄露磁通.可采用并聯(lián)平衡繞制法,泄露小的鐵芯,在變壓劉愛琴:副教授器鐵

6、芯上加短路環(huán),改變變壓器安裝位置等方法.也可選用防雷電變壓器.對(duì)電源的瞬間變化可考慮采用電源凈化技術(shù).如磁飽和穩(wěn)壓技術(shù),抽頭開關(guān)技術(shù),正弦能量分配技術(shù)等等.供電部分框圖隔離變壓器:高頻噪聲通過變壓器主要是靠初,次級(jí)間寄生電容耦合,應(yīng)采用隔離變壓器以提高抗共模干擾的能力.電源濾波器:電源系統(tǒng)的干擾大部分是高次諧波.采用電源濾波器可抑制共模及串模干擾,也可濾去高次諧波.直流穩(wěn)壓電源:在直流穩(wěn)壓電源中可加大濾波電容,串接電源濾波器濾除直流電源中的噪聲干擾.并采用分散獨(dú)立功能模塊供電.每個(gè)模塊單獨(dú)對(duì)電壓過載進(jìn)行保護(hù),大大提高了供電的可靠性.3.系統(tǒng)常用抗干擾器件去耦電容:由于嵌入式系統(tǒng)時(shí)鐘電路采用方波

7、而不是正弦波.方波比正弦波有更高的高次諧波成分.因此時(shí)鐘震蕩會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成很大的電磁干擾.在高頻時(shí),對(duì)于電容.它的寄生電感不能忽視,對(duì)于電感,它的分布電容會(huì)起作用,對(duì)于電阻,存在對(duì)高頻信號(hào)的反射.對(duì)印刷板上的引線來說.其分布電感不可忽視,而且長(zhǎng)的引線還表現(xiàn)出天線特征,將高頻噪聲信號(hào)發(fā)射出去.另外系統(tǒng)中的門電路頻繁導(dǎo)通與截止也會(huì)有較大的高頻電磁干擾.去除這些高頻噪聲和干擾的辦法是.設(shè)計(jì)線路板時(shí),在每個(gè)集成電路的電源,地之間都要接一個(gè)去耦電容.磁性元件:磁性元件指以高頻特性好的鐵氧體材料制造的元件,實(shí)際上是一個(gè)電阻為0的電感,對(duì)直流信號(hào)電阻為0,對(duì)高頻噪聲有很好的阻斷作用.若接在給嵌入式系統(tǒng)供電的電

8、源和系統(tǒng)的電源線之間,用于去除電源線上的噪聲.這個(gè)磁性元件把來自電源的高頻噪聲當(dāng)在系統(tǒng)之外,也能防止系統(tǒng)產(chǎn)生的高頻噪聲通過電源線饋送到市電電源瞬變干擾吸收器件:瞬變干擾吸收器件主要有氣體放電管,一22360元,年郵局訂閱號(hào):82-946嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用金屬氧化物壓敏電阻,瞬變二極管等.氣體放電管對(duì)高電壓脈沖有抑制作用.高電壓可以使氣體放電管中的氣體電離,從而導(dǎo)電,將高壓脈沖短路掉.金屬氧化物壓敏電阻的特性類似齊納二極管.當(dāng)瞬間出現(xiàn)強(qiáng)干擾脈沖時(shí),壓敏電阻瞬間短路.瞬變電壓吸收二極管.有極快的響應(yīng)速度,在微秒級(jí)強(qiáng)干擾脈沖下,瞬態(tài)吸收功率可達(dá)千瓦級(jí).對(duì)于極快速的高壓上升沿可瞬間短路.可用來防強(qiáng)電磁干擾

9、.自恢復(fù)保險(xiǎn)絲:自恢復(fù)保險(xiǎn)絲是一種特殊材料制成的.遇到嵌人式系統(tǒng)瞬間短路時(shí),其溫度迅速上升使電阻變成無窮大,實(shí)現(xiàn)類似保險(xiǎn)絲的短路功能,當(dāng)溫度降下來后自動(dòng)恢復(fù).4.接地技術(shù)弱信號(hào)地:把系統(tǒng)中的小信號(hào)回路,控制回路,邏輯電路以及他們的直流電源等連在一起接地.功率地:把系統(tǒng)中的繼電器,電磁閥以及他們的驅(qū)動(dòng)電源等連接在一起構(gòu)成功率地.機(jī)殼地:系統(tǒng)中所有機(jī)架,箱體等金屬構(gòu)件接大地.即安全地.雙絞線或同軸電纜的接地:在嵌人式單片機(jī)系統(tǒng)中.被測(cè)對(duì)象往往與主機(jī)相距較遠(yuǎn),一般采用屏蔽雙絞線或同軸電纜,均用一端接地的方法,可消除了磁耦合,起到了屏蔽作用.這種方法對(duì)外界的干擾抑制作用較小.為減少對(duì)外界的影響,高頻時(shí)

10、使用屏蔽層兩端接地效果較好,而低頻效果欠佳.若采用屏蔽層一端接地另一端與電阻連接的方法無論高低頻都有良好的效果.數(shù)字地和模擬地的連接:接地的原則就是將數(shù)字地和模擬地一點(diǎn)接地.模擬地接在一起,數(shù)字地接在一起.而將兩者以粗短的導(dǎo)線連接在一起.兩者的信號(hào)線遠(yuǎn)離并加大電源的濾波.系統(tǒng)的接地:由于嵌人式系統(tǒng)工作環(huán)境比較惡劣.為了減少干擾,通常使微型機(jī)工作在浮地狀態(tài).5.抑制反電勢(shì)干擾技術(shù)在嵌人式系統(tǒng)中,常會(huì)使用繼電器,電動(dòng)機(jī),電磁閥等具有較大電感量的元件或設(shè)備,當(dāng)電感回路的電流被切斷時(shí).會(huì)產(chǎn)生很大的反電勢(shì)而形成噪聲干擾.可采取以下措施:如果通過電感線圈的是直流,可在線圈兩端并連二極管和穩(wěn)壓管,抑制反電勢(shì)

11、的干擾.把二極管換為電阻,同樣可達(dá)到抑制反電勢(shì)的目的.反電勢(shì)抑制電路也可由電阻和電容構(gòu)成,這種方法對(duì)交流驅(qū)動(dòng)的線圈和直流驅(qū)動(dòng)的線圈都適用.反電勢(shì)電路不但可以接在線圈的兩端,也可以接在開關(guān)的兩端.6.單片機(jī)自身抗干擾對(duì)于由單片機(jī)構(gòu)成的嵌人式系統(tǒng).單片機(jī)本身的抗干擾方法如下:降低外時(shí)鐘頻率:應(yīng)選擇質(zhì)量高的,合格的石英晶體.選擇電容時(shí)要考慮系統(tǒng)的分布電容且質(zhì)量要好.應(yīng)盡量選擇滿足應(yīng)用要求的最低頻率的時(shí)鐘.以減少高頻干擾對(duì)外發(fā)射.時(shí)鐘監(jiān)控電路:高可靠性的單片機(jī)片內(nèi)有時(shí)鐘監(jiān)控電路.在外部遇到強(qiáng)干擾時(shí),外部晶振有可能停振.可以使用強(qiáng)制產(chǎn)生單片機(jī)復(fù)位的方法使cpu復(fù)位,也可以改用單片機(jī)內(nèi)部震蕩器工作.通過寫

12、單片機(jī)內(nèi)部相應(yīng)寄存器打開時(shí)鐘監(jiān)控電路.并且關(guān)掉使用內(nèi)自時(shí)鐘方式.在出現(xiàn)外部時(shí)鐘停振時(shí)直接產(chǎn)生cpu復(fù)位信號(hào).重新啟動(dòng)單片機(jī)系統(tǒng).也可以通過寫相應(yīng)寄存器允許在出現(xiàn)外部時(shí)鐘失效時(shí)使用片內(nèi)自時(shí)鐘方式.進(jìn)人自時(shí)鐘方式后,片內(nèi)的時(shí)鐘產(chǎn)生器模塊會(huì)對(duì)外部時(shí)鐘質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè),當(dāng)外部時(shí)鐘恢復(fù)后自動(dòng)轉(zhuǎn)人正常外部時(shí)鐘方式.看門狗電路:單片機(jī)的看門狗電路要求用戶程序定期對(duì)時(shí)間遞減計(jì)數(shù)器刷新.應(yīng)用程序中使用單片機(jī)的實(shí)時(shí)中斷,在實(shí)時(shí)中斷服務(wù)子程序中定時(shí)刷新計(jì)數(shù)器.在出現(xiàn)干擾時(shí),會(huì)發(fā)生超時(shí),看門狗內(nèi)的計(jì)數(shù)器在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)得不到刷新,計(jì)數(shù)器減到0,就會(huì)產(chǎn)生cpu復(fù)位信號(hào)重新啟動(dòng)單片機(jī),或產(chǎn)生看門狗非屏蔽中斷,由相應(yīng)的中斷服務(wù)子

13、程序恢復(fù)cpu的正常工作.電源電壓監(jiān)控:對(duì)于穩(wěn)定電壓供電的嵌人式系統(tǒng),可以考慮使用低電壓復(fù)位電路.非法指令中斷和剩余程序區(qū)處理:可以將程序沒有用的空間填上非法指令代碼.在非法指令中斷服務(wù)子程序中校驗(yàn)ram中數(shù)據(jù)的合法性,并錯(cuò)誤處理.7.隔離技術(shù)物理隔離:物理隔離是指對(duì)小信號(hào)低電平的隔離.其信號(hào)線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離高電平大功率的導(dǎo)線,以減少噪聲和電磁場(chǎng)的干擾.為了物理隔離,即在同一設(shè)備內(nèi)部,也應(yīng)把這兩類信號(hào)線分開走線.遠(yuǎn)距離走線時(shí),應(yīng)把信號(hào)電纜和功率電纜分開,并保持一定的距離.必要時(shí),還可用鋼管把他們分別套起來,以增加屏蔽效果.光電隔離:光電隔離是通過光電耦合器將兩個(gè)電路割斷.起到抗干擾的作用.在a/d

14、轉(zhuǎn)換器到單片機(jī)之間接有光電耦合器.使輸人信號(hào)與單片機(jī)之間只有光,沒有磁的聯(lián)系,具有電磁隔離性能,能十分有效地抑制電磁噪聲干擾.光電耦合器不僅要選用性能好的器件,在設(shè)計(jì)印制板時(shí),使用多層印制板,光電耦合器正下方不能有任何信號(hào)線,電源線及地線,信號(hào)線應(yīng)遠(yuǎn)離光電耦合器.8.印刷線路板抗干擾設(shè)計(jì)嵌人式系統(tǒng)中,元器件的上升下降時(shí)間越快,引人系統(tǒng)的噪聲問題就越嚴(yán)重.噪聲的高頻成分就越多.在高頻系統(tǒng)中印刷線路板上的引線,電阻,分布電容與電感等不可忽視.電阻產(chǎn)生對(duì)高頻信號(hào)的反射.引線的分布電感會(huì)起作用,當(dāng)長(zhǎng)度大于噪聲頻率相應(yīng)波長(zhǎng)的1/20時(shí),能產(chǎn)生像天線一樣將噪聲發(fā)射出去的天線效應(yīng).因此合理設(shè)計(jì)印刷線路板是有

15、效控制噪聲的有效措施.設(shè)計(jì)印刷線路板方法如下:f11元器件及引線布置各元件間引線要盡量短.在布局上,要合理分區(qū),要把模擬信號(hào)部分,高速數(shù)字電路部分,噪聲源部分這三部分分開.使相互間的信號(hào)耦合減到最小.為了減少串?dāng)_,在布線時(shí),要盡量避免線與線長(zhǎng)距離平行走線,盡可能加大線與線之間的距離.對(duì)干擾特別敏感的信號(hào)引線,可在其兩邊設(shè)置地線以屏蔽干擾.f21印刷線路板接地線的處理為了滿足系統(tǒng)的抗干擾能力電磁兼容的要求,最好使用多層印刷線路板.對(duì)于雙面板,在印刷板布線上,通常采用單點(diǎn)接電源,單點(diǎn)接地法.模擬地,數(shù)字地,大功率地布線時(shí)分開,而最后匯集到一點(diǎn).四層線路板是在雙層板元件面和焊接面之間增加了電源層和地

16、層.使雙面板上原來只能用粗線布線的電源與地線變成一個(gè)大面積地層和電源層.在多層板情況下,對(duì)吞吐電流特別大的器件.它的電源端和地端往往不直接接電源層和地層,而在該元件的附近放一個(gè)放電電容,電容的引腳接電源層和地層,而該元件的電源,地則用粗線與電容相連.為扼制大功率對(duì)微型機(jī)部分?jǐn)?shù)字電路的干擾以及數(shù)字電路對(duì)模擬電路的干擾.兩類不同的地在接向公共接地點(diǎn)時(shí)可用高頻扼流環(huán).與印罔郵局訂82_946360.,l/#-一23嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中文核心期刊微計(jì)算機(jī)信息(嵌入式與soc)2007年第23卷第6.2期刷線路板以外的信號(hào)相連時(shí),通常采用屏蔽電纜.對(duì)于高頻信號(hào)和數(shù)字信號(hào),屏蔽電纜的兩端都接地,低頻模擬信號(hào)用

17、的屏蔽電纜一端接地為好.微型機(jī)系統(tǒng)連接驅(qū)動(dòng)大電流設(shè)備的電纜必須屏蔽好,不能露出來,屏蔽要接地.對(duì)噪聲和干擾非常敏感的電路或高頻噪聲特別嚴(yán)重的電路,應(yīng)該用金屬罩屏蔽起來.對(duì)于印刷線路板上的敏感模擬信號(hào)輸入端引線.可用局部加屏蔽地的辦法予以保護(hù).辦法是在引線的反面加屏蔽地,在有引線的一面引線左右兩側(cè)布以地線,并且讓該信號(hào)線與離得最近的其他信號(hào)線之間的距離大于該信號(hào)線到地層距離的2倍至3倍.就可以防止信號(hào)的交叉干擾.f31多層板設(shè)計(jì)使用多層板印刷線路板設(shè)計(jì)可以提高嵌入式系統(tǒng)的抗電磁干擾能力,一般層數(shù)多的線路板要比層數(shù)少的好.雙面板對(duì)于總線頻率小于1omhz的系統(tǒng)可滿足要求.對(duì)于外部總線時(shí)鐘頻率1om

18、hz以上的系統(tǒng)使用4層或6層板較好.可設(shè)置電源層,多個(gè)地層和多個(gè)信號(hào)層.設(shè)置大面積的地可以減少信號(hào)線的阻抗,減少接地電阻.多個(gè)地層可將大電流地,信號(hào)地,屏蔽地分開多個(gè)信號(hào)層能將不同類型的信號(hào)分開.如4層板的各層安排為:信號(hào)層1,地層,電源層,信號(hào)層2.而6層板可有多種分配如:信號(hào)層1,地層1,信號(hào)層2,電源層,地層2,信號(hào)層3等.f4)印刷線路板設(shè)計(jì)中控制噪聲經(jīng)驗(yàn)在實(shí)際設(shè)計(jì)印刷線路板時(shí)應(yīng)注意:使用450折線不要用900折線布線以減少高頻信號(hào)對(duì)外的發(fā)射;沒有用的輸入端不要懸空;a/d類器件,數(shù)字部分與模擬部分不要交叉;時(shí)鐘,總線,片選信號(hào)要遠(yuǎn)離i/o線和接插件;時(shí)鐘線垂直于i/o線比平行于i/o

19、線干擾小時(shí)鐘元件引腳要盡量短;關(guān)鍵的線要盡量粗;元件引腳要盡量短;石英晶振下面對(duì)噪聲特別敏感的器件下面不要走線:對(duì)噪聲敏感線不要與大電流,高速開關(guān)線平行;弱信號(hào)電路,低頻電路周圍地線不要形成環(huán)路;高速線要短而直;盡量不用ic插座等;能用低速芯片就不用高速的,高速器件只用在關(guān)鍵地方;可用串一個(gè)電阻的辦法,降低控制電路沿上下跳變速率:對(duì)進(jìn)入線路板的信號(hào)和從高噪聲來的信號(hào)要加濾波;i/0驅(qū)動(dòng)電路盡量靠近印制板邊.4結(jié)束語各國(guó)對(duì)電器產(chǎn)品對(duì)環(huán)境造成的電磁干擾都有了規(guī)定,產(chǎn)品要進(jìn)入市場(chǎng),必須滿足電磁兼容性測(cè)試要求,嵌入式系統(tǒng)也應(yīng)如此.文中的電磁干擾的控制方法對(duì)嵌入式系統(tǒng)非常實(shí)用,由經(jīng)驗(yàn)總結(jié),較為具體的提出

20、了對(duì)電磁干擾的解決方法,特別是線路版的設(shè)計(jì)與印制,對(duì)工程設(shè)計(jì),自動(dòng)化儀表和測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì),會(huì)有較大幫助參考文獻(xiàn)【1王克強(qiáng)等machzehndr干涉儀測(cè)量磁場(chǎng)對(duì)比研究j微計(jì)算機(jī)信息2006.6193194【2鄧重一基于th102芯片的電源電路上海2006.011617【3留文彥等電磁屏蔽抗干擾的探討北京2003.032242264李伯成單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)清華大學(xué)出版社2005.02289303作者簡(jiǎn)介:劉愛琴(1961.9),女f河南安陽人),安陽工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程系,副教授研究方向:計(jì)算機(jī)控制及應(yīng)用);宋素萍(1958.12),女f河南鶴壁人),鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系,副教授,研

21、究方向:電子技術(shù)及應(yīng)用)biography:liuaiqin,borninseptember,1961,female,citizenofanyang,henan,departmentofcomputerscience&infoengineeringinanyanginstituteoftechnology,associateprofessor,researchfield:computercontrolandapplication.supingsongbornindecember,1958,female,citizenoftiebi,henan,hebicollegeofvocation

22、andtechnologyelectronicinformationen.girneering,seniorlecturer,researchfield:.electronictechnologyandapplications.(455ooo河南安陽安陽工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程系)劉愛琴(458030河南鶴壁鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系1宋素萍(anyanginstituteoftechnologydepartmentofcomputerscience&infoengineering.henanprovinceanyangcity4550o01liuaiqin(hebicolleg

23、eofvocationandtechnologyelectronicinfor-marionengirneeringhenanprovincehebicity4580301songsuping通訊地址:(455000河南安陽安陽工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程系1劉愛琴(收稿日期:2007.2.23)(修稿日期:2007.3.25)(上接第l6頁)2)傳統(tǒng)的零電流信號(hào)通過電流實(shí)際值信號(hào)與一個(gè)基準(zhǔn)值比較獲得,靈敏度低,無環(huán)流死時(shí)長(zhǎng)達(dá)5ms.而本文采用光電零電流檢測(cè)裝置這一方案,光耦具有反應(yīng)快,靈敏度高等特點(diǎn),使得無環(huán)流死時(shí)減小到lms左右.3)將測(cè)量晶閘管管壓降同傳統(tǒng)的單相交交變頻器觸發(fā)順序相結(jié)合,巧妙地解決了觸發(fā)脈沖選相定管的問題,實(shí)現(xiàn)了數(shù)字觸發(fā)器.參考文獻(xiàn)【1】馬立華,一種低成本小功率變頻器的設(shè)計(jì)【j】微計(jì)算機(jī)信息,2006,03s:166.