深入解析单片机系统的电磁兼容性设计

EMC电磁兼容" target="_blank">电磁兼容性包括EMI(interference)和EMS(susceptibility),也就是电磁干扰和电磁抗干扰。随着智能化技术的发展，单片机的应用也日益广泛。虽然单片机本身有一定的抗干扰能力，但是用单片机为核心组成的控制系统在应用中，仍存在着电磁干扰的问题。为防止外界对系统的EMI，并确保单片机控制系统安全可靠地运行，必须采取相应的EMS措施。

在开发和生产电子设备时，需考虑如何解决电磁兼容性问题。这包括选择合适的滤波器、屏蔽材料等。此外，还需对设备的电源和信号进行滤波处理，以减少干扰的传播。同时，也需在设备的结构和设计上进行优化，以提高其电磁抗干扰能力。例如，可以使用金属屏蔽盒来保护设备的内部电路，以减少电磁干扰的产生和传播。还可以使用具有抗干扰能力的元件、优化电路设计等措施来提高设备的电磁抗干扰能力。

1 EMI的产生原因分析

在单片机系统的工作环境中，往往有许多强电设备，特别是电机启动和继电器的吸合将对单片机产生强烈的干扰，使用示波器的话可以看到电源电压波形上有明显的毛刺干扰。此外受到条件限制有时单片机控制系统的各部分之间要有较远的距离，数据和控制线使用较长的导线且没有良好的屏蔽措施，这会使得电磁干扰就更容易混入系统之中。

总之对单片机系统的EMI总是以辐射、电源回路等方式进入的，其途径主要有三种，第一是输入途径，它使得模拟信号出现失真，数字信号产生错误，系统如根据有问题的信号进行运算处理结果将必然是错误的。第二是输出途径，干扰会和各输出信号叠加，造成输出信号混乱，不能将系统真实的处理结果进行表达。第三是单片机内部总线干扰，干扰使得控制、地址、数据总线上的内部数字信号错乱，使MCU出错，程序跑飞，甚至当机。

2 EMS技术的主要研究方向

针对单片机系统中干扰产生的原因和途径，EMS技术主要研究方向集中于硬件的屏蔽、隔离、滤波、接地以及软件编程等方面。

屏蔽主要适用于切断通过静电耦合、感应耦合或交变电磁场耦合形成的电磁噪声传播途径。分别对应于此三种耦合可以采取静电屏蔽、磁场屏蔽与电磁屏蔽。屏蔽技术的研究方向主要是如金属、磁性、复合材料等各种材料的屏蔽效能，如多层、单层、孔隙等各种结构的屏蔽效能，各种形状的屏蔽体的屏蔽效能以及屏蔽体的设计以及屏蔽与接地的关系等。

隔离是用于切断传导形式的电磁噪声的传播途径。隔离技术的研究方向主要采用直交流继电器、隔离变压器或光电隔离器件等进行隔离。其特点是可将两部分电路的地线系统分割开来，切断通过地线系统进行耦合的可能性。

滤波是用于在频域上切断噪声传播的一种技术。滤波技术的研究方向是采用电容电感等滤波器件将不需要的一部分频谱信号滤掉，只保留需要的信号。例如对电源滤波器，只保留工频50Hz的电源频率，滤除所有其它高低频电磁噪声。

接地是提供有用信号和电磁噪声的公共通路。接地技术的研究方向是安全地、信号地、电源中线以及系统内的各种地线的接地方法。主要考虑是如何正确地布置数字地模拟地、接地体的设计、地线在各种不同频率时的阻抗等等。

硬件抗干扰措施是给单片机系统创造了一个基本洁净的工作环境，但并不能保证绝对没有杂波，因此要将编程软件抗干扰措施加入进去。软件抗干扰技术是当系统受干扰后，在单片机系统内部特定的程序发挥作用，使得系统复位正常运行如看门狗或者是在输入信号受干扰时通过特定的编程技巧进行筛选后去伪存真的一种编程辅助方法如数字滤波器。此技术编程设计多样灵活，能够大量的节省硬件成本，调试操作起来更加方便。

3 EMS技术的具体应用

3.1硬件EMS技术应用

(1)良好的接地的方式

单片机控制系统的工作频率较低，对其起作用的干扰频率也大多在1MHz以下，故宜采用一点独立接地，但是要注意其地线长度不得超过波长的1/20。一点接地方式有串联一点接地和并联一点接地两种方式，使用串联一点接地的时候为了防止干扰每一个支路之间地线应尽可能缩短，并且线径应足够粗，特别的电平较低的优先安排在距电源最近的地方。相对的并联一点接地会让各支路电流在导线上所产生的压降互不影响，不会形成干扰，效果更好。

(2)光电隔离

在输入和输出通道上采用光电隔离器件来进行信息传输，可将单片机系统与各种传感器、开关、继电器等机构从电气上隔离开来，就像是plc一样，将绝大多数的外部设备干扰都将被阻挡在外。而有用的各类数字信号利用光电耦合的方式传输无问题，模拟信号则可以使用线性光耦传输保证质量。

(3)硬件滤波

在需要对单片机系统进行低频信号传送时接入一些RC低通滤波器，可大大削弱各类高频干扰信号的作用。在单片机系统对电源环境要求较高时，可以使用电源滤波器，只保留工频50Hz的电源频率，滤除所有其它高低频电磁噪声。

(4)屏蔽

屏蔽对于各种电磁感应引起的干扰能起到很好的作用，用金属壳将单片机核心系统包围起来，再将金属外壳或金属闸接地就能将电磁干扰导入大地，从而去除干扰。屏蔽外壳的接地点要与系统信号参考地线点相接，如有从被金属屏蔽包围的单片机系统中引出信号线，应采用屏蔽线，其屏蔽层和外壳应在同一点接系统参考点。特别的参考接地点不同的系统应分别屏蔽，不可将其共处一金属屏蔽壳中。

3.2软件EMS技术应用

(1)数字滤波器。采取软件的方法对叠加在模拟输入信号上的噪声进行抑制，以读取真正有用的信息。以下为几种常用滤波方式a.程序判断滤波b.中值滤波c.算术平均滤波d.去极值平均滤波e.加权平均滤波f.滑动平均滤波

(2)软件拦截技术。在程序受到干扰"跑飞"的情况下，采取措施使程序回到正常的轨道上来，常见的抗干扰技术有：软件拦截技术(软件陷阱等)常采用a.NOP指令使用b.未使用的中断区陷阱c.未使用的EPROM空间陷阱d.程序区陷阱

(3)程序运行监控系统(watchdog)当程序弹飞进入一个死循环时，冗余指令和软件陷阱都无能为力，系统将完全瘫痪。为此程序中应设一个运行监视系统(watchdog)，应具有以下特征：a.本身能独立工作，基本上不依赖MCU。b.MCU在一段固定的时间内和该系统打一次交道，表明目前正常。c.当MCU进入死循环时，能及时发觉并使系统复位。

系统级电磁兼容性(EMC)设计在产品开发中起着至关重要的作用。它不仅是电磁兼容技术的全面应用，更是确保产品在复杂电磁环境中稳定运行的关键环节。系统级EMC设计的核心在于通过综合考虑接地、屏蔽、滤波、线缆布局等多方面因素，实现产品的高抗干扰性和低干扰发射性能。

系统EMC设计的重要性

系统级EMC设计是产品开发的最后防线，任何环节的疏忽都可能导致产品在电磁兼容性方面出现问题，甚至前功尽弃。系统级设计需要汇集电磁兼容设计的所有核心技术，打造一个满足电磁兼容要求的系统。这种设计不仅是电磁兼容技术的整体应用，更是电磁兼容设计思想的完美体现，每一种处理措施都能在原理上得到解释，每一个观点都能找到技术支撑，真正做到理论与实际相结合。

系统EMC设计的主要内容

(一)接地设计

接地是提高系统电磁兼容性能的重要手段。可靠的接地可以为系统提供稳定的参考电位，减少电磁干扰的影响。接地设计的难点在于如何保证系统设备的等电位连接，常用的一种接地方式是“单点接地”，即将系统设备的所有外壳都接到接地回流排上，避免由于不等电位引起的公共阻抗干扰。然而，在系统设备较多的情况下，可能会使系统内部的地线过长，设备工作中可能耦合干扰。通常的处理方法是就近接到系统外壳的骨架上，系统的骨架是一个大的等电位连接体。

(二)屏蔽设计

系统的结构设备外壳承担着屏蔽的重要任务。可靠的屏蔽可以有效抵御来自空间或线缆的干扰。屏蔽设计的难点在于系统的输入/输出线缆孔、通风散热孔及门缝带来的电磁泄漏，使得屏蔽效能降低。对线缆输入/输出孔一般采取安装屏蔽连接器、导电泡棉进行处理，通风散热孔采用截止波导通风板处理，缝隙使用导电胶布或导电泡棉进行处理。

(三)滤波设计

滤波器在系统EMC设计中起着关键作用。滤波器通常安装在系统的入口处，其一个面固定安装在机壳上。滤波器的安装位置和方式非常重要，不合理的安装可能导致滤波器无法发挥其应有的作用。滤波器应该安装在系统的入口处，并将接地面与系统外壳可靠接触，滤波器的输入/输出线缆严禁交叉，应该在空间上沿滤波器的两端走线。此外，电源滤波器在使用时，切忌将通过滤波的电源与未通过滤波的电源一起使用。

(四)线缆设计

线缆是影响系统EMC性能的主要因素之一。电子设备中线缆产生的干扰主要分为传导干扰和辐射干扰两大类，这两大类又可分为共模干扰和差模干扰两种。减小共模干扰的方法是在电源线或信号线中串联电感，在导线与地之间并联电容器。差模辐射噪声是线缆中的信号电流回路所产生的辐射，线缆既是干扰的发射天线也是接收天线。减小这种辐射的方法是在信号输入端加低通滤波器阻止噪声电流流进电缆，使用扁平电缆或屏蔽电缆，在相邻导线中传输信号电流和回流电流，减小回路面积。

(五)装配设计

系统设备的装配需要特别注意。虽然设备已经定型，结构也已确定，安装位置固定，但配线方式可以灵活选择。不同的走线方式对系统的抗干扰性能影响不同。系统设备的配线一般分为电源线、信号线和通信线，电源线要与通信信号线分开走线，避免对通信信号线产生干扰。电源线一般从机柜后视左侧进入机柜，电源经防雷、滤波、隔离后给设备供电，输入电源线严禁与滤波隔离后的电源线交叉在一起。

系统EMC设计的核心思想

系统EMC设计的核心思想是在产品开发的各个阶段融入电磁兼容设计理念，做到提前防护，防患于未然。系统EMC设计技术主要包括系统的装配、线缆、接地、屏蔽、滤波等方面。在装配方面要避免电源与信号线交叉，电源输入、输出线不要交叉，滤波器安装在系统入口处，确保滤波器良好接地。在线缆方面要优选屏蔽双绞线，屏蔽层在系统入口处进行360°接地，射频干扰较强场合建议屏蔽层双端接地。在接地方面接地线越粗越好，确保可靠接地。在屏蔽方面要提高系统抗干扰性能，减少系统发射能量。在滤波方面滤波器要安装在系统入口处，滤波器一个面固定在系统外壳上，严禁滤波器输入、输出线交叉。