详解单片机系统的电磁兼容性设计

随着单片机系统越来越广泛地应用于消费类电子、医疗、工业自动化、智能化仪器仪表、航空航天等各领域，单片机系统面临着电磁干扰(EMI)日益严重的威胁。电磁兼容性(EMC)包含系统的发射和敏感度两方面的问题。如果一个单片机系统符合下面三个条件，则该系统是电磁兼容的：

① 对其它系统不产生干扰;② 对其它系统的发射不敏感;③ 对系统本身不产生干扰。

假若干扰不能完全消除，但也要使干扰减少到最小。干扰的产生不是直接的(通过导体、公共阻抗耦合等)，就是间接的(通过串扰或辐射耦合)。电磁干扰的产生是通过导体和通过辐射，很多电磁发射源，如光照、继电器、DC电机和日光灯都可引起干扰;AC电源线、互连电缆、金属电缆和子系统的内部电路也都可能产生辐射或接收到不希望的信号。在高速单片机系统中，时钟电路通常是宽带噪声的最大产生源，这些电路可产生高达300 MHz的谐波失真，在系统中应该把它们去掉。另外，在单片机系统中，最容易受影响的是复位线、中断线和控制线。

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干扰的耦合方式

1、 传导性EMI

一种最明显而往往被忽略的能引起电路中噪声的路径是经过导体。一条穿过噪声环境的导线可捡拾噪声并把噪声送到其它电路引起干扰。设计人员必须避免导线捡拾噪声和在噪声引起干扰前，用去耦办法除去噪声。最普通的例子是噪声通过电源线进入电路。若电源本身或连接到电源的其它电路是干扰源，则在电源线进入电路之前必须对其去耦。

2、公共阻抗耦合

当来自两个不同电路的电流流经一个公共阻抗时就会产生共阻抗耦合。阻抗上的压降由两个电路决定，来自两个电路的地电流流经共地阻抗。电路1的地电位被地电流2调制，噪声信号或DC补偿经共地阻抗从电路2耦合到电路1。

3、 辐射耦合

经辐射的耦合通称串扰。串扰发生在电流流经导体时产生电磁场，而电磁场在邻近的导体中感应瞬态电流。

4、 辐射发射

辐射发射有两种基本类型：差分模式(DM)和共模(CM)。共模辐射或单极天线辐射是由无意的压降引起的，它使电路中所有地连接抬高到系统地电位之上。就电场大小而言，CM辐射是比DM辐射更为严重的问题。为使CM辐射最小，必须用切合实际的设计使共模电流降到零。

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影响EMC的因数

① 电压。电源电压越高，意味着电压振幅越大，发射就更多，而低电源电压影响敏感度。

② 频率。高频产生更多的发射，周期性信号产生更多的发射。在高频单片机系统中，当器件开关时产生电流尖峰信号;在模拟系统中，当负载电流变化时产生电流尖峰信号。

③ 接地。在所有EMC问题中，主要问题是不适当的接地引起的。有三种信号接地方法：单点、多点和混合。在频率低于1 MHz时，可采用单点接地方法，但不适于高频;在高频应用中，最好采用多点接地。混合接地是低频用单点接地，而高频用多点接地的方法。地线布局是关键，高频数字电路和低电平模拟电路的地回路绝对不能混合。

④ PCB设计。适当的印刷电路板(PCB)布线对防止EMI是至关重要的。

⑤ 电源去耦。当器件开关时，在电源线上会产生瞬态电流，必须衰减和滤掉这些瞬态电流。来自高di/dt源的瞬态电流导致地和线迹“发射”电压，高di/dt产生大范围高频电流，激励部件和线缆辐射。流经导线的电流变化和电感会导致压降，减小电感或电流随时间的变化可使该压降最小。

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印刷电路板(PCB)的电磁兼容性设计

PCB是单片机系统中电路元件和器件的支撑件，它提供电路元件和器件之间的电气连接。随着电子技术的飞速发展，PCB的密度越来越高。PCB设计的好坏对单片机系统的电磁兼容性影响很大，实践证明，即使电路原理图设计正确，印刷电路板设计不当，也会对单片机系统的可靠性产生不利影响。例如，如果印刷板两条细平行线靠得很近，则会形成信号波形的延迟，在传输线的终端形成反射噪声。因此，在设计印刷电路板的时候，应注意采用正确的方法，遵守PCB设计的一般原则，并应符合抗干扰设计的要求。

一、PCB设计的一般原则

要使电子电路获得最佳性能，元器件的布局及导线的布设是很重要的。为了设计质量好、成本低的PCB，应遵循以下一般性原则。

1、特殊元器件布局

首先，要考虑PCB尺寸的大小：PCB尺寸过大时，印刷线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加;过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。在确定PCB尺寸后，再确定特殊元器件的位置。最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。

在确定特殊元器件的位置时要遵守以下原则：

① 尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。

② 某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。

③ 重量超过15 g的元器件，应当用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件，不宜装在印刷板上，而应装在整机的机箱底板上，且应考虑散热问题。热敏元件应远离发热元件。

④ 对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局，应考虑整机的结构要求。若是机内调节，应放在印刷板上方便调节的地方;若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。

⑤ 留出印刷板定位孔及固定支架所占用的位置。

2、一般元器件布局

根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则：

① 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。

② 以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。

③ 在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列，这样，不但美观，而且装焊容易，易于批量生产。

④ 位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2 mm。电路板的最佳形状为矩形。长宽比为3:2或4:3。电路板面尺寸大于200 mm×150 mm时，应考虑电路板所受的机械强度。

3、布线

布线的原则如下：

① 输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行，最好加线间地线，以免发生反馈耦合。

② 印刷板导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流过它们的电流值决定。当铜箔厚度为0.5 mm、宽度为1～15 mm时，通过2 A的电流，温升不会高于3℃。因此，导线宽度为1.5 mm可满足要求。对于集成电路，尤其是数字电路，通常选0.02～0.3 mm导线宽度。当然，只要允许，还是尽可能用宽线，尤其是电源线和地线。导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。对于集成电路，尤其是数字电路，只要工艺允许，可使间距小于0.1～0.2 mm。

③ 印刷导线拐弯处一般取圆弧形，而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。此外，尽量避免使用大面积铜箔，否则，长时间受热时，易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用大面积铜箔时，最好用栅格状，这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。

4、 焊盘

焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些。焊盘太大易形成虚焊。焊盘外径D一般不小于(d+1.2) mm，其中d为引线孔径。对高密度的数字电路，焊盘最小直径可取(d+1.0) mm。

EMC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。

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。

其他抗干扰措施

断路或雷电瞬变过压引起的单极性浪涌，也是保护器电磁兼容设计的重点。在电源线的火线和零线间加入氧化锌压敏电阻，当加在压敏电阻两端的电压低于标称电压时，其电阻几乎无穷大，稍超过额定值后，电阻值便急剧下降，反应时间为ns级。压敏电阻可以使浪涌干扰大幅衰减，减小对其他电路的影响。

在设计剩余电流保护器PCB板时，综合考虑各种可能影响保护器性能的因素，提高PCB对干扰的抑制能力。强电电路集中线路板边缘一端，并与弱电部分保持适当距离。模拟信号处理电路和数字处理电路分离，由于采用单片机内部的A/D，两者不能做到完全分离，布线时使模拟地和数字地只在一点共地。系统电源线和地线加粗，空白的地方覆铜，采用网状结构，作为数字地的一部分，减小模拟信号对数字处理电路的干扰。单片机系统时钟电路尽可能靠近芯片引脚，并与其他器件和 PCB走线保持适当空间，减少高频辐射对系统的影响。

总结

由于采取的硬件、软件措施正确有效，该保护器顺利通过了产品型式试验，取得3C认证，运行可靠，没有出现误动作。采用单片机的中断，监测系统的电源干扰，继而监测交流信号的采样过程。实践证明，通过软件和硬件的配合，是消除交流采样系统高频干扰的有效方法。