對單片機(jī)系統(tǒng)可行的EMS技術(shù)方法

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。用于生產(chǎn)現(xiàn)場的單片用系統(tǒng)，易受各種電磁干擾的侵襲，直接影響到系統(tǒng)的可靠性。這些干擾因素常會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行失常，輕則影響產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，重則會(huì)導(dǎo)致事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，單片機(jī)系統(tǒng)的EMC問題已經(jīng)成為電子工程師關(guān)注的重要課題。本文對單片機(jī)系統(tǒng)的EMI進(jìn)行分析并提出一些可行的EMS技術(shù)方法。

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題。為防止外界對系統(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)和控制線使用較長的導(dǎo)線且沒有良好的屏蔽措施，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，它使得模擬信號出現(xiàn)失真，數(shù)字信號產(chǎn)生錯(cuò)誤，系統(tǒng)如根據(jù)有問題的信號進(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)和各輸出信號疊加，造成輸出信號混亂，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靜電耦合、感應(yīng)耦合或交變電磁場耦合形成的電磁噪聲傳播途徑。分別對應(yīng)于此三種耦合可以采取靜電屏蔽、磁場屏蔽與電磁屏蔽。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)分割開來，切斷通過地線系統(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濾掉，只保留需要的信號。例如對電源濾波器，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，但并不能保證絕對沒有雜波，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)行如看門狗或者是在輸入信號受干擾時(shí)通過特定的編程技巧進(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度不得超過波長的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進(jìn)行信息傳輸，可將單片機(jī)系統(tǒng)與各種傳感器、開關(guān)、繼電器等機(jī)構(gòu)從電氣上隔離開來，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。而有用的各類數(shù)字信號利用光電耦合的方式傳輸無問題，模擬信號則可以使用線性光耦傳輸保證質(zhì)量。

(3)硬件濾波

在需要對單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行低頻信號傳送時(shí)接入一些RC低通濾波器，可大大削弱各類高頻干擾信號的作用。在單片機(jī)系統(tǒng)對電源環(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，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。采取軟件的方法對疊加在模擬輸入信號上的噪聲進(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，常見的抗干擾技術(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)覺并使系統(tǒng)復(fù)位。