单片机设计中如何处理电磁兼容问题

单片机设计中如何处理电磁兼容问题

对于新手来说，在单片机的电路设计中，可能不太关注电磁干扰对设计本身输入输出的影响，但对于一个电子工程师来说，不言而喻的是，并不是这样的。 不仅关系到单片机的控制能力和精度，还关系到行业内企业的竞争。 对于电磁干扰的设计，我们主要从硬件和软件两个方面进行处理。 下面从MCU的PCB设计到软件处理对电磁兼容的处理进行介绍。

影响EMC的因素 

1、电压

电源电压越高，电压幅值越大，发射量也越大。 电源电压越低，影响灵敏度。

2、频率

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

3、接地

在所有的EMC问题中，最主要的问题是由接地不当引起的。

信号接地方式有以下三种：

1、单点、多点、混合。 当频率低于1MHz时，可采用单点接地方式，但不适合高频；

2、高频应用时，建议多点接地；

3、混合接地是低频单点接地、高频多点接地的方式。 地线布置是关键。 高频数字电路和低电平模拟电路的接地电路不能混用。

4、PCB设计正确的 PCB 布线对于防止 EMI 至关重要。

5、 电源耦合

当设备开关时，电源线上会产生瞬态电流，必须对这些瞬态电流进行衰减和滤波。

来自高di/dt源的瞬态电流导致地和走线的“发射”电压，高di/dt产生大范围的高频电流来刺激元件和电缆的辐射。

导线中流过的电流变化和电感会导致电压降，可以通过减小电感或电流随时间的变化来减小电压降。

干扰措施的硬件处理方法

1、印刷电路板（PCB）电磁兼容设计

PCB是单片机系统中电路元件和器件的支撑部分，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设计的质量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造成不利影响。

例如，如果印刷电路板的两条细平行线靠得很近，就会形成信号波形的延迟，并在传输线的末端形成反射噪声。因此，在设计印制电路板时，应注意采用正确的方法，遵循PCB设计的一般原则，满足抗干扰设计要求。 为了获得电子电路的良好性能，元件和导线的布局非常重要。

2、输入输出EMC设计

在单片机系统中，输入/输出也是干扰源的传输线，也是接收射频干扰信号的拾取源。 一般来说，我们在设计时应采取有效的措施：

① 采用必要的共模/差模抑制电路，并采取一定的滤波和抗电磁屏蔽措施，以减少干扰的前进。

② 在条件允许的情况下，应尽可能采取各种隔离措施（如光电隔离或磁电隔离），阻断干扰的传播。

3、单片机复位电路设计

在单片机系统中，看门狗系统对整个单片机的运行起着特别重要的作用。 由于所有的干扰源都无法被隔离或去除，一旦CPU干扰了程序的正常运行，复位系统结合软件处理措施将成为有效的纠错防御屏障。

有两种常见的重置系统：

① 外部复位系统。 外部“看门狗”电路可以用专门的“看门狗”芯片来设计或构建。

然而，它们有各自的优点和缺点。 大多数专用“看门狗”芯片不能响应低频“喂狗”信号，而高频“喂狗”信号可以响应，这样就可以在低频“喂狗”信号下产生复位动作，而不是产生复位动作。 在高频“喂狗”信号下复位动作。 这样，如果程序系统陷入死循环，而循环中恰好出现“喂狗”信号，那么复位电路就无法实现其应有的功能。

然而，我们可以设计一个由带通“喂狗”电路和其他复位电路组成的系统，这是一个非常有效的外部监控系统。

② 现在越来越多的单片机都有自己的片上复位系统，这样用户就可以方便地使用其内部的复位定时器。 但有一些型号的单片机其复位指令过于简单，因此也会出现像上述死循环这样的“喂狗”指令，使其失去监控作用。

有些单片机芯片的复位指令做得更好。 一般他们把“喂狗”信号做成固定格式的多条指令依次执行。 如果出现一定误差，“喂狗”操作无效，大大提高了复位电路的可靠性。

4、振荡器

大多数单片机都有一个与外部晶体或陶瓷谐振器耦合的振荡器电路。 PCB板上要求外接的电容、晶体或陶瓷谐振器的引线尽可能短。

RC 振荡器对干扰信号可能很敏感，从而产生非常短的时钟周期。 因此，建议使用晶体或陶瓷谐振器。 另外，石英晶体的外壳应接地。

5、防雷措施

对于室外使用的单片机系统或从室外引入的电源线、信号线，应考虑系统的防雷保护。 常见的防雷器件有：气体放电管、TVS（瞬态电压抑制）等。

当电源电压大于一定值时，通常为几十、几百伏。 气体分解并放电，导致电线上的强烈冲击脉冲到达地面。TVS可以看作是两个并联且方向相反的齐纳二极管。 当两端电压高于一定值时，TVS就会导通。 其特点是可以瞬时通过数百甚至数千安培的电流。

干扰措施的软件处理方法

电磁干扰源产生的干扰信号在某些特定情况下（例如在某些恶劣的电磁环境下）无法完全消除，并且会进入CPU处理的核心单元。 这样，一些大规模集成电路常常受到干扰，导致不能正常工作或处于错误状态。

特别是RAM等采用双稳态进行存储的器件，在强干扰下容易发生翻转，使原来的“0”变成“1”，或者“1”变成“0”； 有些串行传输的时序和数据会因干扰而改变； 更严重的是，一些重要的数据参数会被破坏； 后果往往是非常严重的。

在这种情况下，软件设计的好坏直接影响到整个系统的抗干扰能力。

1、由于电磁干扰，程序大致会满足以下条件：

① 程序运行。

这是一种很常见的干扰结果。 一般来说，一个好的复位系统或者软件帧测系统就足够了，不会对整个操作系统产生太大的影响。

② 程序代码循环或异常运行。

当然，这种死循环和异常的程序代码并不是设计者故意编写的。 我们知道程序指令是由字节组成的，有的是单字节指令，有的是多字节指令。 当干扰发生时，PC指针发生变化，从而使原来的程序代码被重新组织，产生不可预测的可执行程序代码。

那么，这个错误是致命的。 它可能会修改重要的数据参数，并可能产生一系列错误。