隨著單片機系統(tǒng)越來越廣泛地應(yīng)用于消費類電子、醫(yī)療、工業(yè)自動化、智能化儀器儀表、航空航天等各領(lǐng)域，單片機系統(tǒng)面臨著電磁干擾(EMI)日益嚴重的威脅。電磁兼容性(EMC)包含系統(tǒng)的發(fā)射和敏感度兩方面的問題。如果一個單片機系統(tǒng)符合下面三個條件，則該系統(tǒng)是電磁兼容的：

① 對其它系統(tǒng)不產(chǎn)生干擾;② 對其它系統(tǒng)的發(fā)射不敏感;③ 對系統(tǒng)本身不產(chǎn)生干擾。

假若干擾不能完全消除，但也要使干擾減少到最小。干擾的產(chǎn)生不是直接的(通過導(dǎo)體、公共阻抗耦合等)，就是間接的(通過串擾或輻射耦合)。電磁干擾的產(chǎn)生是通過導(dǎo)體和通過輻射，很多電磁發(fā)射源，如光照、繼電器、DC電機和日光燈都可引起干擾;AC電源線、互連電纜、金屬電纜和子系統(tǒng)的內(nèi)部電路也都可能產(chǎn)生輻射或接收到不希望的信號。在高速單片機系統(tǒng)中，時鐘電路通常是寬帶噪聲的最大產(chǎn)生源，這些電路可產(chǎn)生高達300 MHz的諧波失真，在系統(tǒng)中應(yīng)該把它們?nèi)サ?。另外，在單片機系統(tǒng)中，最容易受影響的是復(fù)位線、中斷線和控制線。

01

干擾的耦合方式

1、 傳導(dǎo)性EMI

一種最明顯而往往被忽略的能引起電路中噪聲的路徑是經(jīng)過導(dǎo)體。一條穿過噪聲環(huán)境的導(dǎo)線可撿拾噪聲并把噪聲送到其它電路引起干擾。設(shè)計人員必須避免導(dǎo)線撿拾噪聲和在噪聲引起干擾前，用去耦辦法除去噪聲。最普通的例子是噪聲通過電源線進入電路。若電源本身或連接到電源的其它電路是干擾源，則在電源線進入電路之前必須對其去耦。

2、公共阻抗耦合

當來自兩個不同電路的電流流經(jīng)一個公共阻抗時就會產(chǎn)生共阻抗耦合。阻抗上的壓降由兩個電路決定，來自兩個電路的地電流流經(jīng)共地阻抗。電路1的地電位被地電流2調(diào)制，噪聲信號或DC補償經(jīng)共地阻抗從電路2耦合到電路1。

3、 輻射耦合

經(jīng)輻射的耦合通稱串擾。串擾發(fā)生在電流流經(jīng)導(dǎo)體時產(chǎn)生電磁場，而電磁場在鄰近的導(dǎo)體中感應(yīng)瞬態(tài)電流。

4、 輻射發(fā)射

輻射發(fā)射有兩種基本類型：差分模式(DM)和共模(CM)。共模輻射或單極天線輻射是由無意的壓降引起的，它使電路中所有地連接抬高到系統(tǒng)地電位之上。就電場大小而言，CM輻射是比DM輻射更為嚴重的問題。為使CM輻射最小，必須用切合實際的設(shè)計使共模電流降到零。

02

影響EMC的因數(shù)

① 電壓。電源電壓越高，意味著電壓振幅越大，發(fā)射就更多，而低電源電壓影響敏感度。

② 頻率。高頻產(chǎn)生更多的發(fā)射，周期性信號產(chǎn)生更多的發(fā)射。在高頻單片機系統(tǒng)中，當器件開關(guān)時產(chǎn)生電流尖峰信號;在模擬系統(tǒng)中，當負載電流變化時產(chǎn)生電流尖峰信號。

③ 接地。在所有EMC問題中，主要問題是不適當?shù)慕拥匾鸬摹Ｓ腥N信號接地方法：單點、多點和混合。在頻率低于1 MHz時，可采用單點接地方法，但不適于高頻;在高頻應(yīng)用中，最好采用多點接地?；旌辖拥厥堑皖l用單點接地，而高頻用多點接地的方法。地線布局是關(guān)鍵，高頻數(shù)字電路和低電平模擬電路的地回路絕對不能混合。

④ PCB設(shè)計。適當?shù)挠∷㈦娐钒?PCB)布線對防止EMI是至關(guān)重要的。

⑤ 電源去耦。當器件開關(guān)時，在電源線上會產(chǎn)生瞬態(tài)電流，必須衰減和濾掉這些瞬態(tài)電流。來自高di/dt源的瞬態(tài)電流導(dǎo)致地和線跡“發(fā)射”電壓，高di/dt產(chǎn)生大范圍高頻電流，激勵部件和線纜輻射。流經(jīng)導(dǎo)線的電流變化和電感會導(dǎo)致壓降，減小電感或電流隨時間的變化可使該壓降最小。

03

印刷電路板(PCB)的電磁兼容性設(shè)計

PCB是單片機系統(tǒng)中電路元件和器件的支撐件，它提供電路元件和器件之間的電氣連接。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，PCB的密度越來越高。PCB設(shè)計的好壞對單片機系統(tǒng)的電磁兼容性影響很大，實踐證明，即使電路原理圖設(shè)計正確，印刷電路板設(shè)計不當，也會對單片機系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生不利影響。例如，如果印刷板兩條細平行線靠得很近，則會形成信號波形的延遲，在傳輸線的終端形成反射噪聲。因此，在設(shè)計印刷電路板的時候，應(yīng)注意采用正確的方法，遵守PCB設(shè)計的一般原則，并應(yīng)符合抗干擾設(shè)計的要求。

一、PCB設(shè)計的一般原則

要使電子電路獲得最佳性能，元器件的布局及導(dǎo)線的布設(shè)是很重要的。為了設(shè)計質(zhì)量好、成本低的PCB，應(yīng)遵循以下一般性原則。

1、特殊元器件布局

首先，要考慮PCB尺寸的大小：PCB尺寸過大時，印刷線條長，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加;過小，則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。在確定PCB尺寸后，再確定特殊元器件的位置。最后，根據(jù)電路的功能單元，對電路的全部元器件進行布局。

在確定特殊元器件的位置時要遵守以下原則：

① 盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設(shè)法減少它們的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互挨得太近，輸入和輸出元件應(yīng)盡量遠離。

② 某些元器件或?qū)Ь€之間可能有較高的電位差，應(yīng)加大它們之間的距離，以免放電引出意外短路。帶高電壓的元器件應(yīng)盡量布置在調(diào)試時手不易觸及的地方。

③ 重量超過15 g的元器件，應(yīng)當用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、發(fā)熱量多的元器件，不宜裝在印刷板上，而應(yīng)裝在整機的機箱底板上，且應(yīng)考慮散熱問題。熱敏元件應(yīng)遠離發(fā)熱元件。

④ 對于電位器、可調(diào)電感線圈、可變電容器、微動開關(guān)等可調(diào)元件的布局，應(yīng)考慮整機的結(jié)構(gòu)要求。若是機內(nèi)調(diào)節(jié)，應(yīng)放在印刷板上方便調(diào)節(jié)的地方;若是機外調(diào)節(jié)，其位置要與調(diào)節(jié)旋鈕在機箱面板上的位置相適應(yīng)。

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

根據(jù)電路的功能單元，對電路的全部元器件進行布局時，要符合以下原則：

① 按照電路的流程安排各個功能電路單元的位置，使布局便于信號流通，并使信號盡可能保持一致的方向。

② 以每個功能電路的核心元件為中心，圍繞它來進行布局。元器件應(yīng)均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。

③ 在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般電路應(yīng)盡可能使元器件平行排列，這樣，不但美觀，而且裝焊容易，易于批量生產(chǎn)。

④ 位于電路板邊緣的元器件，離電路板邊緣一般不小于2 mm。電路板的最佳形狀為矩形。長寬比為3:2或4:3。電路板面尺寸大于200 mm×150 mm時，應(yīng)考慮電路板所受的機械強度。

3、布線

布線的原則如下：

① 輸入輸出端用的導(dǎo)線應(yīng)盡量避免相鄰平行，最好加線間地線，以免發(fā)生反饋耦合。

② 印刷板導(dǎo)線的最小寬度主要由導(dǎo)線與絕緣基板間的粘附強度和流過它們的電流值決定。當銅箔厚度為0.5 mm、寬度為1～15 mm時，通過2 A的電流，溫升不會高于3℃。因此，導(dǎo)線寬度為1.5 mm可滿足要求。對于集成電路，尤其是數(shù)字電路，通常選0.02～0.3 mm導(dǎo)線寬度。當然，只要允許，還是盡可能用寬線，尤其是電源線和地線。導(dǎo)線的最小間距主要由最壞情況下的線間絕緣電阻和擊穿電壓決定。對于集成電路，尤其是數(shù)字電路，只要工藝允許，可使間距小于0.1～0.2 mm。

③ 印刷導(dǎo)線拐彎處一般取圓弧形，而直角或夾角在高頻電路中會影響電氣性能。此外，盡量避免使用大面積銅箔，否則，長時間受熱時，易發(fā)生銅箔膨脹和脫落現(xiàn)象。必須用大面積銅箔時，最好用柵格狀，這樣有利于排除銅箔與基板間粘合劑受熱產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體。

4、 焊盤

焊盤中心孔要比器件引線直徑稍大一些。焊盤太大易形成虛焊。焊盤外徑D一般不小于(d+1.2) mm，其中d為引線孔徑。對高密度的數(shù)字電路，焊盤最小直徑可取(d+1.0) mm。

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，單片機的應(yīng)用也日益廣泛。雖然單片機本身有一定的抗干擾能力，但是用單片機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，并確保單片機控制系統(tǒng)安全可靠地運行，必須采取相應(yīng)的EMS措施。

1 EMI的產(chǎn)生原因分析

在單片機系統(tǒng)的工作環(huán)境中，往往有許多強電設(shè)備，特別是電機啟動和繼電器的吸合將對單片機產(chǎn)生強烈的干擾，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單片機控制系統(tǒng)的各部分之間要有較遠的距離，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，這會使得電磁干擾就更容易混入系統(tǒng)之中。

總之對單片機系統(tǒng)的EMI總是以輻射、電源回路等方式進入的，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)生錯誤，系統(tǒng)如根據(jù)有問題的信號進行運算處理結(jié)果將必然是錯誤的。第二是輸出途徑，干擾會和各輸出信號疊加，造成輸出信號混亂，不能將系統(tǒng)真實的處理結(jié)果進行表達。第三是單片機內(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)字信號錯亂，使MCU出錯，程序跑飛，甚至當機。

2 EMS技術(shù)的主要研究方向

針對單片機系統(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行隔離。其特點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、地線在各種不同頻率時的阻抗等等。

硬件抗干擾措施是給單片機系統(tǒng)創(chuàng)造了一個基本潔凈的工作環(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去。軟件抗干擾技術(shù)是當系統(tǒng)受干擾后，在單片機系統(tǒng)內(nèi)部特定的程序發(fā)揮作用，使得系統(tǒng)復(fù)位正常運行如看門狗或者是在輸入信號受干擾時通過特定的編程技巧進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，故宜采用一點獨立接地，但是要注意其地線長度不得超過波長的1/20。一點接地方式有串聯(lián)一點接地和并聯(lián)一點接地兩種方式，使用串聯(lián)一點接地的時候為了防止干擾每一個支路之間地線應(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)一點接地會讓各支路電流在導(dǎo)線上所產(chǎn)生的壓降互不影響，不會形成干擾，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行信息傳輸，可將單片機系統(tǒng)與各種傳感器、開關(guān)、繼電器等機構(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

在需要對單片機系統(tǒng)進行低頻信號傳送時接入一些RC低通濾波器，可大大削弱各類高頻干擾信號的作用。在單片機系統(tǒng)對電源環(huán)境要求較高時，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。屏蔽外殼的接地點要與系統(tǒng)信號參考地線點相接，如有從被金屬屏蔽包圍的單片機系統(tǒng)中引出信號線，應(yīng)采用屏蔽線，其屏蔽層和外殼應(yīng)在同一點接系統(tǒng)參考點。特別的參考接地點不同的系統(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)程序運行監(jiān)控系統(tǒng)(watchdog)當程序彈飛進入一個死循環(huán)時，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)一個運行監(jiān)視系統(tǒng)(watchdog)，應(yīng)具有以下特征：a.本身能獨立工作，基本上不依賴MCU。b.MCU在一段固定的時間內(nèi)和該系統(tǒng)打一次交道，表明目前正常。c.當MCU進入死循環(huán)時，能及時發(fā)覺并使系統(tǒng)復(fù)位。

其他抗干擾措施

斷路或雷電瞬變過壓引起的單極性浪涌，也是保護器電磁兼容設(shè)計的重點。在電源線的火線和零線間加入氧化鋅壓敏電阻，當加在壓敏電阻兩端的電壓低于標稱電壓時，其電阻幾乎無窮大，稍超過額定值后，電阻值便急劇下降，反應(yīng)時間為ns級。壓敏電阻可以使浪涌干擾大幅衰減，減小對其他電路的影響。

在設(shè)計剩余電流保護器PCB板時，綜合考慮各種可能影響保護器性能的因素，提高PCB對干擾的抑制能力。強電電路集中線路板邊緣一端，并與弱電部分保持適當距離。模擬信號處理電路和數(shù)字處理電路分離，由于采用單片機內(nèi)部的A/D，兩者不能做到完全分離，布線時使模擬地和數(shù)字地只在一點共地。系統(tǒng)電源線和地線加粗，空白的地方覆銅，采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，作為數(shù)字地的一部分，減小模擬信號對數(shù)字處理電路的干擾。單片機系統(tǒng)時鐘電路盡可能靠近芯片引腳，并與其他器件和 PCB走線保持適當空間，減少高頻輻射對系統(tǒng)的影響。

總結(jié)

由于采取的硬件、軟件措施正確有效，該保護器順利通過了產(chǎn)品型式試驗，取得3C認證，運行可靠，沒有出現(xiàn)誤動作。采用單片機的中斷，監(jiān)測系統(tǒng)的電源干擾，繼而監(jiān)測交流信號的采樣過程。實踐證明，通過軟件和硬件的配合，是消除交流采樣系統(tǒng)高頻干擾的有效方法。