基于Zigbee的無(wú)線(xiàn)傳輸電路的抗電磁干擾優(yōu)化設計

摘要：電力設備熱點(diǎn)溫度與電流在線(xiàn)監測預警系統工作在大型變壓器旁，極易受電磁輻射干擾，針對該預警系統的子系統；無(wú)線(xiàn)傳輸部分進(jìn)行了抗電磁干擾設計，采用Ansoft Designer軟件仿真分析了PCB(Printed Circuit Board)中電磁波對PCB電磁兼容性產(chǎn)生的影響，根據其得出的PCB的電流圖及近場(chǎng)分布圖，分析PCB的電磁兼容性，針對結果中的電磁輻射過(guò)高區域進(jìn)行了重新設計，經(jīng)Ansoft Designer驗證，重新設計后的PCB各項指數有所下降，電磁兼容性得到提高。
關(guān)鍵詞：Zigbee；抗電磁干擾；Ansoft Designer；優(yōu)化設計

隨著(zhù)世界上第一個(gè)電磁兼容性規范1944年在德國誕生，電磁兼容設計在現代電子設計中變得越來(lái)越重要。普通的10 kV／630 kW“箱式”變壓器低頻噪音輻射處的電場(chǎng)輻射一般可達800 V／m，電磁輻射可達30 B／μT，對工作在此環(huán)境下的無(wú)線(xiàn)傳輸模塊有非常大的影響，因此有必要對無(wú)線(xiàn)傳輸模塊進(jìn)行抗電磁干擾設計。

1 PCB的抗干擾設計
1．1 硬件方面的抗電磁干擾設計
1)選擇集成度高，抗干擾能力強，功耗小的電子器件。
2)良好的接地設計。對于工作在2 MHz一下低頻應采取共地，即一點(diǎn)接地；對于工作在10 MHz以上的高頻應采用分地，即多點(diǎn)接地。同時(shí)，數字地和模擬地分開(kāi)，中間用磁珠連接。對傳感器信號地線(xiàn)采用浮空隔離，不與大地相連。將所有閑置的單片機IO端口，應該接地而不是接電源。
3)濾波處理。每個(gè)IC的電源端并聯(lián)一個(gè)高頻電容，減少I(mǎi)C對電源的影響。
4)PCB的設計：①布線(xiàn)時(shí)遵循3-W原則，也就是相鄰兩條線(xiàn)路間的中心距離應該大于或者等于3倍的線(xiàn)寬。隨著(zhù)線(xiàn)間距離的增大，同時(shí)也能減少線(xiàn)間的耦合串擾。②按照功能布局，不同模塊接對應的電源。③電源和地線(xiàn)盡量的粗，電流方向和信號線(xiàn)方向相同。④晶振盡量靠近單片機。⑤線(xiàn)路盡量使用45°折線(xiàn)而不是90°折線(xiàn)。⑥多層板設計，將電源層和接地層放在中間層，這樣利于各元器件的迅速接地，抑制共模干擾，有利于抗電磁干擾。
1．2 軟件方面的抗電磁干擾設計
1)使用看門(mén)狗，MSP430中已經(jīng)集成，遂不贅述。
2)數據冗余技術(shù)，在噪聲幅度較大的環(huán)境巾傳輸數據，給數據增加一定的冗余位用于校驗，能增加檢錯和糾錯的能力，具有非常明顯的抗干擾效果。

2 電磁干擾仿真軟件介紹
電磁干擾的數值仿真過(guò)程也就是電磁場(chǎng)問(wèn)題的數值計算過(guò)程，電磁數值計算的任務(wù)是基于麥克斯韋方程組，建立逼近實(shí)際問(wèn)題的連續型數學(xué)模型，然后采用相應的數值計算方法，經(jīng)離散化處理，解出模型的數值解，再經(jīng)處理得出場(chǎng)域中任意點(diǎn)處的場(chǎng)強，能量，損耗分布，及其他參數。常見(jiàn)的計算法方法有時(shí)域有限元法、頻域有限元法，矩量法等，其中矩量法基于Maxwell方程中的積分方程，計算精度較高；頻域有限元法基于Maxwell方程中的偏微分方程，計算量較大，其中Ansoft Designer就是基于頻域有限元方法的軟件。
Ansoft Desinger集成了高頻、基于物理原型的電磁建模、仿真及與電路和系統分析的無(wú)縫連接環(huán)境，為了獲得S參數和電流密度J，采用了混合電位積分方程(MPIE Mixed Potential Integral Equation)法和矩量法(MoM Method of Moments)分別計算之，這樣就能通過(guò)電流密度求得S參數和輻射場(chǎng)。
在A(yíng)nsoft中，只要三維物體表面網(wǎng)格形成，則可利用混合點(diǎn)位積分方程(MPIE)進(jìn)行分析：
為垂直于網(wǎng)格平面的單位矢量；j為虛部單位；ω為角頻率(等于2f)；A表示矢量磁位；φ為標量電位；Zs為單個(gè)網(wǎng)格表面的電阻；J為網(wǎng)格上的電流密度。在混合積分后，使用矩量法(MoM)求解網(wǎng)格上的電流密度J，得到網(wǎng)格邊界線(xiàn)上法向方向的電流，在存儲網(wǎng)格邊界線(xiàn)方向電流分量后，網(wǎng)格內部每個(gè)點(diǎn)的電流值可通過(guò)網(wǎng)格邊界線(xiàn)法向電流分量差值得到。