對單片機系統可行的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)現場(chǎng)的單片用系統，易受各種電磁干擾的侵襲，直接影響到系統的可靠性。這些干擾因素常會(huì )導致單片機系統運行失常，輕則影響產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，重則會(huì )導致事故，造成重大經(jīng)濟損失。因此，單片機系統的EMC問(wèn)題已經(jīng)成為電子工程師關(guān)注的重要課題。本文對單片機系統的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(zhù)智能化技術(shù)的發(fā)展，單片機的應用也日益廣泛。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在應用中，仍存在著(zhù)電磁干擾的問(wèn)題。為防止外界對系統的EMI，并確保單片機控制系統安全可靠地運行，必須采取相應的EMS措施。

1 EMI的產(chǎn)生原因分析

在單片機系統的工作環(huán)境中，往往有許多強電設備，特別是電機啟動(dòng)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(huà)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)單片機控制系統的各部分之間要有較遠的距離，數據和控制線(xiàn)使用較長(cháng)的導線(xiàn)且沒(méi)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之中。

總之對單片機系統的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失真，數字信號產(chǎn)生錯誤，系統如根據有問(wèn)題的信號進(jìn)行運算處理結果將必然是錯誤的。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，不能將系統真實(shí)的處理結果進(jìn)行表達。第三是單片機內部總線(xiàn)干擾，干擾使得控制、地址、數據總線(xiàn)上的內部數字信號錯亂，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(guò)靜電耦合、感應耦合或交變電磁場(chǎng)耦合形成的電磁噪聲傳播途徑。分別對應于此三種耦合可以采取靜電屏蔽、磁場(chǎng)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、復合材料等各種材料的屏蔽效能，如多層、單層、孔隙等各種結構的屏蔽效能，各種形狀的屏蔽體的屏蔽效能以及屏蔽體的設計以及屏蔽與接地的關(guān)系等。

隔離是用于切斷傳導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(xiàn)系統分割開(kāi)來(lái)，切斷通過(guò)地線(xiàn)系統進(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(xiàn)以及系統內的各種地線(xiàn)的接地方法。主要考慮是如何正確地布置數字地模擬地、接地體的設計、地線(xiàn)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系統創(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(méi)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)是當系統受干擾后，在單片機系統內部特定的程序發(fā)揮作用，使得系統復位正常運行如看門(mén)狗或者是在輸入信號受干擾時(shí)通過(guò)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字濾波器。此技術(shù)編程設計多樣靈活，能夠大量的節省硬件成本，調試操作起來(lái)更加方便。

3 EMS技術(shù)的具體應用

3.1硬件EMS技術(shù)應用

(1)良好的接地的方式

單片機控制系統的工作頻率較低，對其起作用的干擾頻率也大多在1MHz以下，故宜采用一點(diǎn)獨立接地，但是要注意其地線(xiàn)長(cháng)度不得超過(guò)波長(cháng)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)候為了防止干擾每一個(gè)支路之間地線(xiàn)應盡可能縮短，并且線(xiàn)徑應足夠粗，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 )讓各支路電流在導線(xiàn)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(lái)進(jìn)行信息傳輸，可將單片機系統與各種傳感器、開(kāi)關(guān)、繼電器等機構從電氣上隔離開(kāi)來(lái)，就像是PLC一樣，將絕大多數的外部設備干擾都將被阻擋在外。而有用的各類(lèi)數字信號利用光電耦合的方式傳輸無(wú)問(wèn)題，模擬信號則可以使用線(xiàn)性光耦傳輸保證質(zhì)量。

(3)硬件濾波

在需要對單片機系統進(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(lèi)高頻干擾信號的作用。在單片機系統對電源環(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包圍起來(lái)，再將金屬外殼或金屬閘接地就能將電磁干擾導入大地，從而去除干擾。屏蔽外殼的接地點(diǎn)要與系統信號參考地線(xiàn)點(diǎn)相接，如有從被金屬屏蔽包圍的單片機系統中引出信號線(xiàn)，應采用屏蔽線(xiàn)，其屏蔽層和外殼應在同一點(diǎn)接系統參考點(diǎn)。特別的參考接地點(diǎn)不同的系統應分別屏蔽，不可將其共處一金屬屏蔽殼中。

3.2 軟件EMS技術(shù)應用

(1)數字濾波器。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(lái)，常見(jiàn)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.未使用的中斷區陷阱c.未使用的EPROM空間陷阱d.程序區陷阱

(3)程序運行監控系統(watchdog)當程序彈飛進(jìn)入一個(gè)死循環(huán)時(shí)，冗余指令和軟件陷阱都無(wú)能為力，系統將完全癱瘓。為此程序中應設一個(gè)運行監視系統(watchdog)，應具有以下特征：a.本身能獨立工作，基本上不依賴(lài)MCU。b.MCU在一段固定的時(shí)間內和該系統打一次交道，表明目前正常。c.當MCU進(jìn)入死循環(huán)時(shí)，能及時(shí)發(fā)覺(jué)并使系統復位。