車(chē)載微機系統中的抗電磁干擾設計

1．引言
從計算機角度出發(fā)，現代化武器裝備電子電氣設備內部含有多種電子元器件和子系統，外來(lái)電磁輻射、內部元件之間、各子系統之間以及傳送通道間的相互干擾等，會(huì )影響甚至嚴重制約微機系統的穩定性和可靠性；繼而對武器系統性能及可靠性造成極為惡劣的影響，因此分析裝備車(chē)輛電磁干擾對微機系統產(chǎn)生的影響和危害，采取必要的抗干擾措施，提高整個(gè)微機化設備及其系統的抗電磁干擾能力，在裝備車(chē)載微機系統開(kāi)發(fā)中有著(zhù)十分重要的現實(shí)意義。
2．電磁干擾分析
2．1干擾源
對干擾源的分析是進(jìn)行防護的前提，在裝備車(chē)輛上，電磁環(huán)境十分復雜，主要有無(wú)線(xiàn)電設備干擾，脈沖數字電路和開(kāi)關(guān)電路干擾，設備線(xiàn)纜間干擾和外部干擾。
對裝備車(chē)輛而言，由于配備的電子化設備及儀器儀表數量和種類(lèi)多，頻帶范圍寬，信號形式復雜，信號強度差別大，這些信號產(chǎn)生的諧波和各種互調、交調頻率
可以通過(guò)天線(xiàn)向四周輻射電磁干擾：在電子儀表及控制系統內部，由于電壓、電源的突變，元件安裝的位置、配線(xiàn)阻抗、振蕩電路互連、元件或電路的耦合等也會(huì )造成電磁干擾；由于車(chē)載微機系統安裝空間狹小，布線(xiàn)復雜，各種線(xiàn)纜如電力線(xiàn)、信號線(xiàn)、控制線(xiàn)等布線(xiàn)十分密集，而各種線(xiàn)纜中信號強度差別較大，敏感度不同，很容易引起相互問(wèn)的干擾。
外部電磁噪聲是指自然界及各種外部電器設備所輻射的電磁噪聲，如雷電、無(wú)線(xiàn)電雷達、導航系統、廣播電視系統、瞬態(tài)開(kāi)關(guān)、換向裝置、氣體火花放電器、電
暈放電、接觸電位器、正弦波信號源、非正弦波信號源、電磁脈沖等。

微機設備內部有許多大規模集成電路芯片，其中包括TTL高速數字邏輯元件和CMOS高功能化元件，每個(gè)元器件，每根導線(xiàn)都流著(zhù)不同的電流，從而在其周?chē)a(chǎn)
生大大小小的電磁場(chǎng)，由于計算機工作頻率在幾兆赫到上百兆赫，所以輻射和耦合造成相互干擾。當設備處于高速工作狀態(tài)時(shí)，它們不僅是電磁干擾的輻射源，同時(shí)也是被干擾的對象。
2．2干擾形成與傳遞
如果干擾信號的波長(cháng)又比被干擾的對象結構尺寸小，或者干擾源與被干擾者之間的距離>波長(cháng)／2Ⅱ時(shí)，干擾信號可以認為是輻射場(chǎng)，它以平面電磁波形式向外輻射電磁場(chǎng)能量進(jìn)入被干擾對象的通路。干擾信號以漏電和耦合形式，通過(guò)絕緣支承物為媒介，經(jīng)公共阻抗的耦合進(jìn)入被干擾的線(xiàn)路、設備或系統。當干擾信號的波長(cháng)比被干擾對象的結構尺寸長(cháng)，或者干擾源與干擾對象之間的距離>波長(cháng)／2Ⅱ時(shí)，干擾信號可以認為是似穩場(chǎng)，它以感應場(chǎng)形式進(jìn)入被干擾對象的通路。干擾信號可以通過(guò)直接傳導方式引入線(xiàn)路、設備或系統。
就車(chē)載微機系統而言，電力線(xiàn)與信號線(xiàn)、強信號線(xiàn)與弱信號線(xiàn)之間的于擾主要就是通過(guò)電場(chǎng)耦合形式傳播；電源變換器、衛通天線(xiàn)的驅動(dòng)電機等設備產(chǎn)生的電磁
干擾主要就是通過(guò)低頻磁場(chǎng)耦合的形式傳播；系統若接地不完善，或接地電阻過(guò)大，不同回路的電路就會(huì )通過(guò)公共接地電阻形成相互間的干擾。衛通、超短波、遙測等無(wú)線(xiàn)設備發(fā)送的射頻信號通過(guò)天線(xiàn)在空間的電磁耦合屬于天線(xiàn)對天線(xiàn)耦合，頻率源、變頻器、混頻器等器件通過(guò)屏蔽體、按鍵和顯示表頭的縫隙以電磁輻射的形式對信號線(xiàn)的干擾屬于場(chǎng)對線(xiàn)耦合，而兩根平行導線(xiàn)之間的高頻信號感屬于線(xiàn)對線(xiàn)耦合。

為了解決微機設備在裝備車(chē)輛上應用和推廣中的電磁干擾問(wèn)題，根據以上的分析，我們主要采取以下措施進(jìn)行電磁干擾的防護。
3．1電源濾波

微機設備系統中均采用體積小，效率高的開(kāi)關(guān)電源，而開(kāi)關(guān)電源的整流諧波、開(kāi)關(guān)頻率及其諧波，以及在開(kāi)關(guān)轉換中所固有的高速電流和電壓瞬變將對電子系統
造成嚴重干擾，其干擾頻率在30kHz～30MHz。因此必須在電源變換的輸入端和輸出端加電源濾波器，并且濾波器的輸入端和輸出端引線(xiàn)還要求隔離，防止通過(guò)輻射耦合影響濾波器對干擾信號的抑制能力。輸入端加電源濾波器的目的主要是抑制電源AC端輸入的高頻干擾信號對本系統的干擾，輸出端加電源濾波器的目的主要是防止本系統產(chǎn)生的電磁干擾通過(guò)公共的電源通道傳導到其它電子系統中。并采用數字信號線(xiàn)濾波器消除信號線(xiàn)中的高頻電磁干擾，主要方法是采用高頻吸收電容器或EMI吸收環(huán)。具體作法是在數字信號線(xiàn)的輸入端接上高頻吸收電容，用于吸收從數字信號輸入端傳入的電磁干擾，也可以在數字信號線(xiàn)的屏蔽層上套一圈EMI吸收磁●
環(huán)?！?BR>良好的濾波電路，置于前級可使大多數因傳導而進(jìn)入系統的干擾噪聲消除在電路系統的入口處。電源濾波器需要消除的干擾有差模干擾和共模干擾，差模干擾是
由汽車(chē)電子系統中產(chǎn)生的諧波和各種尖峰脈沖du／dt及dildt引起的，而共模干擾則是空間電磁波輻射到車(chē)架上引起的，由于電源負極與車(chē)架相連，而車(chē)架與地絕緣，其電源系統是浮地系統，地線(xiàn)容易受到共模干擾。
整個(gè)系統采用分立式供電方式。不是統一變壓整流、濾波后供各部分使用，而是變壓后直接送各部分整流、濾波、穩壓，這樣就減少了集中供電的危險性，又提
高了電源的質(zhì)量，增大了散熱面積。此外，把主機與外設分為一類(lèi)供電方式；把空調、照明等分為另一類(lèi)供電方式，避免輔助設備工作時(shí)．通過(guò)電源供電對信號設備產(chǎn)生干擾。
3．2硬件看門(mén)狗電路防止干擾。
采用單穩態(tài)觸發(fā)器NE555作為微機看門(mén)狗電路；當系統工作正常時(shí)，看門(mén)狗電路不起作用，當系統運行不正常時(shí)，80C51的P1．1引腳不能給定時(shí)器送去觸發(fā)脈沖，這時(shí)NE555中單穩態(tài)觸發(fā)器就輸出脈寬大于4US負脈沖，經(jīng)F6反相后加至80C51的復位端，使系統可靠的復位，這樣可防止因外界干擾引起的程序跑飛，使微機程序正常運行，見(jiàn)圖1。

3．3軟件防護
雖然在硬件方面采取了一些抗電磁干擾措施，但是對于裝備車(chē)輛上的微機系統來(lái)說(shuō)還不能滿(mǎn)足要求，需要從軟件入手，從微機內部預先設計好一些防電磁干擾的
程序。
微機設備的軟件抗干擾主要是穩定內存數據和保證程序指針。微機是一個(gè)可編程控制裝置，軟件可以支持和加強硬件的抗干擾能力。微機系統中隨機內存RAM
主要用于數據的暫時(shí)存放，空間較小，對存放的數據而言，若將采集到的幾組數據求平均值作為采樣結果，可避免在采集時(shí)因干擾而破壞了數據的真實(shí)性；如果存放在隨機內存中的數據因干擾而丟失或者數據發(fā)生變化，可以在隨機內存區設置檢驗標志；為了減少干擾對隨機內存區的破壞，可在隨機存儲器芯片的寫(xiě)信號線(xiàn)上加觸發(fā)裝置，只有在CPU寫(xiě)數據時(shí)才發(fā)。．
當干擾竄入微機系統使程序跑飛失控后，失控的程序可能會(huì )落在工作程序的ROM區內任意地址上，這時(shí)可采用指令冗余的方法來(lái)使程序走向正軌，其原理是，
在數據的存儲、變換、加工和傳送過(guò)程中，采用特定的數據編碼對測量數據信息進(jìn)行校驗，從而發(fā)現其中的錯誤。在程序執行過(guò)程中，一旦發(fā)現錯誤，就重新執行被破壞的現行指令。此外程序計數器還要退回一步，以便再次執行該指令如果故障是瞬時(shí)性的，在指令重復執行期間錯誤可能不再出現，程序繼續向前運行；如果在此指令重復執行期間不能解除故障，超過(guò)規定次數或時(shí)間則需經(jīng)人工干預消除故障。
當跑飛的失控程序落到非工作程序的ROM區時(shí)，應采用軟件陷阱的方法使程序進(jìn)入正軌。在程序的適當地方加一些陷阱語(yǔ)句和陷阱出口語(yǔ)句，這些語(yǔ)句不影響
程序的正常運行。在計算機、單片機受到強電磁干擾時(shí)，程序可能死鎖。當程序運行一旦落入預設的陷阱中，因陷阱出口是設計者預先設定的，因此程序也就進(jìn)入了可控階段，如果陷阱出口即系統程序自恢復的入口，則系統程序就可以重新自動(dòng)恢復正常運行。
當程序失控后，失控的程序往往會(huì )進(jìn)行非法寫(xiě)操作，使有用的信息丟失。如何恢復系統的重要信息．重新進(jìn)入正常的工作狀態(tài)，是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。由抗干
擾措施引起的復位操作應采用“熱啟動(dòng)”，為使熱啟動(dòng)順利，首先要關(guān)中斷，將所有I／O設備設置為安全狀態(tài)，封鎖I／O操作，以免造成更嚴重后果，然后再進(jìn)行信息的恢復和狀態(tài)的重入工作。為保證系統實(shí)現無(wú)擾動(dòng)地重入正常運行狀態(tài)，必須保證重要數據的正確性，即要防止失控程序對RAM的非法寫(xiě)操作，這時(shí)需要給 RAM增加鎖定信號，實(shí)現鎖定保護，從而保證了數據恢復的可靠性。
4．結束語(yǔ)
采取以上措施開(kāi)發(fā)的車(chē)載微機系統能夠在裝備車(chē)輛上極為惡劣的電磁環(huán)境下正常工作。