嵌入式系统中电磁兼容问题的研究

1、嵌入式系统中电磁兼容问题的研究嵌入式系统应用中文核心期刊微计算机信息(嵌入式与soc)2007年第23卷第6.2期文章编号:1008-0570(2007)062-0022-03嵌入式系统中电磁兼容问题的研究researchonelectromagneticcompatibilityproblemsintheembeddedsystem(1.安阳工学院;2.鹤壁职业技术学院)刘爱琴宋素萍liuai-qinsongsuping摘要:嵌入式系统往往工作频率高,环境恶劣,含有功率器件,电磁兼容问题的处理尤其重要.在分析嵌入式系统电磁兼容问题的基础上,针对系统突出的电磁干扰环节,如电源设计,接地处理,印

2、刷线路板设计,提出了较为详细的解决办法.关键词:嵌入式系统;电磁兼容;供电;接地;线路板中图分类号:tq330文献标识码:babstract:embeddedsystemusuallyhashighworkfrequencyinthefoulenvironment,containsthepowerpartsofanapparatus,sothedisposalofelectromagneticcompatibilityproblemsareveryimportant.onthebaseofanalysisofelectromagneticcompatibilityproblems,thisar

3、ticlebringsforwardthedetailedsolution,aimingtotheprominenttachesofelectromagneticantijamminginthesystem,suchasthedesignofpowersupply,disposalofgrounding,thedesignofprintedcircuit.keywords:embeddedsystem;electromagneticcompatibility;powersupply;grounding;printedcircuit1引言电磁兼容就是要求系统抗干扰能力要强,不易受到外界环境的干扰

4、.系统本身不应成为一个噪声源.产生对其它仪器,设备的电磁干扰.即设备或系统在电磁环境中能正常工作.且不对该环境中的任何事物构成不能接受的电磁骚扰的能力.解决电磁兼容问题重要的是抑制电磁干扰的过程.要求嵌入式系统,不仅要精度高,可靠,成本低,还要不干扰其他电器设备.2嵌入式系统电磁兼容问题在嵌入式系统中.由于系统时钟频率越来越高,电磁兼容的问题也越来越突出.印刷线路板上信号的高频成分可以通过元器件的引脚以及印刷线路板到驱动部件的引线发射出去.如同无线电天线将高频信号以空间电波的形式发送出去.成为干扰其他电器设备的噪声源,信号在线路板上传送对系统本身也会造成干扰.另外系统电源和外部的电磁辐射同样会

5、对系统产生电磁干扰.3电磁兼容问题的解决方法1.结构设计由于嵌入式系统工作环境恶劣,干扰大,结构设计考虑抗干扰十分重要.微型机本身要采用浮地,用金属外壳屏蔽,并放在机箱内.大功率器件不要与微型机放在一个机箱中.发热元件,振动大的部件要单独放在机柜中.系统的电网电源要单独走线,不要靠近微机系统的信号线,强信号线与弱信号线要分开,一般主机放在控制室中,把终端,伺服机构,测试部件或前端机安装在现场2.供电系统的抗干扰设计交流稳压器:交流稳压器可保证供电的稳定性.在变压器设计时,初次级间加静电屏蔽,并将屏蔽层接地.为减少电源变压器的泄露磁通.可采用并联平衡绕制法,泄露小的铁芯,在变压刘爱琴:副教授器铁

6、芯上加短路环,改变变压器安装位置等方法.也可选用防雷电变压器.对电源的瞬间变化可考虑采用电源净化技术.如磁饱和稳压技术,抽头开关技术,正弦能量分配技术等等.供电部分框图隔离变压器:高频噪声通过变压器主要是靠初,次级间寄生电容耦合,应采用隔离变压器以提高抗共模干扰的能力.电源滤波器:电源系统的干扰大部分是高次谐波.采用电源滤波器可抑制共模及串模干扰,也可滤去高次谐波.直流稳压电源:在直流稳压电源中可加大滤波电容,串接电源滤波器滤除直流电源中的噪声干扰.并采用分散独立功能模块供电.每个模块单独对电压过载进行保护,大大提高了供电的可靠性.3.系统常用抗干扰器件去耦电容:由于嵌入式系统时钟电路采用方波

7、而不是正弦波.方波比正弦波有更高的高次谐波成分.因此时钟震荡会对系统造成很大的电磁干扰.在高频时,对于电容.它的寄生电感不能忽视,对于电感,它的分布电容会起作用,对于电阻,存在对高频信号的反射.对印刷板上的引线来说.其分布电感不可忽视,而且长的引线还表现出天线特征,将高频噪声信号发射出去.另外系统中的门电路频繁导通与截止也会有较大的高频电磁干扰.去除这些高频噪声和干扰的办法是.设计线路板时,在每个集成电路的电源,地之间都要接一个去耦电容.磁性元件:磁性元件指以高频特性好的铁氧体材料制造的元件,实际上是一个电阻为0的电感,对直流信号电阻为0,对高频噪声有很好的阻断作用.若接在给嵌入式系统供电的电

8、源和系统的电源线之间,用于去除电源线上的噪声.这个磁性元件把来自电源的高频噪声当在系统之外,也能防止系统产生的高频噪声通过电源线馈送到市电电源瞬变干扰吸收器件:瞬变干扰吸收器件主要有气体放电管,一22360元,年邮局订阅号:82-946嵌入式系统应用金属氧化物压敏电阻,瞬变二极管等.气体放电管对高电压脉冲有抑制作用.高电压可以使气体放电管中的气体电离,从而导电,将高压脉冲短路掉.金属氧化物压敏电阻的特性类似齐纳二极管.当瞬间出现强干扰脉冲时,压敏电阻瞬间短路.瞬变电压吸收二极管.有极快的响应速度,在微秒级强干扰脉冲下,瞬态吸收功率可达千瓦级.对于极快速的高压上升沿可瞬间短路.可用来防强电磁干扰

9、.自恢复保险丝:自恢复保险丝是一种特殊材料制成的.遇到嵌人式系统瞬间短路时,其温度迅速上升使电阻变成无穷大,实现类似保险丝的短路功能,当温度降下来后自动恢复.4.接地技术弱信号地:把系统中的小信号回路,控制回路,逻辑电路以及他们的直流电源等连在一起接地.功率地:把系统中的继电器,电磁阀以及他们的驱动电源等连接在一起构成功率地.机壳地:系统中所有机架,箱体等金属构件接大地.即安全地.双绞线或同轴电缆的接地:在嵌人式单片机系统中.被测对象往往与主机相距较远,一般采用屏蔽双绞线或同轴电缆,均用一端接地的方法,可消除了磁耦合,起到了屏蔽作用.这种方法对外界的干扰抑制作用较小.为减少对外界的影响,高频时

10、使用屏蔽层两端接地效果较好,而低频效果欠佳.若采用屏蔽层一端接地另一端与电阻连接的方法无论高低频都有良好的效果.数字地和模拟地的连接:接地的原则就是将数字地和模拟地一点接地.模拟地接在一起,数字地接在一起.而将两者以粗短的导线连接在一起.两者的信号线远离并加大电源的滤波.系统的接地:由于嵌人式系统工作环境比较恶劣.为了减少干扰,通常使微型机工作在浮地状态.5.抑制反电势干扰技术在嵌人式系统中,常会使用继电器,电动机,电磁阀等具有较大电感量的元件或设备,当电感回路的电流被切断时.会产生很大的反电势而形成噪声干扰.可采取以下措施:如果通过电感线圈的是直流,可在线圈两端并连二极管和稳压管,抑制反电势

11、的干扰.把二极管换为电阻,同样可达到抑制反电势的目的.反电势抑制电路也可由电阻和电容构成,这种方法对交流驱动的线圈和直流驱动的线圈都适用.反电势电路不但可以接在线圈的两端,也可以接在开关的两端.6.单片机自身抗干扰对于由单片机构成的嵌人式系统.单片机本身的抗干扰方法如下:降低外时钟频率:应选择质量高的,合格的石英晶体.选择电容时要考虑系统的分布电容且质量要好.应尽量选择满足应用要求的最低频率的时钟.以减少高频干扰对外发射.时钟监控电路:高可靠性的单片机片内有时钟监控电路.在外部遇到强干扰时,外部晶振有可能停振.可以使用强制产生单片机复位的方法使cpu复位,也可以改用单片机内部震荡器工作.通过写

12、单片机内部相应寄存器打开时钟监控电路.并且关掉使用内自时钟方式.在出现外部时钟停振时直接产生cpu复位信号.重新启动单片机系统.也可以通过写相应寄存器允许在出现外部时钟失效时使用片内自时钟方式.进人自时钟方式后,片内的时钟产生器模块会对外部时钟质量进行检测,当外部时钟恢复后自动转人正常外部时钟方式.看门狗电路:单片机的看门狗电路要求用户程序定期对时间递减计数器刷新.应用程序中使用单片机的实时中断,在实时中断服务子程序中定时刷新计数器.在出现干扰时,会发生超时,看门狗内的计数器在规定的时间内得不到刷新,计数器减到0,就会产生cpu复位信号重新启动单片机,或产生看门狗非屏蔽中断,由相应的中断服务子

13、程序恢复cpu的正常工作.电源电压监控:对于稳定电压供电的嵌人式系统,可以考虑使用低电压复位电路.非法指令中断和剩余程序区处理:可以将程序没有用的空间填上非法指令代码.在非法指令中断服务子程序中校验ram中数据的合法性,并错误处理.7.隔离技术物理隔离:物理隔离是指对小信号低电平的隔离.其信号线应尽量远离高电平大功率的导线,以减少噪声和电磁场的干扰.为了物理隔离,即在同一设备内部,也应把这两类信号线分开走线.远距离走线时,应把信号电缆和功率电缆分开,并保持一定的距离.必要时,还可用钢管把他们分别套起来,以增加屏蔽效果.光电隔离:光电隔离是通过光电耦合器将两个电路割断.起到抗干扰的作用.在a/d

14、转换器到单片机之间接有光电耦合器.使输人信号与单片机之间只有光,没有磁的联系,具有电磁隔离性能,能十分有效地抑制电磁噪声干扰.光电耦合器不仅要选用性能好的器件,在设计印制板时,使用多层印制板,光电耦合器正下方不能有任何信号线,电源线及地线,信号线应远离光电耦合器.8.印刷线路板抗干扰设计嵌人式系统中,元器件的上升下降时间越快,引人系统的噪声问题就越严重.噪声的高频成分就越多.在高频系统中印刷线路板上的引线,电阻,分布电容与电感等不可忽视.电阻产生对高频信号的反射.引线的分布电感会起作用,当长度大于噪声频率相应波长的1/20时,能产生像天线一样将噪声发射出去的天线效应.因此合理设计印刷线路板是有

15、效控制噪声的有效措施.设计印刷线路板方法如下:f11元器件及引线布置各元件间引线要尽量短.在布局上,要合理分区,要把模拟信号部分,高速数字电路部分,噪声源部分这三部分分开.使相互间的信号耦合减到最小.为了减少串扰,在布线时,要尽量避免线与线长距离平行走线,尽可能加大线与线之间的距离.对干扰特别敏感的信号引线,可在其两边设置地线以屏蔽干扰.f21印刷线路板接地线的处理为了满足系统的抗干扰能力电磁兼容的要求,最好使用多层印刷线路板.对于双面板,在印刷板布线上,通常采用单点接电源,单点接地法.模拟地,数字地,大功率地布线时分开,而最后汇集到一点.四层线路板是在双层板元件面和焊接面之间增加了电源层和地

16、层.使双面板上原来只能用粗线布线的电源与地线变成一个大面积地层和电源层.在多层板情况下,对吞吐电流特别大的器件.它的电源端和地端往往不直接接电源层和地层,而在该元件的附近放一个放电电容,电容的引脚接电源层和地层,而该元件的电源,地则用粗线与电容相连.为扼制大功率对微型机部分数字电路的干扰以及数字电路对模拟电路的干扰.两类不同的地在接向公共接地点时可用高频扼流环.与印罔邮局订82_946360.,l/#-一23嵌入式系统应用中文核心期刊微计算机信息(嵌入式与soc)2007年第23卷第6.2期刷线路板以外的信号相连时,通常采用屏蔽电缆.对于高频信号和数字信号,屏蔽电缆的两端都接地,低频模拟信号用

17、的屏蔽电缆一端接地为好.微型机系统连接驱动大电流设备的电缆必须屏蔽好,不能露出来,屏蔽要接地.对噪声和干扰非常敏感的电路或高频噪声特别严重的电路,应该用金属罩屏蔽起来.对于印刷线路板上的敏感模拟信号输入端引线.可用局部加屏蔽地的办法予以保护.办法是在引线的反面加屏蔽地,在有引线的一面引线左右两侧布以地线,并且让该信号线与离得最近的其他信号线之间的距离大于该信号线到地层距离的2倍至3倍.就可以防止信号的交叉干扰.f31多层板设计使用多层板印刷线路板设计可以提高嵌入式系统的抗电磁干扰能力,一般层数多的线路板要比层数少的好.双面板对于总线频率小于1omhz的系统可满足要求.对于外部总线时钟频率1om

18、hz以上的系统使用4层或6层板较好.可设置电源层,多个地层和多个信号层.设置大面积的地可以减少信号线的阻抗,减少接地电阻.多个地层可将大电流地,信号地,屏蔽地分开多个信号层能将不同类型的信号分开.如4层板的各层安排为:信号层1,地层,电源层,信号层2.而6层板可有多种分配如:信号层1,地层1,信号层2,电源层,地层2,信号层3等.f4)印刷线路板设计中控制噪声经验在实际设计印刷线路板时应注意:使用450折线不要用900折线布线以减少高频信号对外的发射;没有用的输入端不要悬空;a/d类器件,数字部分与模拟部分不要交叉;时钟,总线,片选信号要远离i/o线和接插件;时钟线垂直于i/o线比平行于i/o

19、线干扰小时钟元件引脚要尽量短;关键的线要尽量粗;元件引脚要尽量短;石英晶振下面对噪声特别敏感的器件下面不要走线:对噪声敏感线不要与大电流,高速开关线平行;弱信号电路,低频电路周围地线不要形成环路;高速线要短而直;尽量不用ic插座等;能用低速芯片就不用高速的,高速器件只用在关键地方;可用串一个电阻的办法,降低控制电路沿上下跳变速率:对进入线路板的信号和从高噪声来的信号要加滤波;i/0驱动电路尽量靠近印制板边.4结束语各国对电器产品对环境造成的电磁干扰都有了规定,产品要进入市场,必须满足电磁兼容性测试要求,嵌入式系统也应如此.文中的电磁干扰的控制方法对嵌入式系统非常实用,由经验总结,较为具体的提出

20、了对电磁干扰的解决方法,特别是线路版的设计与印制,对工程设计,自动化仪表和测控系统设计,会有较大帮助参考文献【1王克强等machzehndr干涉仪测量磁场对比研究j微计算机信息2006.6193194【2邓重一基于th102芯片的电源电路上海2006.011617【3留文彦等电磁屏蔽抗干扰的探讨北京2003.032242264李伯成单片机及嵌入式系统清华大学出版社2005.02289303作者简介:刘爱琴(1961.9),女f河南安阳人),安阳工学院计算机科学与信息工程系,副教授研究方向:计算机控制及应用);宋素萍(1958.12),女f河南鹤壁人),鹤壁职业技术学院电子信息工程系,副教授,研

21、究方向:电子技术及应用)biography:liuaiqin,borninseptember,1961,female,citizenofanyang,henan,departmentofcomputerscience&infoengineeringinanyanginstituteoftechnology,associateprofessor,researchfield:computercontrolandapplication.supingsongbornindecember,1958,female,citizenoftiebi,henan,hebicollegeofvocation

22、andtechnologyelectronicinformationen.girneering,seniorlecturer,researchfield:.electronictechnologyandapplications.(455ooo河南安阳安阳工学院计算机科学与信息工程系)刘爱琴(458030河南鹤壁鹤壁职业技术学院电子信息工程系1宋素萍(anyanginstituteoftechnologydepartmentofcomputerscience&infoengineering.henanprovinceanyangcity4550o01liuaiqin(hebicolleg

23、eofvocationandtechnologyelectronicinfor-marionengirneeringhenanprovincehebicity4580301songsuping通讯地址:(455000河南安阳安阳工学院计算机科学与信息工程系1刘爱琴(收稿日期:2007.2.23)(修稿日期:2007.3.25)(上接第l6页)2)传统的零电流信号通过电流实际值信号与一个基准值比较获得,灵敏度低,无环流死时长达5ms.而本文采用光电零电流检测装置这一方案,光耦具有反应快,灵敏度高等特点,使得无环流死时减小到lms左右.3)将测量晶闸管管压降同传统的单相交交变频器触发顺序相结合,巧妙地解决了触发脉冲选相定管的问题,实现了数字触发器.参考文献【1】马立华,一种低成本小功率变频器的设计【j】微计算机信息,2006,03s:166.