單片機設計中如何處理電磁兼容問題

對于新手來說，在單片機的電路設計中，可能不太關注電磁干擾對設計本身輸入輸出的影響，但對于一個電子工程師來說，不言而喻的是，并不是這樣的。 不僅關系到單片機的控制能力和精度，還關系到行業內企業的競爭。 對于電磁干擾的設計，我們主要從硬件和軟件兩個方面進行處理。 下面從MCU的PCB設計到軟件處理對電磁兼容的處理進行介紹。

影響EMC的因素 

1、電壓

電源電壓越高，電壓幅值越大，發射量也越大。 電源電壓越低，影響靈敏度。

2、頻率

高頻產生更多發射，周期性信號產生更多發射。 在高頻單片機系統中，器件開關時會產生電流尖峰信號； 在模擬系統中，當負載電流變化時會產生電流尖峰。

3、接地

在所有的EMC問題中，最主要的問題是由接地不當引起的。

信號接地方式有以下三種：

1、單點、多點、混合。 當頻率低于1MHz時，可采用單點接地方式，但不適合高頻；

2、高頻應用時，建議多點接地；

3、混合接地是低頻單點接地、高頻多點接地的方式。 地線布置是關鍵。 高頻數字電路和低電平模擬電路的接地電路不能混用。

4、PCB設計正確的 PCB 布線對于防止 EMI 至關重要。

5、 電源耦合

當設備開關時，電源線上會產生瞬態電流，必須對這些瞬態電流進行衰減和濾波。

來自高di/dt源的瞬態電流導致地和走線的“發射”電壓，高di/dt產生大范圍的高頻電流來刺激元件和電纜的輻射。

導線中流過的電流變化和電感會導致電壓降，可以通過減小電感或電流隨時間的變化來減小電壓降。

干擾措施的硬件處理方法

1、印刷電路板（PCB）電磁兼容設計

PCB是單片機系統中電路元件和器件的支撐部分，提供電路元件和器件之間的電氣連接。 隨著電子技術的飛速發展，PCB的密度越來越高。

PCB設計的質量對單片機系統的電磁兼容性影響很大。 實踐證明，即使電路原理圖設計正確，印刷電路板設計不當，也會對單片機系統的可靠性造成不利影響。

例如，如果印刷電路板的兩條細平行線靠得很近，就會形成信號波形的延遲，并在傳輸線的末端形成反射噪聲。因此，在設計印制電路板時，應注意采用正確的方法，遵循PCB設計的一般原則，滿足抗干擾設計要求。 為了獲得電子電路的良好性能，元件和導線的布局非常重要。

2、輸入輸出EMC設計

在單片機系統中，輸入/輸出也是干擾源的傳輸線，也是接收射頻干擾信號的拾取源。 一般來說，我們在設計時應采取有效的措施：

① 采用必要的共模/差模抑制電路，并采取一定的濾波和抗電磁屏蔽措施，以減少干擾的前進。

② 在條件允許的情況下，應盡可能采取各種隔離措施（如光電隔離或磁電隔離），阻斷干擾的傳播。

3、單片機復位電路設計

在單片機系統中，看門狗系統對整個單片機的運行起著特別重要的作用。 由于所有的干擾源都無法被隔離或去除，一旦CPU干擾了程序的正常運行，復位系統結合軟件處理措施將成為有效的糾錯防御屏障。

有兩種常見的重置系統：

① 外部復位系統。 外部“看門狗”電路可以用專門的“看門狗”芯片來設計或構建。

然而，它們有各自的優點和缺點。 大多數專用“看門狗”芯片不能響應低頻“喂狗”信號，而高頻“喂狗”信號可以響應，這樣就可以在低頻“喂狗”信號下產生復位動作，而不是產生復位動作。 在高頻“喂狗”信號下復位動作。 這樣，如果程序系統陷入死循環，而循環中恰好出現“喂狗”信號，那么復位電路就無法實現其應有的功能。

然而，我們可以設計一個由帶通“喂狗”電路和其他復位電路組成的系統，這是一個非常有效的外部監控系統。

② 現在越來越多的單片機都有自己的片上復位系統，這樣用戶就可以方便地使用其內部的復位定時器。 但有一些型號的單片機其復位指令過于簡單，因此也會出現像上述死循環這樣的“喂狗”指令，使其失去監控作用。

有些單片機芯片的復位指令做得更好。 一般他們把“喂狗”信號做成固定格式的多條指令依次執行。 如果出現一定誤差，“喂狗”操作無效，大大提高了復位電路的可靠性。

4、振蕩器

大多數單片機都有一個與外部晶體或陶瓷諧振器耦合的振蕩器電路。 PCB板上要求外接的電容、晶體或陶瓷諧振器的引線盡可能短。

RC 振蕩器對干擾信號可能很敏感，從而產生非常短的時鐘周期。 因此，建議使用晶體或陶瓷諧振器。 另外，石英晶體的外殼應接地。

5、防雷措施

對于室外使用的單片機系統或從室外引入的電源線、信號線，應考慮系統的防雷保護。 常見的防雷器件有：氣體放電管、TVS（瞬態電壓抑制）等。

當電源電壓大于一定值時，通常為幾十、幾百伏。 氣體分解并放電，導致電線上的強烈沖擊脈沖到達地面。TVS可以看作是兩個并聯且方向相反的齊納二極管。 當兩端電壓高于一定值時，TVS就會導通。 其特點是可以瞬時通過數百甚至數千安培的電流。

干擾措施的軟件處理方法

電磁干擾源產生的干擾信號在某些特定情況下（例如在某些惡劣的電磁環境下）無法完全消除，并且會進入CPU處理的核心單元。 這樣，一些大規模集成電路常常受到干擾，導致不能正常工作或處于錯誤狀態。

特別是RAM等采用雙穩態進行存儲的器件，在強干擾下容易發生翻轉，使原來的“0”變成“1”，或者“1”變成“0”； 有些串行傳輸的時序和數據會因干擾而改變； 更嚴重的是，一些重要的數據參數會被破壞； 后果往往是非常嚴重的。

在這種情況下，軟件設計的好壞直接影響到整個系統的抗干擾能力。

1、由于電磁干擾，程序大致會滿足以下條件：

① 程序運行。

這是一種很常見的干擾結果。 一般來說，一個好的復位系統或者軟件幀測系統就足夠了，不會對整個操作系統產生太大的影響。

② 程序代碼循環或異常運行。

當然，這種死循環和異常的程序代碼并不是設計者故意編寫的。 我們知道程序指令是由字節組成的，有的是單字節指令，有的是多字節指令。 當干擾發生時，PC指針發生變化，從而使原來的程序代碼被重新組織，產生不可預測的可執行程序代碼。

那么，這個錯誤是致命的。 它可能會修改重要的數據參數，并可能產生一系列錯誤。