嵌入式系统中电磁兼容问题的研究Word格式文档下载.docx
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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
22—360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.
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
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—
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1OMHz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
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『4]李伯成单片机及嵌入式系统清华大学出版社2005.02
289—303
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,研究方向:
电子技术及应用)
Biography:
LiuAiqin,borninSeptember,1961,female,citizen
ofAnyang,Henan,DepartmentofComputerScience&
amp;
InfoEn—
gineeringinAnyangInstituteofTechnology,associateprofessor,
Researchfield:
ComputerControlandApplication.SupingSong
borninDecember,1958,female,citizenoftieBi,Henan,HeBi
collegeofvocationandtechnologyElectronicInformationEn.
girneering,seniorlecturer,Researchfield:
.Electronictechnology
andapplications.
(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
(AnYangInstituteofTechnologyDepartmentofComputer
Science&
InfoEngineering.HenanProvinceAnYangCity
4550o01LiuAiQin
(HeBicollegeofvocationandtechnologyElectronicInfor-
marionEngirneeringHenanProvinceHeBiCity4580301
SongSuPing
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"
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.
【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:
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工业出版社.1993
房玉明(1981一),男族),山东肥城人,青岛科技大学
在读硕士研究生.主要从事控制理论与控制工程领域的研究;
杭
柏林(1959一),男(汉族),内蒙古通辽人,青岛科技大学教授,青岛
高校软控有限公司研究员,1995年赴日本研修,主要从事机电
体化研究.
Fangyuming(1981一),male(theHannationality),in
Feicheng,Shandongprovince,beagraduatestudentinQingdgo
UniversityofScienceandTechnology.Major:
Controltheoryand
controlproject;
Hangbailin(1959-),male(theHannationality),in
Tongliao,Neimengguprovince,beaprofessorinQingdaoUni—
versityofScienceandTechnologyandresearcherinQingdno
MesnacCo.,Lid.,wenttoJapantodevelopin1995.Major:
mechanotronies.
(266o61山东青岛青岛科技大学)房玉明杭柏林
(266061山东青岛青岛科技大学东部校区704#)
房玉明
2007.4.23)(修稿日期:
2007.5.25)
24—360元/年邮局订阅号:
- 配套讲稿:
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- 嵌入式 系统 电磁 兼容问题 研究