單片機系統(tǒng)中的EMC技術(shù)應(yīng)用

丁犇

摘 要

在單片機系統(tǒng)的生產(chǎn)過程中，EMC是一個非常重要的組成部分，其中EMC電磁兼容性主要由EMI以及EMS組成，分別是電磁干擾和電磁抗干擾。但是，EMC非常容易受到電磁干擾的侵害，進(jìn)而直接破壞單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定，因為，一定要對EMC問題引起重視。本文通過分析電磁干擾產(chǎn)生的原因，對單片機系統(tǒng)中的EMC技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，充分發(fā)揮了其在單片機系統(tǒng)中的作用。

【關(guān)鍵詞】單片機系統(tǒng) EMC技術(shù) 電磁干擾

在EMC電磁兼容性中，主要包含了電磁干擾和電磁抗干擾。在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的同時，單片機的應(yīng)用也變得越來越廣泛，單片機自身雖然具有較強的抗干擾能力，但是在以單片機為關(guān)鍵部分所形成的控制系統(tǒng)中，在應(yīng)用的過程中仍然會存在著一定的電磁干擾問題。為了避免外界對單片機系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，使單片機系統(tǒng)在穩(wěn)定可靠的環(huán)境下運行，一定要充分發(fā)揮EMC的作用。本文對單片機系統(tǒng)中EMC技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的分析，希望能夠防止單片機系統(tǒng)受到電磁干擾。

1 產(chǎn)生電磁干擾的具體原因

單片機系統(tǒng)在運行的過程中，經(jīng)常會受到一些強電設(shè)備的干擾，比如電機啟動以及繼電器吸合等，如果利用示波器，就能夠清除的看見電源電壓波形上面干擾。另外，因為某些特殊原因，有些情況下單片機系統(tǒng)中每個部分之間都要保持一定的距離，再加上數(shù)據(jù)線和控制線使用的都是比較長的導(dǎo)線，沒有采取相應(yīng)的保護(hù)措施，在這種情況下單片機系統(tǒng)會更加容易收到電磁干擾。通過研究得知，單片機系統(tǒng)中的電磁干擾大部分都是以輻射以及電源回路的形式侵入的，干擾的途徑主要包括以下幾方面：首先，對輸入途徑的干擾，它會導(dǎo)致模擬信號發(fā)生失真的情況，數(shù)字信號出現(xiàn)錯誤，如果單片機系統(tǒng)按照錯誤的信號進(jìn)行計算，那么得出的結(jié)果一定不會正確；其次，對輸出途徑的干擾，在對輸出途徑產(chǎn)生干擾時，它會和輸出的信號相加，致使輸出信號發(fā)生混亂，對正確的處理結(jié)果不能及時的反饋；最后，對單片系統(tǒng)內(nèi)部總線的干擾，它會直接打亂控制、數(shù)據(jù)總線以及地址上面的數(shù)字信號，使EMC出現(xiàn)錯誤，程序受到破壞，甚至出現(xiàn)死機的情況。

2 EMC技術(shù)的研究趨勢

通過上述對產(chǎn)生電磁干擾的具體原因以及干擾途徑的分析，可以得出EMC技術(shù)的研究趨勢主要包括以下幾方面：

2.1 單片機系統(tǒng)中硬件的屏蔽

單片機系統(tǒng)中的屏蔽主要用來切斷由感應(yīng)耦合、交變電磁場耦合以及景點耦合結(jié)合在一起形成的電磁噪聲傳播途徑，對它們進(jìn)行電磁屏蔽、磁場屏蔽以及靜電屏蔽。而屏蔽技術(shù)的主要研究趨勢是對金屬、復(fù)合材料以及各種材料進(jìn)行功能屏蔽，或者是對多層、單層以及各種結(jié)構(gòu)的屏蔽等。

2.2 單片機系統(tǒng)中硬件的隔離

單片機系統(tǒng)中的隔離最主要的作用就是切斷以傳導(dǎo)方式為主的電磁噪聲的傳播途徑，它的研究趨勢是利用直流繼電器、交流繼電器、光電隔離器以及隔離變壓器等實現(xiàn)電磁干擾和單片機系統(tǒng)的隔離。它最大的特點就是非常容易的隔離兩部分的地線系統(tǒng)，避免在單片機系統(tǒng)中出現(xiàn)耦合的現(xiàn)象。

2.3 單片機系統(tǒng)中硬件的濾波

對于單片機系統(tǒng)中的濾波來說，它主要是設(shè)置在頻域上，主要的作用是能夠切斷噪聲的傳播。它的研究趨勢是充分利用電熔電感等濾波器件，把沒有利用價值的部分的信號過濾掉，保存需要的信號。比如，在處理電源濾波器時，過濾掉一些高頻和低頻的電磁噪聲，只保存50Hz的電源頻率，從而實現(xiàn)單片機系統(tǒng)的良好運行。

2.4 單片機系統(tǒng)中硬件的接地

單片機系統(tǒng)中的接地，它是有效信號和電磁噪聲的提供途徑，它的研究趨勢是信號地、電源中線以及安全地的各種接線，是一種非常有效的接地方法。它在工作的過程中，主要會考慮到怎樣設(shè)計接地體、如何進(jìn)行數(shù)字地和模擬地的布置等。

2.5 單片機系統(tǒng)中軟件的編程

雖然上述的硬件抗干擾措施起到了一定的作用，為單片機系統(tǒng)的運行營造了一定安全穩(wěn)定的環(huán)境，但是并沒有在本質(zhì)上解決電磁干擾的問題，不能確保一點干擾都沒有，所以，要充分發(fā)揮軟件編程的作用。所謂的軟件抗干擾技術(shù)，就是單片機系統(tǒng)受到干擾之后，改變單片機系統(tǒng)內(nèi)部的程序，使單片機系統(tǒng)恢復(fù)到正常的運行狀態(tài)。比如，當(dāng)輸入信號受到干擾時，系統(tǒng)中制定的編程就能對其進(jìn)行篩選，保存下真實的信號。這種編程設(shè)計千變?nèi)f化，可以節(jié)省一定的硬件成本，而且操作起來也非常簡便。

3 單片機系統(tǒng)中EMC技術(shù)的應(yīng)用

3.1 EMC技術(shù)在單片機系統(tǒng)硬件中的應(yīng)用

3.1.1 接地方式

因為單片機系統(tǒng)的工作頻率比較低，基本上1MHz以下的干擾頻率就能對其產(chǎn)生影響，因此，可以使用一點獨立接地的方式，但是，一定要注意接地線的長度要比波長的 短。在一點接地方式中，主要包括串聯(lián)一點接地和并聯(lián)一點接地，串聯(lián)一點接地是為了避免電磁干擾，而且每個支路中間的地線應(yīng)該減小到最大限度，使線徑保持在足夠粗的狀態(tài)，尤其是電平比較低的，應(yīng)該將其設(shè)置在電源的旁邊。與串聯(lián)一點接地相比，并聯(lián)一點接地中各個支路上的電流互相都不會產(chǎn)生影響，更不會出現(xiàn)干擾的現(xiàn)象，從而保證了單片機系統(tǒng)的練好運行。

3.1.2 光電隔離

在單片機系統(tǒng)的運行過程中，將光電隔離器件安置在輸入和輸出的通道上，從而實現(xiàn)信息的傳遞，而且還能使單片機系統(tǒng)和開關(guān)、繼電器以及傳感器等各個機構(gòu)分離開來，和PLC相似，能夠?qū)⒋蟛糠滞饨鐜淼母蓴_阻擋在外面。另外，一些數(shù)字信號也可以利用光電耦合的方式進(jìn)行傳遞，而模擬信號可以利用線性光耦的方式進(jìn)行傳遞，從而保障單片機系統(tǒng)的運行質(zhì)量。

3.1.3 濾波

如果要想在單片機系統(tǒng)中進(jìn)行低頻信號的傳輸，可以適當(dāng)?shù)奶砑右恍㏑C低通濾波器，能夠在一定程度上減小外界對單片機系統(tǒng)的干擾。在單片機系統(tǒng)的運行過程中，對電源環(huán)境有比較高的要求，這時就可以利用電源濾波器，只需要保存50Hz的電源頻率，其他的高頻和低頻電磁噪聲都可以直接過濾掉。

3.1.4 屏蔽

在單片機系統(tǒng)中如果發(fā)生電磁干擾，屏蔽能夠發(fā)揮很好的作用，利用金屬殼把單片機系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分保護(hù)起來，之后將金屬外科或者是金屬閘直接接地，就能將電磁干擾導(dǎo)入到大地中，防止電磁干擾對單片機系統(tǒng)產(chǎn)生影響。另外，屏蔽外科的接地點要和系統(tǒng)信號中的接地點結(jié)合在一起，如果從被金屬屏蔽的單片機系統(tǒng)中接出一個信號線，就要使用屏蔽線，這時屏蔽層和外殼要保持在同一點進(jìn)行系統(tǒng)參考點的連接。需要注意的是，一些特殊的參考接地點的不同系統(tǒng)應(yīng)該分開屏蔽，不能放在同一個金屬屏蔽殼里。

3.2 EMC技術(shù)在單片機系統(tǒng)軟件中的應(yīng)用

3.2.1 數(shù)字濾波器

在單片機系統(tǒng)的運行過程中，可以將EMC技術(shù)應(yīng)用在單片機的軟件中，進(jìn)而更有效的對疊加在模擬信號中的噪聲進(jìn)行控制，并且獲得正確的信息。單片機系統(tǒng)中經(jīng)常使用的濾波方式有程序判斷濾波、中值濾波、算術(shù)平均濾波以及加權(quán)平均濾波等，這些濾波方式能夠很好的避免單片機系統(tǒng)受到外界的電磁干擾，從而更加安全可靠的運行。

3.2.2 軟件攔截

如果單片機系統(tǒng)受到電磁干擾，出現(xiàn)程序錯亂的現(xiàn)象，必須要及時采取有效措施將程序帶回到正常的道路中，其中經(jīng)常見到的抗干擾技術(shù)是軟件攔截技術(shù)，它會通過NOP指令的使用、未使用的中斷區(qū)陷阱以及程序區(qū)陷阱等來實現(xiàn)單片機系統(tǒng)的抗干擾，從而確保單片機系統(tǒng)的良好運行。

3.2.3 程序監(jiān)控

如果單片機系統(tǒng)受到電磁干擾，導(dǎo)致程序進(jìn)入一個死循環(huán)，這時不管是指令還是軟件攔截都不好用，單片機系統(tǒng)會徹底的癱瘓，處在無法運行的狀態(tài)。針對這種情況，在單片機系統(tǒng)的程序中應(yīng)該安裝一個監(jiān)控系統(tǒng)，對整個程序進(jìn)行監(jiān)控，其中主要要具有以下幾方面的特點：首先，該監(jiān)控系統(tǒng)能夠獨立工作，不會時刻依靠單片機系統(tǒng)中的MCU；其次，該監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該在規(guī)定的時間和MCU接觸一次，確保該系統(tǒng)運行正常；最后，如果MCU陷入了死循環(huán)，該系統(tǒng)能夠在第一時間發(fā)現(xiàn)，并且采取相應(yīng)的措施使其恢復(fù)到原本的運行狀態(tài)。

3.3 EMC技術(shù)在單片機系統(tǒng)中其他部分的應(yīng)用

EMC技術(shù)除了上述的應(yīng)用之外，在單片機系統(tǒng)中還有其他方面的應(yīng)用，其中主要包括以下幾方面：首先，單片機系統(tǒng)在運行的過程中，會用到長線進(jìn)行信號的傳輸，這時可以使用雙絞屏蔽線來作為傳輸線，從而對共模噪場和電磁場的干擾起到控制作用。但是，需要注意的是，一定要確定好傳輸線的阻抗匹配，防止出現(xiàn)反射現(xiàn)象，導(dǎo)致信號失真；其次，在進(jìn)行單片機系統(tǒng)的外圍電路設(shè)計時，一定要注意進(jìn)行電平匹配，比如TTL“1”電平是2.5到5伏，“0”電平是0到0.5伏。如果CMOS輸入“1”電平，那么就是4.89到5伏，如果輸入“0”電平，那么就是0到0.02伏。所以說，一旦CMOS接受TTL的輸出，那么就要在輸入端添加電平轉(zhuǎn)換器或者是上拉電阻，不然的話，CMOS中的器件就會保持在不確定的狀態(tài)；再次，在單片機擴展時，一定不能超過它自身的驅(qū)動能力，不然會導(dǎo)致整個系統(tǒng)工作處在不正常的狀態(tài)。如果必須要超負(fù)載運行，就要添加總線驅(qū)動器，比如74LS244以及74LS245等；最后，在CMOS電路中，如果有不使用的輸入端一定不要懸空放置，不然會導(dǎo)致電平出現(xiàn)不正常的現(xiàn)象，而且在外界電磁干擾的情況下還會出現(xiàn)錯誤的動作。因此，在進(jìn)行CMOS電路的設(shè)計時，可以按照實際的情況，將多出來的輸入端和正電源或者地面連接在一起，這樣就會避免出現(xiàn)上述的情況，還會確保單片機系統(tǒng)的良好運行。

4 結(jié)束語

綜上所述，EMC技術(shù)在單片機系統(tǒng)的運行過程中起著非常重要的作用，能夠避免外界產(chǎn)生的電磁干擾影響單片機系統(tǒng)的安全運行，因此，我們一定要對EMC技術(shù)引起重視，充分發(fā)揮其在單片機系統(tǒng)中的重要作用，實現(xiàn)單片機系統(tǒng)的良好運行。

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作者單位

佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東省佛山市 528137