多功能接口電路板設計及EMI仿真研究

候永愛，劉利銳

（1.內蒙古一機集團宏遠電器股份有限公司，內蒙古 包頭 014032；2.內蒙古第一機械集團股份有限公司科研所，內蒙古 包頭 014032）

0 引 言

本文設計的多功能接口電路板主要功能為管理控制旋轉變壓器、伺服系統、上位機及傳感器各接口，同時負責上位機下發指令并解碼，實現傳感器及伺服系統狀態的回送，對旋轉編碼器進行解算等。

1 多功能接口電路板設計需要關注的問題

1.1 疊層設計

對于本文研究的多功能接口電路板設計來說，疊層設計極為重要，直接影響多功能接口電路板的電磁兼容性。結合相關理論研究和實踐探索可以了解到，為保證多功能接口電路板的電磁兼容性，具體設計需遵循6個原則：（1）結合電磁兼容性、信號走線路徑等要求，評估電源、信號等層的數量；（2）將平面間的間距增大，以減少輻射的電磁波和耦合干擾，并降低電磁干擾；（3）減小地平面與電源平面間的距離，以增強二者的耦合性，這一過程需盡量靠近排布相鄰兩平面，電源平面的目標阻抗可基于二者耦合電容降低；（4）對于關鍵信號，如時鐘、高頻等，地平面需要與這類信號相鄰，這一過程需要保證屏蔽效果最優；（5）需設法保障信號完整性，并最終提升多功能接口電路板的電磁兼容性；（6）對于地平面為多功能接口電路板頂/底第二層的設計，需為頂/底層布線提供外部器件、內部走線以及參考平面的屏蔽，且信號層相鄰情況規避或針對性增大層間距也不容忽視[1]。

1.2 器件的劃分和布局

多功能接口電路板器件的劃分和布局直接影響其電磁兼容性，因此必須加強對器件劃分和布局的重視。其中，電磁干擾信號源位置和高速信號走線需得到重點關注，電磁干擾主要源于驅動電路、時鐘電路以及電源電路等。多功能接口電路板的LDO電源及DC/DC轉換器是噪聲的主要來源，記憶傳導和輻射，噪聲會傳給板上其他器件。這種問題會隨供電線路延長而惡化，因此應在電源入口處布置主電源和二次電源電路。時鐘電路的輻射也需要得到重點關注，輻射對敏感電力會帶來深遠影響，因此多功能接口電路板器件布局時需遠離高速信號、I/O電路放置時鐘電路，并靠近連接器布放模擬相關電路，如I/O電路等。此外，印制板內部需要針對性布置存儲器電路和高速電路[2]。

1.3 具體設計思路

本文針對性設計了一種多功能接口電路板，具體設計需保證復雜電磁環境下多功能接口電路板的電磁兼容性。因此，設計需要重點關注電磁輻射源頭，同時需要重視多功能接口電路板，重點應在信號、電源的完整性方面。另外，本文針對性選擇仿真軟件，分析設計的電磁輻射問題，高質量、高效性完成系統設計工作。

2 多功能接口電路板的系統組成

2.1 基本組成

多功能接口電路板的基本組成包括板級BIT模塊、軸角解算模塊和串口通信模塊，以此連接上位機、可見光攝像機、紅外攝像機、激光測距機、激磁電路、旋轉變壓器、伺服控制系統、LED/數碼管。系統與串口通信模塊、軸角解算模塊的接口分別為RS422接口（4路）、模擬信號接口，板級BIT模塊接口為數碼管和LED燈接口。

2.2 串口通信模塊

串口通信模塊在本文設計的多功能接口電路板中主要負責上位機發送控制指令的接收，控制指令在由串口通信模塊解析后即可分發給伺服控制系統、傳感器，系統自檢信息采集、伺服模式控制、傳感器的上電及通信控制均可由此完成。串口通信模塊需要同時接收伺服控制系統、傳感器的狀態信息，并將這類信息回送至上位機。串口通信模塊的各接口采用差分傳輸方式，應用RS422異步串口通信總線，信號抗干擾性較強。

2.3 軸角解算模塊

光電轉臺中的軸角解算系統屬于一種電磁感應式傳感器。軸角解算系統組成的雙速旋轉變壓器由轉子和定子構成。基于勵磁電壓作用，作為變壓器副邊的轉子繞組可通過電磁耦合輸出正余弦模擬電壓信號，包含角度位移信息。作為在機載、艦載和陸用平臺，旋轉變壓器應用較為廣泛。軸角解算模塊主要負責接收TTL電平兼容的并行二進制數字量、模擬電壓信號（旋轉變壓器輸出）等，光電轉臺角度解算可由此基于軸角解算模塊完成[3]。

2.4 板級BIT模塊

板級BIT模塊主要用于機內測試，可服務于系統內部提供隔離故障或檢測診斷的自動測試，由此提升診斷與測試性能，對于實現修復平均時間縮短、維護維修工作的更好開展具有積極意義，故障的迅速定位也能順利實現。板級BIT模塊對設備的穩定性、可靠性、可維護性帶來的影響較為深遠，設備的實際使用也會受到深遠影響。對于本文設計的多功能接口電路板來說，板級BIT模塊需開展故障現象定位及關鍵器件狀態監測，由此開展BIT功能的針對性設計，即可為快速定位故障、提升調試效率提供支持。模塊需要對故障類別進行細分，細分為接口故障和底層故障。底層故障可用LED指示燈顯示判斷供電電源部分穩定情況，MCU電路（硬件主架構芯片）可基于自檢燈顯示，自檢波形可用于CPLD部分的指示燈顯示。接口故障的實現需進行接口故障編碼，需充分利用MCU，以明確無故障出現、上位機發送與接收故障的接口故障編碼[4]。

3 多功能接口電路板的硬件設計

3.1 主控制器設計

在本文開展的多功能接口電路板設計中，采用STC89C58RD+型號的單片機作為主處理器。芯片內核為8051，內部存儲器為FlashE2prom，擁有32 kB的內部程序存儲空間。基于多功能接口電路板的設計需要，多功能接口電路板與通信接口模塊和CPLD的數據復用端口及地址采用單片機的P0口，P0口負責上位機數據指令接收，具體采用單片機C語言設計系統軟件。

3.2 CPLD電路設計

多功能接口電路板CPLD電路設計采用EPM7192SQI160（Altera公司），硬件描述語言VHDL在CPLD模塊中應用完成的主要功能可細分為3個部分，包括軸角采集電路接口擴展、與通信電路及MCU接口控制、數碼管掃描電路。具體設計需將兩路信號首先接入CPLD，基于采集信號（MCU發送），CPLD會對軸角數據開展周期性采集，具體存儲采用8位數據格式。撥碼開關狀態可由數碼管顯示，包括板級BIT接口故障代碼、俯仰軸角數據和方位軸角數據[5]。

3.3 通信電路設計

多功能接口電路板的通信電路設計采用ST16C554D（四通道異步收發器），以此擴展單片機的并行口，即可得到4個串口，同時需對各個串口進行字長、波特率和奇偶校驗配置。在實際的應用配置中，四路串口分別對應于伺服系統和三路傳感器。單片機P0口與四通道異步收發器的數據口連在一起，同時需要連接CPLD。對于屬于數據地址復用線的單片機P0口來說，四通道異步收發器地址線連接在CPLD上，CPLD上同時連接片選信號，單片機讀寫操作僅需要基于P0口開展，通過解碼不同地址，CPLD可對四通道異步收發器的片選線和地址線進行操作，順利完成數據選擇串口和芯片通道設置。對于采用MAX490芯片的接口芯片來說，需應用全雙工傳輸通信協議標準，并基于RS422標準傳輸進行配置。

4 多功能接口電路板的EMI仿真分析

4.1 仿真軟件設計流程

為實現多功能接口電路板的仿真分析，采用EMIStream工具進行研究，基于13條檢查規則（EMI問題），即可結合經驗理論規則及仿真結果優化完善多功能接口電路板設計。圍繞優化后的設計進一步開展EMI檢測和仿真分析，最終能獲得滿足電磁兼容規范的多功能接口電路板設計。

4.2 EMI仿真分析

在基于多功能接口電路板設計的EMI仿真分析過程中，需轉換PCB文件得到.dsn文件，轉換后的文件可由EMIStream識別，隨后需導入，同時設置多功能接口電路板的元件屬性和網絡屬性，即可開展多功能接口電路板的EMI仿真。EMI仿真結果直觀展示了SG模式的過孔、電磁輻射、參考平面改變、濾波器的仿真提示，EMI的嚴重點數判斷也在最后括號內有著直觀展示，由此開展的優化設計可基于仿真結果開展。打開仿真分析結果開展針對性分析可以發現，該網絡的頻率、輻射值分別為390 MHz、35.15 dB，35 dB為設置的最大值。網絡重新布線基于布線軟件開展，同時需要針對性開展NET回路設置，取消網路過孔、縮短布線，由此解決和優化輻射問題。

4.3 電源層和地層諧振仿真分析

需檢驗PCB有效性檢，驗證多功能接口電路板，仍采用EMIStream工具，開展多功能接口電路板地層和電源層進行諧振仿真，優選平面VCC對象、針對性設置參數、指定激發諧振位置、開展GND設定、選擇掃頻范圍屬于其中的關鍵。基于仿真得到的諧振仿真及頻率特性圖進行分析可以發現，預設的電壓等級最高值-10 dB在500 MHz和710 MHz時超過峰值，可見兩個頻段處存在最大的諧振/振幅。為解決多功能接口電路板的電源完整性諧振問題，需采用兩種方法，包括優化多功能接口電路板的布局布線及疊層設計、優選合適的去耦電容。對于400 MHz以下工作速率的多功能接口電路板，去耦電容的合理選用可較好實現電源完整性問題處理，但去耦電容作用會隨系統速率提高而減少，此時電源完整性問題的處理需優化多功能接口電路板的布局布線及疊層設計。本文開展的多功能接口電路板設計采用改變疊層間距的方式處理電源完整性諧振問題，在改變疊層厚度、減小Plane銅厚后開展仿真，可確定超過-10 dB的電壓等級不存在于優化厚度的諧振仿真及頻率特性圖上，優化的有效性得到證明。

5 結 論

多功能接口電路板設計及EMI仿真研究具備較高的現實意義。為更好地設計多功能接口電路板，必須重視電源完整性設計、信號布線與回流、器件劃分和布局以及疊層設計催生的一系列問題。