嵌入式系統(tǒng)的EMC綜述new

1、嵌入式系統(tǒng)的EMC綜述0 引言 嵌入式控制系統(tǒng)在整個(gè)系統(tǒng)中常處于界面和指揮中心的位置，它若不能可靠運(yùn)行，不僅使操作人員無所適從，而且從功能上將使系統(tǒng)處于癱瘓的狀態(tài)。嵌入式控制系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計(jì)，主要研究如何使處于同一電磁環(huán)境下的各設(shè)備能正常工作而又不互相干擾，達(dá)到一種“兼容”狀態(tài)，簡稱EMC。EMC(Electromagnetic Cmptibility)電磁兼容是一門多學(xué)科交叉的邊緣性學(xué)科。電磁兼容技術(shù)已在很多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，在嵌人式應(yīng)用中也越來越受到重視。任何電子設(shè)備在運(yùn)行時(shí)會(huì)向周圍發(fā)射電磁能量，可能會(huì)對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生干擾。同時(shí)設(shè)備本身也可能受到周圍電磁環(huán)境的干擾，電磁兼容研究的主要

2、問題就是如何使處于同一電磁環(huán)境中的各種設(shè)備或同一設(shè)備中的各組件都能正常工作而又互不干擾1。嵌入式系統(tǒng)作為以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，近年來得到了高速發(fā)展，在消費(fèi)類電子、醫(yī)療、工業(yè)自動(dòng)化、智能化儀器儀表、航空航天等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用2-3，電磁兼容技術(shù)在嵌入式應(yīng)用中越來越受到重視。1 嵌入式系統(tǒng)中電磁干擾的來源和傳播我們說系統(tǒng)是電磁兼容的，一般指系統(tǒng)符合三個(gè)條件:對(duì)其它系統(tǒng)不產(chǎn)生干擾、對(duì)其它系統(tǒng)的發(fā)射不敏感以及對(duì)系統(tǒng)本身不產(chǎn)生干擾。從系統(tǒng)本身來說，隨著技術(shù)的發(fā)展，高性能嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行頻率超過了100 MHz，并且采用

3、新工藝提高系統(tǒng)速度，擴(kuò)展功能接口，高性能也帶來了高頻環(huán)境，使系統(tǒng)干擾問題逐漸突出。從外部環(huán)境來講，由于電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電子設(shè)備密度升高，電磁環(huán)境惡化，系統(tǒng)的電磁干擾與抗干擾問題日益突出。嵌入式系統(tǒng)中的電磁干擾主要是通過導(dǎo)體和輻射來傳播，通常稱為傳導(dǎo)干擾和場(chǎng)干擾。很多電磁發(fā)射源，如光照、繼電器、DC電機(jī)和日光燈都可引起干擾；AC電源線、互連電纜、金屬電纜和子系統(tǒng)的內(nèi)部電路也都可能產(chǎn)生輻射或接收到不希望的信號(hào)。嵌入式系統(tǒng)電磁兼容性研究的就是要消除或減小各種干擾，使之不影響系統(tǒng)正常工作。2 嵌入式控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和EMC設(shè)計(jì)方法2.1 特點(diǎn)嵌入式控制系統(tǒng)常包含各種數(shù)字電路、模擬電路和接口轉(zhuǎn)換電路，

4、它們都是對(duì)干擾和靜電敏感的元器件。嵌入式控制系統(tǒng)一般都要通過輸入/輸出通道和其它單元相聯(lián)，而各單元接口信號(hào)各具特點(diǎn)，若接口電路和輸入/輸出電路設(shè)計(jì)不合理將產(chǎn)生或引入干擾。嵌入式控制系統(tǒng)是復(fù)雜的邏輯運(yùn)算系統(tǒng)，干擾一旦進(jìn)入，即使只影響了一個(gè)比特，也有可能導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障。但同時(shí)程序的存在，又使得軟件抗干擾設(shè)計(jì)成為可能。嵌入式控制系統(tǒng)越來越朝著高工作主頻、高集成度方向發(fā)展，因此印制板設(shè)計(jì)、傳輸線設(shè)計(jì)等結(jié)構(gòu)方面問題顯得更為重要。2.2 解決嵌入式系統(tǒng)電磁兼容性的一些方法嵌入式系統(tǒng)的電磁兼容性研究的問題可以分兩個(gè)方面：如何解決現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)存在的電磁兼容性問題和如何開發(fā)符合電磁兼容要求的新系統(tǒng)。對(duì)于

5、現(xiàn)有系統(tǒng)來說，要解決電磁兼容性問題，限制多、難度大，問題嚴(yán)重時(shí)往往無法改進(jìn)而只能重新設(shè)計(jì)，更換系統(tǒng)。因此嵌入式系統(tǒng)電磁兼容性研究的主要問題就是如何開發(fā)符合電磁兼容要求的新系統(tǒng)。目前在開發(fā)系統(tǒng)方面有不少技術(shù)成果，這些成果可以分硬件和軟件兩個(gè)方面。硬件方面有設(shè)計(jì)上的一些原則技巧和采用一些抗干擾器件以及輔助電路等，軟件方面主要就是設(shè)計(jì)技巧。2.2.1 硬件設(shè)計(jì)的一些原則和技巧從總體上有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則、隔離技術(shù)、接地技術(shù)等，從某些部件上有供電系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)技術(shù)和印刷電路板設(shè)計(jì)技術(shù)等。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和隔離技術(shù)主要是保證大功率和信號(hào)器件不互相影響。接地技術(shù)包括接地點(diǎn)的選擇、電路組合接地的設(shè)計(jì)和抑制接地干擾措施的

6、合理應(yīng)用等，對(duì)各種干擾的影響很大。供電系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)技術(shù)主要是采用各種穩(wěn)壓、變壓、濾波技術(shù)提高穩(wěn)定可靠性。印刷電路板設(shè)計(jì)主要有元器件及引線布置、多層板設(shè)計(jì)等。這其中接地和電路板設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，出現(xiàn)問題也較多，特別是電路板設(shè)計(jì)，還有較大的研究空間。2.2.2 常用的抗干擾器件及輔助電路抗干擾器件有去耦電容、磁性元件、瞬變干擾吸收器件和自恢復(fù)保險(xiǎn)絲等。輔助電路主要有時(shí)鐘監(jiān)控電路、“看門狗”電路、電壓復(fù)位電路、反電勢(shì)抑制電路等。這其中自恢復(fù)保險(xiǎn)絲、時(shí)鐘監(jiān)控電路“、看門狗”電路、電壓復(fù)位電路等有一定的局限性，這些主要是通過中斷或復(fù)位來避開電磁干擾的影響。但當(dāng)系統(tǒng)要求穩(wěn)定，不能中斷或復(fù)位時(shí)，這些元器件或

7、電路就失去意義了。2.2.3 軟件技巧電磁干擾對(duì)高頻時(shí)鐘信號(hào)的影響，有時(shí)會(huì)造成程序“亂飛”，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定、出錯(cuò)甚至死機(jī)。對(duì)此，在軟件編程中可以采取一些技巧來抑制這種現(xiàn)象，較常用的有指令冗余和軟件陷阱。指令冗余技術(shù)包括盡量多用單字節(jié)指令，并在多字節(jié)指令之后插入適當(dāng)字節(jié)NOP，以及重寫對(duì)于程序流向起決定作用的指令和某些對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)有重要作用的指令。軟件陷阱技術(shù)主要就是用引導(dǎo)指令強(qiáng)行將捕獲到的“亂飛”程序引向某處進(jìn)行處理，使程序納入正軌。軟件技巧的采用可以使系統(tǒng)相對(duì)強(qiáng)壯，能消除部分干擾的影響。3 嵌入式系統(tǒng)電磁兼容性的研究方向及國內(nèi)外研究情況3.1 嵌入式系統(tǒng)電磁兼容性的研究方向?qū)τ谇度胧较到y(tǒng)開

8、發(fā)來說，以上一些方法的運(yùn)用對(duì)加強(qiáng)系統(tǒng)電磁兼容性能起到很大的作用。但由于嵌入式系統(tǒng)本身復(fù)雜，所處環(huán)境多變，對(duì)開發(fā)者來說，設(shè)計(jì)考慮問題多、難度大，很難保證全面周到，并且如何檢驗(yàn)設(shè)計(jì)也是一個(gè)較難解決的問題。目前以我們的技術(shù)手段來講，對(duì)設(shè)計(jì)的把關(guān)主要是對(duì)樣品進(jìn)行試驗(yàn)，但試驗(yàn)設(shè)備昂貴，試驗(yàn)難度大、周期長。嵌入式系統(tǒng)電磁兼容性的這些難題，其實(shí)也是電磁兼容研究領(lǐng)域的一大課題，即電磁兼容的計(jì)算機(jī)輔助分析。對(duì)于任何綜合電子系統(tǒng)，由于復(fù)雜性和經(jīng)濟(jì)性等原因，采用試驗(yàn)的方法來處理系統(tǒng)的電磁兼容問題往往很難實(shí)現(xiàn)，而軟件的方法則能比較好地解決一些問題。對(duì)于嵌入式系統(tǒng)來說，必須大力發(fā)展建模仿真以及開發(fā)相應(yīng)軟件等方法，實(shí)現(xiàn)嵌

9、入式系統(tǒng)電磁兼容性的設(shè)計(jì)、預(yù)測(cè)、評(píng)估等方面的計(jì)算機(jī)輔助分析，才能較好地處理電磁兼容性的一些問題。3.2 國外研究情況嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展興起于上世紀(jì)80年代4，而早在上世紀(jì)50年代起，美國就開始了電磁兼容性的研究。在1968年，約翰遜（W.R.Johnson）和托馬斯（A.K.Thomas）就提出了電磁兼容性的計(jì)算機(jī)輔助分析，并于60年代末期首先開展研究，7、80年代得到了迅速發(fā)展5。同時(shí)美國已經(jīng)逐步形成了完備的電磁兼容理論和標(biāo)準(zhǔn)體系，積累了大量的元器件、電路、設(shè)備的電磁特性數(shù)據(jù)，電磁兼容性的計(jì)算機(jī)輔助分析技術(shù)很快發(fā)展到了實(shí)際應(yīng)用階段，目前很多企業(yè)都推出了所在領(lǐng)域的電磁兼容性分析預(yù)測(cè)軟件6。得益于

10、電磁兼容性研究的早起步，以原綜合電子系統(tǒng)的電磁兼容體系、標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)及技術(shù)為基礎(chǔ)，嵌入式系統(tǒng)作為一類綜合電子系統(tǒng)，在應(yīng)用日漸廣泛而單獨(dú)提出其電磁干擾問題后，其電磁兼容性方面可以說直接跳入了計(jì)算機(jī)輔助分析階段，目前是朝著更精確更完善的建模仿真的方向發(fā)展。3.3 國內(nèi)研究情況我國電磁兼容方面的研究起步較晚，與嵌入式系統(tǒng)的廣泛采用沒有什么時(shí)間差距，基本上是同時(shí)起始于20世紀(jì)90年代，因此嵌入式系統(tǒng)的電磁兼容性研究只能是從理論、標(biāo)準(zhǔn)、基本電磁特性開始。目前國內(nèi)進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)電磁兼容性的研究主要有兩個(gè)方面，一是設(shè)計(jì)和防護(hù)的改進(jìn)，二是電磁特性的研究。在設(shè)計(jì)和防護(hù)的改進(jìn)方面，大多數(shù)立足于自身領(lǐng)域所應(yīng)用的嵌入式

11、系統(tǒng)進(jìn)行研究，針對(duì)性較強(qiáng)。目前研究成果較多的有衛(wèi)星、飛機(jī)、導(dǎo)彈等方面，還有一部分立足于嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)進(jìn)行研究，總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn)技巧，具有很好的參考價(jià)值。在電磁特性的研究上，目前成果不多，只有少數(shù)團(tuán)體以一定試驗(yàn)條件為基礎(chǔ)，研究了特定環(huán)境下某些嵌入式系統(tǒng)的電磁特性，如強(qiáng)靜電放電、核電磁脈沖等環(huán)境下單片機(jī)的效應(yīng)研究等，積累了一些有價(jià)值的試驗(yàn)數(shù)據(jù)?？梢哉f，我國在嵌入式系統(tǒng)的電磁兼容性研究方面系統(tǒng)不完善，處于分析試驗(yàn)和積累數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)階段。4 結(jié)束語隨著嵌入式系統(tǒng)電磁兼容性重要性日趨凸顯，目前我們的技術(shù)手段還有很大的局限性。要大力發(fā)展嵌入式系統(tǒng)電磁兼容性計(jì)算機(jī)輔助分析技術(shù)，首先需要較完善的電磁兼容性數(shù)

12、據(jù)庫的支持。雖然目前各方面的研究，不管是設(shè)計(jì)防護(hù)技術(shù)還是電磁特性研究成果數(shù)據(jù)，都可以看成是電磁兼容數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)。但以目前這種各團(tuán)隊(duì)小范圍研究的方式來說，很難實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。嵌入式系統(tǒng)電磁兼容性需要走上產(chǎn)業(yè)化道路，多領(lǐng)域合作，迅速構(gòu)建通用性的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫平臺(tái)，開發(fā)通用的數(shù)學(xué)仿真模型及軟件模塊等。這樣，才能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助分析，才能符合經(jīng)濟(jì)性要求，從源頭設(shè)計(jì)上解決各領(lǐng)域的嵌入式系統(tǒng)電磁兼容性問題。5 參考文獻(xiàn)1 王定華,趙家升.電磁兼容原理與設(shè)計(jì)M.成都:電子科技大學(xué)出版社,1995. 2 周青云,王建勛.嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用于發(fā)展J.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2008，(3)：l 6-20.3 劉麗娜.嵌入式系統(tǒng)綜述J.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2009,(11):22.4 劉利民.嵌入式系統(tǒng)的硬件體系和發(fā)展J.理工科研，2009，(7)：275-2765 Tesche Frederick M, Ianoz Michel V. EMC analysis metho