用現(xiàn)場(chǎng)電磁兼容性理論剖析單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)解析方案

單片機(jī)系統(tǒng)在軍事、工業(yè)、民用產(chǎn)品中的應(yīng)用越來(lái)越廣。它將許多以往用硬件實(shí)現(xiàn)的功能由軟件來(lái)完成，體積小巧、功能豐富、智能化程序度，但在可靠性方面也面臨許多新問(wèn)題。用現(xiàn)場(chǎng)電磁兼容性(EMC)理論剖析單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的某些傳統(tǒng)觀念，會(huì)發(fā)現(xiàn)許多誤區(qū)，并且有些誤區(qū)至今還在工程界廣為存在。

1 誤區(qū)之一：有了看門(mén)狗就不會(huì)死機(jī)

死機(jī)是指CPU的程序指針進(jìn)入一個(gè)死循環(huán)，無(wú)法執(zhí)行正常的程序流程。其外在表現(xiàn)常常是：正常功能喪失，按鍵無(wú)響應(yīng)，顯示凝固。單片機(jī)死機(jī)后，只有復(fù)全才能走出死循環(huán)，執(zhí)行正常的程序流程。眾所屬知，克服死機(jī)的最有效手段是加看門(mén)狗(WatchDog)。

目前用得最廣泛的看門(mén)狗實(shí)際上是一個(gè)特殊的定時(shí)器DogTimer。DogTimer按固定速率計(jì)時(shí)，計(jì)滿(mǎn)預(yù)定時(shí)間就發(fā)出溢出脈沖使單片機(jī)復(fù)位。如果每次在 DogTimer溢出前強(qiáng)行讓DogTimer清零，就不會(huì)發(fā)出溢出脈沖。清零脈沖由CPU發(fā)出，在單片機(jī)程序中每隔一段語(yǔ)句放一個(gè)清DogTimer的語(yǔ)句——FeedDog語(yǔ)句，以保證程序正常運(yùn)行時(shí)DogTimer不會(huì)溢出。一旦程序進(jìn)入一個(gè)不含F(xiàn)eedDog語(yǔ)句的死循環(huán)，DogTimer將溢出，導(dǎo)致單片機(jī)復(fù)位，跳出這個(gè)死循環(huán)。本文稱(chēng)這種看門(mén)狗為典型看門(mén)狗，典型看門(mén)狗已被集成比，如MAX706、MAX791等[1];還有許多單片機(jī)本身集成了這種看門(mén)狗，如PIC16C57、MC68HC705等，具體電路可參閱這些芯片的技術(shù)資料[2]。

有一個(gè)錯(cuò)誤觀點(diǎn)：加了看門(mén)狗，單片機(jī)就不會(huì)死機(jī)。實(shí)際上，看門(mén)狗有時(shí)間會(huì)完全失效。當(dāng)程序進(jìn)入某個(gè)死循環(huán)，而這個(gè)死循環(huán)中又包含F(xiàn)eedDog語(yǔ)句，這時(shí) DogTimer始終不會(huì)溢出，單片機(jī)始終得不到復(fù)位信號(hào)，程序也就始終跳不出這個(gè)死循環(huán)。針對(duì)這一弊端，筆者設(shè)計(jì)了雙對(duì)限看門(mén)狗和定時(shí)復(fù)位看門(mén)狗。

雙時(shí)限看門(mén)狗有兩個(gè)定時(shí)器;一個(gè)為短定時(shí)器，一個(gè)為長(zhǎng)定時(shí)器。短定時(shí)器定時(shí)為T(mén)1，長(zhǎng)定時(shí)器定時(shí)為 T2，0

這樣，當(dāng)程序進(jìn)入某個(gè)死循環(huán)，如果這個(gè)死循環(huán)包含短定時(shí)器FeedDog語(yǔ)句而不包含長(zhǎng)定時(shí)器 FeedDog語(yǔ)句，那么長(zhǎng)定時(shí)順終將溢出，使單片機(jī)復(fù)位。巧妙安排長(zhǎng)定時(shí)器FeedDog語(yǔ)句的位置，可保證出現(xiàn)死機(jī)的概率根低。在水輪發(fā)電機(jī)組微機(jī)控制裝置中的對(duì)比應(yīng)用證明了這一點(diǎn)[3]。

目前幾乎所有的看門(mén)狗都是依賴(lài)于CPU(依賴(lài)于CPU FeedDog)。這可以比作：一個(gè)保險(xiǎn)設(shè)備能否起到保險(xiǎn)作用還依賴(lài)于被它保護(hù)的對(duì)象的行為。顯然，依賴(lài)于CPU的看門(mén)狗是不能保證單片機(jī)在分之百不死機(jī)的。

在絕對(duì)不允許死機(jī)的裝置中，筆者設(shè)計(jì)了一種完全不依賴(lài)于CPU的看門(mén)狗——定時(shí)復(fù)位看門(mén)狗。定時(shí)復(fù)位看門(mén)狗的主體也是一個(gè)定時(shí)器，到預(yù)定時(shí)間就發(fā)出溢出脈沖，此溢出脈沖使單片機(jī)強(qiáng)行復(fù)位。定時(shí)復(fù)位看門(mén)狗不需要CPU FeedDog。

簡(jiǎn)言之，定時(shí)復(fù)位看門(mén)狗就是定時(shí)地讓單片機(jī)強(qiáng)行復(fù)位。這樣，即使裝置死機(jī)，其最大死機(jī)時(shí)間也不會(huì)大于定時(shí)器定時(shí)時(shí)間。顯然，只要硬件完好，這種看門(mén)狗百分之百地保證了單片機(jī)不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間死機(jī)。在智能電表(包括IC卡電能表、復(fù)費(fèi)率電能表、多功能電能表 [4])中采用了定時(shí)復(fù)位看門(mén)狗，每1秒讓CPU強(qiáng)行復(fù)位，迄今數(shù)十萬(wàn)電表運(yùn)行了近五年，無(wú)一例死機(jī)報(bào)告。

必須指出，采用這種看門(mén)狗，CPU的編程要適應(yīng)定時(shí)復(fù)位的環(huán)境，保證定時(shí)復(fù)位不打斷那些不能打斷的程序，不造成任何誤動(dòng)作。

2 誤區(qū)之二：加電源濾波器能提高EMC性能

在單片機(jī)系統(tǒng)中，為了抑制電磁干擾(EMI)，常常在交流電源進(jìn)線(xiàn)與電源變壓器之間加電磁濾波器。常用電源濾波器如圖1。

圖1都是雙II型LC濾波器，其中C0專(zhuān)用于旁路差模干擾。兩者的不同之處在于：圖1(b)兩個(gè)電容接大地。設(shè)電感的電阻為R，它們的隔頻特性分別是：

當(dāng)R很小時(shí)，上述兩個(gè)濾波器的諧振頻率分別為：

可見(jiàn)，它們的幅頻特性相似，諧振頻率不同。從濾波效果來(lái)看，兩者對(duì)于降低來(lái)自交流電的差模干擾效果差不多，但是后者對(duì)于降低共模干擾效果更好。不過(guò)同，對(duì)于采用浮地方式的裝置，由于電容不可能直正接到大地，所以只能用者。

設(shè)計(jì)濾波器時(shí)必須注意讓諧振頻率遠(yuǎn)小于干擾頻率，處理不好不僅不能衰減干擾，反而放大干擾。以圖 1(a)的雙II型濾波器為例，如果取L=1mh，R= 1Ω，C=0.47μF(這是許多資料推薦的參數(shù))，可計(jì)算出f0=5.2kHz。而EMC測(cè)試中的快速脈沖群頻率是5.0kHz(2kV)或 2.5kHz(4kV);5.0kHz剛好諧振，2.5kHz也不會(huì)被衰減，如圖2虛線(xiàn)的示?？梢?jiàn)，不是所有的電源濾波器都能提高EMC性能。工程中，許多裝置盡管采用了成本不菲的濾波器，但EMC測(cè)試仍難過(guò)程，原因大多在此。

實(shí)際上，如果取L=30mh，R=5Ω，C=0.47μF，可計(jì)算出f0=0.95kHz，5.0kHz脈沖群幅值減為3.73%，2.5kHz脈沖群幅值衰減為16.78%。這時(shí)，電源濾波器確實(shí)提高了系統(tǒng)的EMC性能。圖2實(shí)線(xiàn)是相慶的幅頻特性。

3 誤區(qū)之三：光偶器件隔離干擾很徹底

光偶器件是最常用的隔離干擾器件。例如現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)關(guān)量引到測(cè)控裝置后都要加光隔，以切斷來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的傳導(dǎo)干擾;RS485通訊口經(jīng)光隔再與外部通訊線(xiàn)連接，防止來(lái)自外部通訊線(xiàn)的傳導(dǎo)干擾。

有不少人認(rèn)為：光偶器件隔離干擾很徹底，用了光偶隔離干擾就過(guò)不去了。其實(shí)，光電隔離并非萬(wàn)全之策。

首先，光偶器件本身只能隔離傳導(dǎo)干擾，它隔離不斷幅射、感應(yīng)干擾。幅射來(lái)自空間，感應(yīng)來(lái)自相鄰的導(dǎo)體。最常見(jiàn)的敗筆是：設(shè)計(jì)PCB時(shí)將光偶器件的輸入和輸出電路布在了一起，這時(shí)干擾從光偶器件是過(guò)不去了，但卻很容易輸入電路感應(yīng)到輸出電路。

其次，光偶器件隔離傳導(dǎo)干擾的能力也只有1kV左右，1kV以上的干擾或浪涌一般是力所不的及的。比如EMC的快速脈沖群測(cè)試，施加的干擾信號(hào)幅值是2kV、4kV、8kV，光偶器件是無(wú)法隔離的。

4 誤區(qū)之四：PCB布線(xiàn)要橫平豎直

提起PCB布線(xiàn)，許多工程技術(shù)人員都知道一個(gè)傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)：正面橫向走線(xiàn)、反面縱向走線(xiàn)，橫平豎直，既美觀又短捷;還有個(gè)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)是：只要空間允許，走線(xiàn)越粗越好。可以明確地說(shuō)，這些經(jīng)驗(yàn)在注重EMC的今天已經(jīng)過(guò)時(shí)。

要使單片機(jī)系統(tǒng)有良好的EMC性能，PCB設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。一個(gè)具有良好的EMC性能的PCB，必須按高頻電路來(lái)設(shè)計(jì)——這是反傳統(tǒng)的。單片機(jī)系統(tǒng)按高頻電路來(lái)設(shè)計(jì)PCB的理由在于：盡管單片機(jī)系統(tǒng)大部分電路的工作頻率并不高，但是EMI的頻率是高的，EMC測(cè)試的模擬干擾頻率也是高的[5]。要有效抑制 EMI，順利通過(guò)EMC測(cè)試，PCB的設(shè)計(jì)必須考慮高頻電路的特點(diǎn)。PCB按高頻電路設(shè)計(jì)的要點(diǎn)是：

(1)要有良好的地線(xiàn)層。良好的地線(xiàn)層處處等電位，不會(huì)產(chǎn)生共模電阻偶合，也不會(huì)經(jīng)地線(xiàn)形成環(huán)流產(chǎn)生天線(xiàn)效應(yīng);良好的地線(xiàn)層能使EMI以最短的路徑進(jìn)入地線(xiàn)而消失。建立良好的地線(xiàn)層最好的方法是采用多層板，一層專(zhuān)門(mén)用作線(xiàn)地層;如果只能用雙面板，應(yīng)當(dāng)盡量從正面走線(xiàn)，反面用作地線(xiàn)層，不得已才從反面過(guò)線(xiàn)。

(2)保持足夠的距離。對(duì)于可能出現(xiàn)有害耦合或幅射的兩根線(xiàn)或兩組或要保持足夠的距離，如濾波器的輸入與輸出、光偶的輸入與輸出、交流電源線(xiàn)與弱信號(hào)線(xiàn)等。

(3)長(zhǎng)線(xiàn)加低通濾波器。走線(xiàn)盡量短捷，不得已走的長(zhǎng)線(xiàn)應(yīng)當(dāng)在合理的位置插入C、RC或LC低通濾波器。

(4)除了地線(xiàn)，能用細(xì)線(xiàn)的不要用粗線(xiàn)。因?yàn)镻CB上的每一根走線(xiàn)既是有用信號(hào)的載體，又是接收幅射干擾的干線(xiàn)，走線(xiàn)越長(zhǎng)、越粗，天線(xiàn)效應(yīng)越強(qiáng)。

5 誤區(qū)之五：IC芯片的封裝形式不影響性能

眾所周知，IC芯片的封裝貼片式和雙列直插式之分。一般認(rèn)為：貼片式和雙列直插式的區(qū)別主要是體積不同和焊接方法不同，對(duì)系統(tǒng)性能影響不大。其實(shí)不然。

前面說(shuō)到，PCB上每一根走線(xiàn)都存在天線(xiàn)效應(yīng)?，F(xiàn)在要說(shuō)，PCB上的每一個(gè)元件也存在天線(xiàn)效應(yīng)，元件的導(dǎo)電部分越大，天線(xiàn)效應(yīng)越強(qiáng)。所以，同一型號(hào)芯片，封裝尺寸小的比封裝尺寸大的天線(xiàn)效應(yīng)弱。這就解釋了許多工程師已經(jīng)注意到的一個(gè)現(xiàn)象：同一裝置，采用貼片元件比采用雙列直插元件更易通過(guò)EMC測(cè)試。

此外，天線(xiàn)效應(yīng)還跟每個(gè)芯片的工作電流環(huán)路有關(guān)。要削弱天線(xiàn)效應(yīng)，除了減小封裝尺寸，還應(yīng)盡量減小工作電流環(huán)路尺寸、降低工作頻率和di/dt。留意最新型號(hào)的IC芯片(尤其是單片)的管腳布局會(huì)發(fā)現(xiàn)：它們大多拋棄了傳統(tǒng)方式——左下角為GND右上角為 VCC，而將VCC和GND安排在相鄰位置，就是為了減小工作電流環(huán)路尺寸。

實(shí)際上，不僅是IC芯片，電阻、電容封裝也與EMC有關(guān)。用0805封裝比1206封裝有更好的EMC性能，用0603封裝又比0805封裝有更好的EMC性能。目前國(guó)際上流行的是0603封裝。