用現(xiàn)場電磁兼容性理論剖析單片機系統(tǒng)設計解析方案

單片機系統(tǒng)在軍事、工業(yè)、民用產(chǎn)品中的應用越來越廣。它將許多以往用硬件實現(xiàn)的功能由軟件來完成，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題。用現(xiàn)場電磁兼容性(EMC)理論剖析單片機系統(tǒng)設計中的某些傳統(tǒng)觀念，會發(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：有了看門狗就不會死機

死機是指CPU的程序指針進入一個死循環(huán)，無法執(zhí)行正常的程序流程。其外在表現(xiàn)常常是：正常功能喪失，按鍵無響應，顯示凝固。單片機死機后，只有復全才能走出死循環(huán)，執(zhí)行正常的程序流程。眾所屬知，克服死機的最有效手段是加看門狗(WatchDog)。

目前用得最廣泛的看門狗實際上是一個特殊的定時器DogTimer。DogTimer按固定速率計時，計滿預定時間就發(fā)出溢出脈沖使單片機復位。如果每次在 DogTimer溢出前強行讓DogTimer清零，就不會發(fā)出溢出脈沖。清零脈沖由CPU發(fā)出，在單片機程序中每隔一段語句放一個清DogTimer的語句——FeedDog語句，以保證程序正常運行時DogTimer不會溢出。一旦程序進入一個不含F(xiàn)eedDog語句的死循環(huán)，DogTimer將溢出，導致單片機復位，跳出這個死循環(huán)。本文稱這種看門狗為典型看門狗，典型看門狗已被集成比，如MAX706、MAX791等[1];還有許多單片機本身集成了這種看門狗，如PIC16C57、MC68HC705等，具體電路可參閱這些芯片的技術資料[2]。

有一個錯誤觀點：加了看門狗，單片機就不會死機。實際上，看門狗有時間會完全失效。當程序進入某個死循環(huán)，而這個死循環(huán)中又包含F(xiàn)eedDog語句，這時 DogTimer始終不會溢出，單片機始終得不到復位信號，程序也就始終跳不出這個死循環(huán)。針對這一弊端，筆者設計了雙對限看門狗和定時復位看門狗。

雙時限看門狗有兩個定時器;一個為短定時器，一個為長定時器。短定時器定時為T1，長定時器定時為 T2，0

這樣，當程序進入某個死循環(huán)，如果這個死循環(huán)包含短定時器FeedDog語句而不包含長定時器 FeedDog語句，那么長定時順終將溢出，使單片機復位。巧妙安排長定時器FeedDog語句的位置，可保證出現(xiàn)死機的概率根低。在水輪發(fā)電機組微機控制裝置中的對比應用證明了這一點[3]。

目前幾乎所有的看門狗都是依賴于CPU(依賴于CPU FeedDog)。這可以比作：一個保險設備能否起到保險作用還依賴于被它保護的對象的行為。顯然，依賴于CPU的看門狗是不能保證單片機在分之百不死機的。

在絕對不允許死機的裝置中，筆者設計了一種完全不依賴于CPU的看門狗——定時復位看門狗。定時復位看門狗的主體也是一個定時器，到預定時間就發(fā)出溢出脈沖，此溢出脈沖使單片機強行復位。定時復位看門狗不需要CPU FeedDog。

簡言之，定時復位看門狗就是定時地讓單片機強行復位。這樣，即使裝置死機，其最大死機時間也不會大于定時器定時時間。顯然，只要硬件完好，這種看門狗百分之百地保證了單片機不會長時間死機。在智能電表(包括IC卡電能表、復費率電能表、多功能電能表 [4])中采用了定時復位看門狗，每1秒讓CPU強行復位，迄今數(shù)十萬電表運行了近五年，無一例死機報告。

必須指出，采用這種看門狗，CPU的編程要適應定時復位的環(huán)境，保證定時復位不打斷那些不能打斷的程序，不造成任何誤動作。

2 誤區(qū)之二：加電源濾波器能提高EMC性能

在單片機系統(tǒng)中，為了抑制電磁干擾(EMI)，常常在交流電源進線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專用于旁路差模干擾。兩者的不同之處在于：圖1(b)兩個電容接大地。設電感的電阻為R，它們的隔頻特性分別是：

當R很小時，上述兩個濾波器的諧振頻率分別為：

可見，它們的幅頻特性相似，諧振頻率不同。從濾波效果來看，兩者對于降低來自交流電的差模干擾效果差不多，但是后者對于降低共模干擾效果更好。不過同，對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。

設計濾波器時必須注意讓諧振頻率遠小于干擾頻率，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))，可計算出f0=5.2kHz。而EMC測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也不會被衰減，如圖2虛線的示?？梢?，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測試仍難過程，原因大多在此。

實際上，如果取L=30mh，R=5Ω，C=0.47μF，可計算出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，電源濾波器確實提高了系統(tǒng)的EMC性能。圖2實線是相慶的幅頻特性。

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)場的開關量引到測控裝置后都要加光隔，以切斷來自現(xiàn)場的傳導干擾;RS485通訊口經(jīng)光隔再與外部通訊線連接，防止來自外部通訊線的傳導干擾。

有不少人認為：光偶器件隔離干擾很徹底，用了光偶隔離干擾就過不去了。其實，光電隔離并非萬全之策。

首先，光偶器件本身只能隔離傳導干擾，它隔離不斷幅射、感應干擾。幅射來自空間，感應來自相鄰的導體。最常見的敗筆是：設計PCB時將光偶器件的輸入和輸出電路布在了一起，這時干擾從光偶器件是過不去了，但卻很容易輸入電路感應到輸出電路。

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

4 誤區(qū)之四：PCB布線要橫平豎直

提起PCB布線，許多工程技術人員都知道一個傳統(tǒng)的經(jīng)驗：正面橫向走線、反面縱向走線，橫平豎直，既美觀又短捷;還有個傳統(tǒng)經(jīng)驗是：只要空間允許，走線越粗越好?？梢悦鞔_地說，這些經(jīng)驗在注重EMC的今天已經(jīng)過時。

要使單片機系統(tǒng)有良好的EMC性能，PCB設計十分關鍵。一個具有良好的EMC性能的PCB，必須按高頻電路來設計——這是反傳統(tǒng)的。單片機系統(tǒng)按高頻電路來設計PCB的理由在于：盡管單片機系統(tǒng)大部分電路的工作頻率并不高，但是EMI的頻率是高的，EMC測試的模擬干擾頻率也是高的[5]。要有效抑制 EMI，順利通過EMC測試，PCB的設計必須考慮高頻電路的特點。PCB按高頻電路設計的要點是：

(1)要有良好的地線層。良好的地線層處處等電位，不會產(chǎn)生共模電阻偶合，也不會經(jīng)地線形成環(huán)流產(chǎn)生天線效應;良好的地線層能使EMI以最短的路徑進入地線而消失。建立良好的地線層最好的方法是采用多層板，一層專門用作線地層;如果只能用雙面板，應當盡量從正面走線，反面用作地線層，不得已才從反面過線。

(2)保持足夠的距離。對于可能出現(xiàn)有害耦合或幅射的兩根線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、交流電源線與弱信號線等。

(3)長線加低通濾波器。走線盡量短捷，不得已走的長線應當在合理的位置插入C、RC或LC低通濾波器。

(4)除了地線，能用細線的不要用粗線。因為PCB上的每一根走線既是有用信號的載體，又是接收幅射干擾的干線，走線越長、越粗，天線效應越強。

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，對系統(tǒng)性能影響不大。其實不然。

前面說到，PCB上每一根走線都存在天線效應?，F(xiàn)在要說，PCB上的每一個元件也存在天線效應，元件的導電部分越大，天線效應越強。所以，同一型號芯片，封裝尺寸小的比封裝尺寸大的天線效應弱。這就解釋了許多工程師已經(jīng)注意到的一個現(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EMC測試。

此外，天線效應還跟每個芯片的工作電流環(huán)路有關。要削弱天線效應，除了減小封裝尺寸，還應盡量減小工作電流環(huán)路尺寸、降低工作頻率和di/dt。留意最新型號的IC芯片(尤其是單片)的管腳布局會發(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。

實際上，不僅是IC芯片，電阻、電容封裝也與EMC有關。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。目前國際上流行的是0603封裝。