如果一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)符合下面三個(gè)條件，則該系統(tǒng)是電磁兼容的：

　?、?對(duì)其它系統(tǒng)不產(chǎn)生干擾;② 對(duì)其它系統(tǒng)的發(fā)射不敏感;③ 對(duì)系統(tǒng)本身不產(chǎn)生干擾。

　　假若干擾不能完全消除，但也要使干擾減少到最小。干擾的產(chǎn)生不是直接的(通過(guò)導(dǎo)體、公共阻抗耦合等)，就是間接的(通過(guò)串?dāng)_或輻射耦合)。電磁干擾的產(chǎn)生是通過(guò)導(dǎo)體和通過(guò)輻射，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)。在高速單片機(jī)系統(tǒng)中，時(shí)鐘電路通常是寬帶噪聲的最大產(chǎn)生源，這些電路可產(chǎn)生高達(dá)300 MHz的諧波失真，在系統(tǒng)中應(yīng)該把它們?nèi)サ?。另外，在單片機(jī)系統(tǒng)中，最容易受影響的是復(fù)位線、中斷線和控制線。

　　01

　　干擾的耦合方式

　　1、 傳導(dǎo)性EMI

　　一種最明顯而往往被忽略的能引起電路中噪聲的路徑是經(jīng)過(guò)導(dǎo)體。一條穿過(guò)噪聲環(huán)境的導(dǎo)線可撿拾噪聲并把噪聲送到其它電路引起干擾。設(shè)計(jì)人員必須避免導(dǎo)線撿拾噪聲和在噪聲引起干擾前，用去耦辦法除去噪聲。最普通的例子是噪聲通過(guò)電源線進(jìn)入電路。若電源本身或連接到電源的其它電路是干擾源，則在電源線進(jìn)入電路之前必須對(duì)其去耦。

　　2、公共阻抗耦合

　　當(dāng)來(lái)自兩個(gè)不同電路的電流流經(jīng)一個(gè)公共阻抗時(shí)就會(huì)產(chǎn)生共阻抗耦合。阻抗上的壓降由兩個(gè)電路決定，來(lái)自兩個(gè)電路的地電流流經(jīng)共地阻抗。電路1的地電位被地電流2調(diào)制，噪聲信號(hào)或DC補(bǔ)償經(jīng)共地阻抗從電路2耦合到電路1。

　　3、 輻射耦合

　　經(jīng)輻射的耦合通稱串?dāng)_。串?dāng)_發(fā)生在電流流經(jīng)導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，而電磁場(chǎng)在鄰近的導(dǎo)體中感應(yīng)瞬態(tài)電流。

　　4、 輻射發(fā)射

　　輻射發(fā)射有兩種基本類型：差分模式(DM)和共模(CM)。共模輻射或單極天線輻射是由無(wú)意的壓降引起的，它使電路中所有地連接抬高到系統(tǒng)地電位之上。就電場(chǎng)大小而言，CM輻射是比DM輻射更為嚴(yán)重的問(wèn)題。為使CM輻射最小，必須用切合實(shí)際的設(shè)計(jì)使共模電流降到零。

　　02

　　影響EMC的因數(shù)

　?、?電壓。電源電壓越高，意味著電壓振幅越大，發(fā)射就更多，而低電源電壓影響敏感度。

　?、? 頻率。高頻產(chǎn)生更多的發(fā)射，周期性信號(hào)產(chǎn)生更多的發(fā)射。在高頻單片機(jī)系統(tǒng)中，當(dāng)器件開關(guān)時(shí)產(chǎn)生電流尖峰信號(hào);在模擬系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)載電流變化時(shí)產(chǎn)生電流尖峰信號(hào)。

　?、?接地。在所有EMC問(wèn)題中，主要問(wèn)題是不適當(dāng)?shù)慕拥匾鸬摹Ｓ腥N信號(hào)接地方法：?jiǎn)吸c(diǎn)、多點(diǎn)和混合。在頻率低于1 MHz時(shí)，可采用單點(diǎn)接地方法，但不適于高頻;在高頻應(yīng)用中，最好采用多點(diǎn)接地。混合接地是低頻用單點(diǎn)接地，而高頻用多點(diǎn)接地的方法。地線布局是關(guān)鍵，高頻數(shù)字電路和低電平模擬電路的地回路絕對(duì)不能混合。

　?、?PCB設(shè)計(jì)。適當(dāng)?shù)挠∷㈦娐钒?PCB)布線對(duì)防止EMI是至關(guān)重要的。

　?、? 電源去耦。當(dāng)器件開關(guān)時(shí)，在電源線上會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)電流，必須衰減和濾掉這些瞬態(tài)電流。來(lái)自高di/dt源的瞬態(tài)電流導(dǎo)致地和線跡“發(fā)射”電壓，高di/dt產(chǎn)生大范圍高頻電流，激勵(lì)部件和線纜輻射。流經(jīng)導(dǎo)線的電流變化和電感會(huì)導(dǎo)致壓降，減小電感或電流隨時(shí)間的變化可使該壓降最小。

　　03

　　印刷電路板(PCB)的電磁兼容性設(shè)計(jì)

　　PCB是單片機(jī)系統(tǒng)中電路元件和器件的支撐件，它提供電路元件和器件之間的電氣連接。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，PCB的密度越來(lái)越高。PCB設(shè)計(jì)的好壞對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的電磁兼容性影響很大，實(shí)踐證明，即使電路原理圖設(shè)計(jì)正確，印刷電路板設(shè)計(jì)不當(dāng)，也會(huì)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生不利影響。例如，如果印刷板兩條細(xì)平行線靠得很近，則會(huì)形成信號(hào)波形的延遲，在傳輸線的終端形成反射噪聲。因此，在設(shè)計(jì)印刷電路板的時(shí)候，應(yīng)注意采用正確的方法，遵守PCB設(shè)計(jì)的一般原則，并應(yīng)符合抗干擾設(shè)計(jì)的要求。

　　一、PCB設(shè)計(jì)的一般原則

　　要使電子電路獲得最佳性能，元器件的布局及導(dǎo)線的布設(shè)是很重要的。為了設(shè)計(jì)質(zhì)量好、成本低的PCB，應(yīng)遵循以下一般性原則。

　　1、特殊元器件布局

　　首先，要考慮PCB尺寸的大?。篜CB尺寸過(guò)大時(shí)，印刷線條長(zhǎng)，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加;過(guò)小，則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。在確定PCB尺寸后，再確定特殊元器件的位置。最后，根據(jù)電路的功能單元，對(duì)電路的全部元器件進(jìn)行布局。

　　在確定特殊元器件的位置時(shí)要遵守以下原則：

　　① 盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設(shè)法減少它們的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互挨得太近，輸入和輸出元件應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。

　?、?某些元器件或?qū)Ь€之間可能有較高的電位差，應(yīng)加大它們之間的距離，以免放電引出意外短路。帶高電壓的元器件應(yīng)盡量布置在調(diào)試時(shí)手不易觸及的地方。

　　③ 重量超過(guò)15 g的元器件，應(yīng)當(dāng)用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、發(fā)熱量多的元器件，不宜裝在印刷板上，而應(yīng)裝在整機(jī)的機(jī)箱底板上，且應(yīng)考慮散熱問(wèn)題。熱敏元件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件。

　?、? 對(duì)于電位器、可調(diào)電感線圈、可變電容器、微動(dòng)開關(guān)等可調(diào)元件的布局，應(yīng)考慮整機(jī)的結(jié)構(gòu)要求。若是機(jī)內(nèi)調(diào)節(jié)，應(yīng)放在印刷板上方便調(diào)節(jié)的地方;若是機(jī)外調(diào)節(jié)，其位置要與調(diào)節(jié)旋鈕在機(jī)箱面板上的位置相適應(yīng)。

　?、?留出印刷板定位孔及固定支架所占用的位置。

　　2、一般元器件布局

　　根據(jù)電路的功能單元，對(duì)電路的全部元器件進(jìn)行布局時(shí)，要符合以下原則：

　?、?按照電路的流程安排各個(gè)功能電路單元的位置，使布局便于信號(hào)流通，并使信號(hào)盡可能保持一致的方向。

　?、?以每個(gè)功能電路的核心元件為中心，圍繞它來(lái)進(jìn)行布局。元器件應(yīng)均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。

　?、?在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般電路應(yīng)盡可能使元器件平行排列，這樣，不但美觀，而且裝焊容易，易于批量生產(chǎn)。

　?、?位于電路板邊緣的元器件，離電路板邊緣一般不小于2 mm。電路板的最佳形狀為矩形。長(zhǎng)寬比為3:2或4:3。電路板面尺寸大于200 mm×150 mm時(shí)，應(yīng)考慮電路板所受的機(jī)械強(qiáng)度。

　　3、布線

　　布線的原則如下：

　?、?輸入輸出端用的導(dǎo)線應(yīng)盡量避免相鄰平行，最好加線間地線，以免發(fā)生反饋耦合。

　?、?印刷板導(dǎo)線的最小寬度主要由導(dǎo)線與絕緣基板間的粘附強(qiáng)度和流過(guò)它們的電流值決定。當(dāng)銅箔厚度為0.5 mm、寬度為1～15 mm時(shí)，通過(guò)2 A的電流，溫升不會(huì)高于3℃。因此，導(dǎo)線寬度為1.5 mm可滿足要求。對(duì)于集成電路，尤其是數(shù)字電路，通常選0.02～0.3 mm導(dǎo)線寬度。當(dāng)然，只要允許，還是盡可能用寬線，尤其是電源線和地線。導(dǎo)線的最小間距主要由最壞情況下的線間絕緣電阻和擊穿電壓決定。對(duì)于集成電路，尤其是數(shù)字電路，只要工藝允許，可使間距小于0.1～0.2 mm。

　?、? 印刷導(dǎo)線拐彎處一般取圓弧形，而直角或夾角在高頻電路中會(huì)影響電氣性能。此外，盡量避免使用大面積銅箔，否則，長(zhǎng)時(shí)間受熱時(shí)，易發(fā)生銅箔膨脹和脫落現(xiàn)象。必須用大面積銅箔時(shí)，最好用柵格狀，這樣有利于排除銅箔與基板間粘合劑受熱產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體。

　　4、 焊盤

　　焊盤中心孔要比器件引線直徑稍大一些。焊盤太大易形成虛焊。焊盤外徑D一般不小于(d+1.2) mm，其中d為引線孔徑。對(duì)高密度的數(shù)字電路，焊盤最小直徑可取(d+1.0) mm。

　　EMC電磁兼容性包括EMI(interference)和EMS(susceptibility),也就是電磁干擾和電磁抗干擾。隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)的應(yīng)用也日益廣泛。雖然單片機(jī)本身有一定的抗干擾能力，但是用單片機(jī)為核心組成的控制系統(tǒng)在應(yīng)用中，仍存在著電磁干擾的問(wèn)題。為防止外界對(duì)系統(tǒng)的EMI，并確保單片機(jī)控制系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行，必須采取相應(yīng)的EMS措施。

　　1 EMI的產(chǎn)生原因分析

　　在單片機(jī)系統(tǒng)的工作環(huán)境中，往往有許多強(qiáng)電設(shè)備，特別是電機(jī)啟動(dòng)和繼電器的吸合將對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾，使用示波器的話可以看到電源電壓波形上有明顯的毛刺干擾。此外受到條件限制有時(shí)單片機(jī)控制系統(tǒng)的各部分之間要有較遠(yuǎn)的距離，數(shù)據(jù)和控制線使用較長(zhǎng)的導(dǎo)線且沒(méi)有良好的屏蔽措施，這會(huì)使得電磁干擾就更容易混入系統(tǒng)之中。

　　總之對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的EMI總是以輻射、電源回路等方式進(jìn)入的，其途徑主要有三種，第一是輸入途徑，它使得模擬信號(hào)出現(xiàn)失真，數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生錯(cuò)誤，系統(tǒng)如根據(jù)有問(wèn)題的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理結(jié)果將必然是錯(cuò)誤的。第二是輸出途徑，干擾會(huì)和各輸出信號(hào)疊加，造成輸出信號(hào)混亂，不能將系統(tǒng)真實(shí)的處理結(jié)果進(jìn)行表達(dá)。第三是單片機(jī)內(nèi)部總線干擾，干擾使得控制、地址、數(shù)據(jù)總線上的內(nèi)部數(shù)字信號(hào)錯(cuò)亂，使MCU出錯(cuò)，程序跑飛，甚至當(dāng)機(jī)。

　　2 EMS技術(shù)的主要研究方向

　　針對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)中干擾產(chǎn)生的原因和途徑，EMS技術(shù)主要研究方向集中于硬件的屏蔽、隔離、濾波、接地以及軟件編程等方面。

　　屏蔽主要適用于切斷通過(guò)靜電耦合、感應(yīng)耦合或交變電磁場(chǎng)耦合形成的電磁噪聲傳播途徑。分別對(duì)應(yīng)于此三種耦合可以采取靜電屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽與電磁屏蔽。屏蔽技術(shù)的研究方向主要是如金屬、磁性、復(fù)合材料等各種材料的屏蔽效能，如多層、單層、孔隙等各種結(jié)構(gòu)的屏蔽效能，各種形狀的屏蔽體的屏蔽效能以及屏蔽體的設(shè)計(jì)以及屏蔽與接地的關(guān)系等。

　　隔離是用于切斷傳導(dǎo)形式的電磁噪聲的傳播途徑。隔離技術(shù)的研究方向主要采用直交流繼電器、隔離變壓器或光電隔離器件等進(jìn)行隔離。其特點(diǎn)是可將兩部分電路的地線系統(tǒng)分割開來(lái)，切斷通過(guò)地線系統(tǒng)進(jìn)行耦合的可能性。

　　濾波是用于在頻域上切斷噪聲傳播的一種技術(shù)。濾波技術(shù)的研究方向是采用電容電感等濾波器件將不需要的一部分頻譜信號(hào)濾掉，只保留需要的信號(hào)。例如對(duì)電源濾波器，只保留工頻50Hz的電源頻率，濾除所有其它高低頻電磁噪聲。

　　接地是提供有用信號(hào)和電磁噪聲的公共通路。接地技術(shù)的研究方向是安全地、信號(hào)地、電源中線以及系統(tǒng)內(nèi)的各種地線的接地方法。主要考慮是如何正確地布置數(shù)字地模擬地、接地體的設(shè)計(jì)、地線在各種不同頻率時(shí)的阻抗等等。

　　硬件抗干擾措施是給單片機(jī)系統(tǒng)創(chuàng)造了一個(gè)基本潔凈的工作環(huán)境，但并不能保證絕對(duì)沒(méi)有雜波，因此要將編程軟件抗干擾措施加入進(jìn)去。軟件抗干擾技術(shù)是當(dāng)系統(tǒng)受干擾后，在單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部特定的程序發(fā)揮作用，使得系統(tǒng)復(fù)位正常運(yùn)行如看門狗或者是在輸入信號(hào)受干擾時(shí)通過(guò)特定的編程技巧進(jìn)行篩選后去偽存真的一種編程輔助方法如數(shù)字濾波器。此技術(shù)編程設(shè)計(jì)多樣靈活，能夠大量的節(jié)省硬件成本，調(diào)試操作起來(lái)更加方便。

　　3 EMS技術(shù)的具體應(yīng)用

　　3.1硬件EMS技術(shù)應(yīng)用

　　(1)良好的接地的方式

　　單片機(jī)控制系統(tǒng)的工作頻率較低，對(duì)其起作用的干擾頻率也大多在1MHz以下，故宜采用一點(diǎn)獨(dú)立接地，但是要注意其地線長(zhǎng)度不得超過(guò)波長(zhǎng)的1/20。一點(diǎn)接地方式有串聯(lián)一點(diǎn)接地和并聯(lián)一點(diǎn)接地兩種方式，使用串聯(lián)一點(diǎn)接地的時(shí)候?yàn)榱朔乐垢蓴_每一個(gè)支路之間地線應(yīng)盡可能縮短，并且線徑應(yīng)足夠粗，特別的電平較低的優(yōu)先安排在距電源最近的地方。相對(duì)的并聯(lián)一點(diǎn)接地會(huì)讓各支路電流在導(dǎo)線上所產(chǎn)生的壓降互不影響，不會(huì)形成干擾，效果更好。

　　(2)光電隔離

　　在輸入和輸出通道上采用光電隔離器件來(lái)進(jìn)行信息傳輸，可將單片機(jī)系統(tǒng)與各種傳感器、開關(guān)、繼電器等機(jī)構(gòu)從電氣上隔離開來(lái)，就像是plc一樣，將絕大多數(shù)的外部設(shè)備干擾都將被阻擋在外。而有用的各類數(shù)字信號(hào)利用光電耦合的方式傳輸無(wú)問(wèn)題，模擬信號(hào)則可以使用線性光耦傳輸保證質(zhì)量。

　　(3)硬件濾波

　　在需要對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行低頻信號(hào)傳送時(shí)接入一些RC低通濾波器，可大大削弱各類高頻干擾信號(hào)的作用。在單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)電源環(huán)境要求較高時(shí)，可以使用電源濾波器，只保留工頻50Hz的電源頻率，濾除所有其它高低頻電磁噪聲。

　　(4)屏蔽

　　屏蔽對(duì)于各種電磁感應(yīng)引起的干擾能起到很好的作用，用金屬殼將單片機(jī)核心系統(tǒng)包圍起來(lái)，再將金屬外殼或金屬閘接地就能將電磁干擾導(dǎo)入大地，從而去除干擾。屏蔽外殼的接地點(diǎn)要與系統(tǒng)信號(hào)參考地線點(diǎn)相接，如有從被金屬屏蔽包圍的單片機(jī)系統(tǒng)中引出信號(hào)線，應(yīng)采用屏蔽線，其屏蔽層和外殼應(yīng)在同一點(diǎn)接系統(tǒng)參考點(diǎn)。特別的參考接地點(diǎn)不同的系統(tǒng)應(yīng)分別屏蔽，不可將其共處一金屬屏蔽殼中。

　　3.2軟件EMS技術(shù)應(yīng)用

　　(1)數(shù)字濾波器。采取軟件的方法對(duì)疊加在模擬輸入信號(hào)上的噪聲進(jìn)行抑制，以讀取真正有用的信息。以下為幾種常用濾波方式a.程序判斷濾波b.中值濾波c.算術(shù)平均濾波d.去極值平均濾波e.加權(quán)平均濾波f.滑動(dòng)平均濾波

　　(2)軟件攔截技術(shù)。在程序受到干擾"跑飛"的情況下，采取措施使程序回到正常的軌道上來(lái)，常見的抗干擾技術(shù)有：軟件攔截技術(shù)(軟件陷阱等)常采用a.NOP指令使用b.未使用的中斷區(qū)陷阱c.未使用的EPROM空間陷阱d.程序區(qū)陷阱

　　(3)程序運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)(watchdog)當(dāng)程序彈飛進(jìn)入一個(gè)死循環(huán)時(shí)，冗余指令和軟件陷阱都無(wú)能為力，系統(tǒng)將完全癱瘓。為此程序中應(yīng)設(shè)一個(gè)運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)(watchdog)，應(yīng)具有以下特征：a.本身能獨(dú)立工作，基本上不依賴MCU。b.MCU在一段固定的時(shí)間內(nèi)和該系統(tǒng)打一次交道，表明目前正常。c.當(dāng)MCU進(jìn)入死循環(huán)時(shí)，能及時(shí)發(fā)覺(jué)并使系統(tǒng)復(fù)位。

　　其他抗干擾措施

　　斷路或雷電瞬變過(guò)壓引起的單極性浪涌，也是保護(hù)器電磁兼容設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。在電源線的火線和零線間加入氧化鋅壓敏電阻，當(dāng)加在壓敏電阻兩端的電壓低于標(biāo)稱電壓時(shí)，其電阻幾乎無(wú)窮大，稍超過(guò)額定值后，電阻值便急劇下降，反應(yīng)時(shí)間為ns級(jí)。壓敏電阻可以使浪涌干擾大幅衰減，減小對(duì)其他電路的影響。

　　在設(shè)計(jì)剩余電流保護(hù)器PCB板時(shí)，綜合考慮各種可能影響保護(hù)器性能的因素，提高PCB對(duì)干擾的抑制能力。強(qiáng)電電路集中線路板邊緣一端，并與弱電部分保持適當(dāng)距離。模擬信號(hào)處理電路和數(shù)字處理電路分離，由于采用單片機(jī)內(nèi)部的A/D，兩者不能做到完全分離，布線時(shí)使模擬地和數(shù)字地只在一點(diǎn)共地。系統(tǒng)電源線和地線加粗，空白的地方覆銅，采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，作為數(shù)字地的一部分，減小模擬信號(hào)對(duì)數(shù)字處理電路的干擾。單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘電路盡可能靠近芯片引腳，并與其他器件和 PCB走線保持適當(dāng)空間，減少高頻輻射對(duì)系統(tǒng)的影響。

　　總結(jié)

　　由于采取的硬件、軟件措施正確有效，該保護(hù)器順利通過(guò)了產(chǎn)品型式試驗(yàn)，取得3C認(rèn)證，運(yùn)行可靠，沒(méi)有出現(xiàn)誤動(dòng)作。采用單片機(jī)的中斷，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電源干擾，繼而監(jiān)測(cè)交流信號(hào)的采樣過(guò)程。實(shí)踐證明，通過(guò)軟件和硬件的配合，是消除交流采樣系統(tǒng)高頻干擾的有效方法。