1、嵌入式系統的EMC綜述0 引言 嵌入式控制系統在整個系統中常處于界面和指揮中心的位置，它若不能可靠運行，不僅使操作人員無所適從，而且從功能上將使系統處于癱瘓的狀態。嵌入式控制系統的電磁兼容性設計，主要研究如何使處于同一電磁環境下的各設備能正常工作而又不互相干擾，達到一種“兼容”狀態，簡稱EMC。EMC(Electromagnetic Cmptibility)電磁兼容是一門多學科交叉的邊緣性學科。電磁兼容技術已在很多領域中得到廣泛的應用，在嵌人式應用中也越來越受到重視。任何電子設備在運行時會向周圍發射電磁能量，可能會對其他設備產生干擾。同時設備本身也可能受到周圍電磁環境的干擾，電磁兼容研究的主要

2、問題就是如何使處于同一電磁環境中的各種設備或同一設備中的各組件都能正常工作而又互不干擾1。嵌入式系統作為以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件硬件可裁剪，功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統，近年來得到了高速發展，在消費類電子、醫療、工業自動化、智能化儀器儀表、航空航天等領域中得到了廣泛應用2-3，電磁兼容技術在嵌入式應用中越來越受到重視。1 嵌入式系統中電磁干擾的來源和傳播我們說系統是電磁兼容的，一般指系統符合三個條件:對其它系統不產生干擾、對其它系統的發射不敏感以及對系統本身不產生干擾。從系統本身來說，隨著技術的發展，高性能嵌入式系統運行頻率超過了100 MHz，并且采用

3、新工藝提高系統速度，擴展功能接口，高性能也帶來了高頻環境，使系統干擾問題逐漸突出。從外部環境來講，由于電子技術的廣泛應用，電子設備密度升高，電磁環境惡化，系統的電磁干擾與抗干擾問題日益突出。嵌入式系統中的電磁干擾主要是通過導體和輻射來傳播，通常稱為傳導干擾和場干擾。很多電磁發射源，如光照、繼電器、DC電機和日光燈都可引起干擾；AC電源線、互連電纜、金屬電纜和子系統的內部電路也都可能產生輻射或接收到不希望的信號。嵌入式系統電磁兼容性研究的就是要消除或減小各種干擾，使之不影響系統正常工作。2 嵌入式控制系統的特點和EMC設計方法2.1 特點嵌入式控制系統常包含各種數字電路、模擬電路和接口轉換電路，

4、它們都是對干擾和靜電敏感的元器件。嵌入式控制系統一般都要通過輸入/輸出通道和其它單元相聯，而各單元接口信號各具特點，若接口電路和輸入/輸出電路設計不合理將產生或引入干擾。嵌入式控制系統是復雜的邏輯運算系統，干擾一旦進入，即使只影響了一個比特，也有可能導致系統發生嚴重故障。但同時程序的存在，又使得軟件抗干擾設計成為可能。嵌入式控制系統越來越朝著高工作主頻、高集成度方向發展，因此印制板設計、傳輸線設計等結構方面問題顯得更為重要。2.2 解決嵌入式系統電磁兼容性的一些方法嵌入式系統的電磁兼容性研究的問題可以分兩個方面：如何解決現有嵌入式系統存在的電磁兼容性問題和如何開發符合電磁兼容要求的新系統。對于

5、現有系統來說，要解決電磁兼容性問題，限制多、難度大，問題嚴重時往往無法改進而只能重新設計，更換系統。因此嵌入式系統電磁兼容性研究的主要問題就是如何開發符合電磁兼容要求的新系統。目前在開發系統方面有不少技術成果，這些成果可以分硬件和軟件兩個方面。硬件方面有設計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計技巧。2.2.1 硬件設計的一些原則和技巧從總體上有結構設計原則、隔離技術、接地技術等，從某些部件上有供電系統的抗干擾設計技術和印刷電路板設計技術等。結構設計和隔離技術主要是保證大功率和信號器件不互相影響。接地技術包括接地點的選擇、電路組合接地的設計和抑制接地干擾措施的

6、合理應用等，對各種干擾的影響很大。供電系統的抗干擾設計技術主要是采用各種穩壓、變壓、濾波技術提高穩定可靠性。印刷電路板設計主要有元器件及引線布置、多層板設計等。這其中接地和電路板設計相對復雜，出現問題也較多，特別是電路板設計，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保險絲等。輔助電路主要有時鐘監控電路、“看門狗”電路、電壓復位電路、反電勢抑制電路等。這其中自恢復保險絲、時鐘監控電路“、看門狗”電路、電壓復位電路等有一定的局限性，這些主要是通過中斷或復位來避開電磁干擾的影響。但當系統要求穩定，不能中斷或復位時，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高頻時鐘信號的影響，有時會造成程序“亂飛”，導致系統不穩定、出錯甚至死機。對此，在軟件編程中可以采取一些技巧來抑制這種現象，較常用的有指令冗余和軟件陷阱。指令冗余技術包括盡量多用單字節指令，并在多字節指令之后插入適當字節NOP，以及重寫對于程序流向起決定作用的指令和某些對系統工作狀態有重要作用的指令。軟件陷阱技術主要就是用引導指令強行將捕獲到的“亂飛”程序引向某處進行處理，使程序納入正軌。軟件技巧的采用可以使系統相對強壯，能消除部分干擾的影響。3 嵌入式系統電磁兼容性的研究方向及國內外研究情況3.1 嵌入式系統電磁兼容性的研究方向對于嵌入式系統開

8、發來說，以上一些方法的運用對加強系統電磁兼容性能起到很大的作用。但由于嵌入式系統本身復雜，所處環境多變，對開發者來說，設計考慮問題多、難度大，很難保證全面周到，并且如何檢驗設計也是一個較難解決的問題。目前以我們的技術手段來講，對設計的把關主要是對樣品進行試驗，但試驗設備昂貴，試驗難度大、周期長。嵌入式系統電磁兼容性的這些難題，其實也是電磁兼容研究領域的一大課題，即電磁兼容的計算機輔助分析。對于任何綜合電子系統，由于復雜性和經濟性等原因，采用試驗的方法來處理系統的電磁兼容問題往往很難實現，而軟件的方法則能比較好地解決一些問題。對于嵌入式系統來說，必須大力發展建模仿真以及開發相應軟件等方法，實現嵌

9、入式系統電磁兼容性的設計、預測、評估等方面的計算機輔助分析，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的發展興起于上世紀80年代4，而早在上世紀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算機輔助分析，并于60年代末期首先開展研究，7、80年代得到了迅速發展5。同時美國已經逐步形成了完備的電磁兼容理論和標準體系，積累了大量的元器件、電路、設備的電磁特性數據，電磁兼容性的計算機輔助分析技術很快發展到了實際應用階段，目前很多企業都推出了所在領域的電磁兼容性分析預測軟件6。得益于

10、電磁兼容性研究的早起步，以原綜合電子系統的電磁兼容體系、標準、數據及技術為基礎，嵌入式系統作為一類綜合電子系統，在應用日漸廣泛而單獨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算機輔助分析階段，目前是朝著更精確更完善的建模仿真的方向發展。3.3 國內研究情況我國電磁兼容方面的研究起步較晚，與嵌入式系統的廣泛采用沒有什么時間差距，基本上是同時起始于20世紀90年代，因此嵌入式系統的電磁兼容性研究只能是從理論、標準、基本電磁特性開始。目前國內進行嵌入式系統電磁兼容性的研究主要有兩個方面，一是設計和防護的改進，二是電磁特性的研究。在設計和防護的改進方面，大多數立足于自身領域所應用的嵌入式

11、系統進行研究，針對性較強。目前研究成果較多的有衛星、飛機、導彈等方面，還有一部分立足于嵌入式系統的設計開發進行研究，總結了一些經驗技巧，具有很好的參考價值。在電磁特性的研究上，目前成果不多，只有少數團體以一定試驗條件為基礎，研究了特定環境下某些嵌入式系統的電磁特性，如強靜電放電、核電磁脈沖等環境下單片機的效應研究等，積累了一些有價值的試驗數據。可以說，我國在嵌入式系統的電磁兼容性研究方面系統不完善，處于分析試驗和積累數據的基礎階段。4 結束語隨著嵌入式系統電磁兼容性重要性日趨凸顯，目前我們的技術手段還有很大的局限性。要大力發展嵌入式系統電磁兼容性計算機輔助分析技術，首先需要較完善的電磁兼容性數

12、據庫的支持。雖然目前各方面的研究，不管是設計防護技術還是電磁特性研究成果數據，都可以看成是電磁兼容數據庫的基礎。但以目前這種各團隊小范圍研究的方式來說，很難實現跨越式發展。嵌入式系統電磁兼容性需要走上產業化道路，多領域合作，迅速構建通用性的基礎數據庫平臺，開發通用的數學仿真模型及軟件模塊等。這樣，才能實現計算機輔助分析，才能符合經濟性要求，從源頭設計上解決各領域的嵌入式系統電磁兼容性問題。5 參考文獻1 王定華,趙家升.電磁兼容原理與設計M.成都:電子科技大學出版社,1995. 2 周青云,王建勛.嵌入式系統的應用于發展J.工業儀表與自動化裝置，2008，(3)：l 6-20.3 劉麗娜.嵌入式系統綜述J.科技創新導報,2009,(11):22.4 劉利民.嵌入式系統的硬件體系和發展J.理工科研，2009，(7)：275-2765 Tesche Frederick M, Ianoz Michel V. EMC analysis metho