1、嵌入式系统的 EMC 综述0 引言 嵌入式控制系统在整个系统中常处于界面和指挥中心的位置，它若不能可靠运行，不仅使操作人员无所适从，而且从功能上将使系统处于瘫痪的状态。嵌入式控制系统的电磁兼容性设计，主要研究如何使处于同一电磁环境下的各设备能正常工作而又不互相干扰，达到一种“兼容”状态，简称 EMC。EMC(Electromagnetic Cmptibility)电磁兼容是一门多学科交叉的边缘性学科。电磁兼容技术已在很多领域中得到广泛的应用，在嵌人式应用中也越来越受到重视。任何电子设备在运行时会向周围发射电磁能量，可能会对其他设备产生干扰。同时设备本身也可能受到周围电磁环境的干扰，电磁兼容研究
2、的主要问题就是如何使处于同一电磁环境中的各种设备或同一设备中的各组件都能正常工作而又互不干扰 1。嵌入式系统作为以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统，近年来得到了高速发展，在消费类电子、医疗、工业自动化、智能化仪器仪表、航空航天等领域中得到了广泛应用 2-3，电磁兼容技术在嵌入式应用中越来越受到重视。1 嵌入式系统中电磁干扰的来源和传播我们说系统是电磁兼容的，一般指系统符合三个条件:对其它系统不产生干扰、对其它系统的发射不敏感以及对系统本身不产生干扰。从系统本身来说，随着技术的发展，高性能嵌入式系统运行频率超过了 100 MH
3、z，并且采用新工艺提高系统速度，扩展功能接口，高性能也带来了高频环境，使系统干扰问题逐渐突出。从外部环境来讲，由于电子技术的广泛应用，电子设备密度升高，电磁环境恶化，系统的电磁干扰与抗干扰问题日益突出。嵌入式系统中的电磁干扰主要是通过导体和辐射来传播，通常称为传导干扰和场干扰。很多电磁发射源，如光照、继电器、DC 电机和日光灯都可引起干扰；AC 电源线、互连电缆、金属电缆和子系统的内部电路也都可能产生辐射或接收到不希望的信号。嵌入式系统电磁兼容性研究的就是要消除或减小各种干扰，使之不影响系统正常工作。2 嵌入式控制系统的特点和 EMC 设计方法2.1 特点嵌入式控制系统常包含各种数字电路、模拟
4、电路和接口转换电路，它们都是对干扰和静电敏感的元器件。嵌入式控制系统一般都要通过输入/输出通道和其它单元相联，而各单元接口信号各具特点，若接口电路和输入/输出电路设计不合理将产生或引入干扰。嵌入式控制系统是复杂的逻辑运算系统，干扰一旦进入，即使只影响了一个比特，也有可能导致系统发生严重故障。但同时程序的存在，又使得软件抗干扰设计成为可能。嵌入式控制系统越来越朝着高工作主频、高集成度方向发展，因此印制板设计、传输线设计等结构方面问题显得更为重要。2.2 解决嵌入式系统电磁兼容性的一些方法嵌入式系统的电磁兼容性研究的问题可以分两个方面：如何解决现有嵌入式系统存在的电磁兼容性问题和如何开发符合电磁兼
5、容要求的新系统。对于现有系统来说，要解决电磁兼容性问题，限制多、难度大，问题严重时往往无法改进而只能重新设计，更换系统。因此嵌入式系统电磁兼容性研究的主要问题就是如何开发符合电磁兼容要求的新系统。目前在开发系统方面有不少技术成果，这些成果可以分硬件和软件两个方面。硬件方面有设计上的一些原则技巧和采用一些抗干扰器件以及辅助电路等，软件方面主要就是设计技巧。2.2.1 硬件设计的一些原则和技巧从总体上有结构设计原则、隔离技术、接地技术等，从某些部件上有供电系统的抗干扰设计技术和印刷电路板设计技术等。结构设计和隔离技术主要是保证大功率和信号器件不互相影响。接地技术包括接地点的选择、电路组合接地的设计
6、和抑制接地干扰措施的合理应用等，对各种干扰的影响很大。供电系统的抗干扰设计技术主要是采用各种稳压、变压、滤波技术提高稳定可靠性。印刷电路板设计主要有元器件及引线布置、多层板设计等。这其中接地和电路板设计相对复杂，出现问题也较多，特别是电路板设计，还有较大的研究空间。2.2.2 常用的抗干扰器件及辅助电路抗干扰器件有去耦电容、磁性元件、瞬变干扰吸收器件和自恢复保险丝等。辅助电路主要有时钟监控电路、 “看门狗”电路、电压复位电路、反电势抑制电路等。这其中自恢复保险丝、时钟监控电路“、看门狗”电路、电压复位电路等有一定的局限性，这些主要是通过中断或复位来避开电磁干扰的影响。但当系统要求稳定，不能中断
7、或复位时，这些元器件或电路就失去意义了。2.2.3 软件技巧电磁干扰对高频时钟信号的影响，有时会造成程序“乱飞” ，导致系统不稳定、出错甚至死机。对此，在软件编程中可以采取一些技巧来抑制这种现象，较常用的有指令冗余和软件陷阱。指令冗余技术包括尽量多用单字节指令，并在多字节指令之后插入适当字节 NOP，以及重写对于程序流向起决定作用的指令和某些对系统工作状态有重要作用的指令。软件陷阱技术主要就是用引导指令强行将捕获到的“乱飞”程序引向某处进行处理，使程序纳入正轨。软件技巧的采用可以使系统相对强壮，能消除部分干扰的影响。3 嵌入式系统电磁兼容性的研究方向及国内外研究情况3.1 嵌入式系统电磁兼容性
8、的研究方向对于嵌入式系统开发来说，以上一些方法的运用对加强系统电磁兼容性能起到很大的作用。但由于嵌入式系统本身复杂，所处环境多变，对开发者来说，设计考虑问题多、难度大，很难保证全面周到，并且如何检验设计也是一个较难解决的问题。目前以我们的技术手段来讲，对设计的把关主要是对样品进行试验，但试验设备昂贵，试验难度大、周期长。嵌入式系统电磁兼容性的这些难题，其实也是电磁兼容研究领域的一大课题，即电磁兼容的计算机辅助分析。对于任何综合电子系统，由于复杂性和经济性等原因，采用试验的方法来处理系统的电磁兼容问题往往很难实现，而软件的方法则能比较好地解决一些问题。对于嵌入式系统来说，必须大力发展建模仿真以及
9、开发相应软件等方法，实现嵌入式系统电磁兼容性的设计、预测、评估等方面的计算机辅助分析，才能较好地处理电磁兼容性的一些问题。3.2 国外研究情况嵌入式系统的发展兴起于上世纪 80 年代 4，而早在上世纪 50 年代起，美国就开始了电磁兼容性的研究。在 1968 年，约翰逊（W.R.Johnson ）和托马斯（A.K.Thomas ）就提出了电磁兼容性的计算机辅助分析，并于 60 年代末期首先开展研究，7、80 年代得到了迅速发展 5。同时美国已经逐步形成了完备的电磁兼容理论和标准体系，积累了大量的元器件、电路、设备的电磁特性数据，电磁兼容性的计算机辅助分析技术很快发展到了实际应用阶段，目前很多企
10、业都推出了所在领域的电磁兼容性分析预测软件 6。得益于电磁兼容性研究的早起步，以原综合电子系统的电磁兼容体系、标准、数据及技术为基础，嵌入式系统作为一类综合电子系统，在应用日渐广泛而单独提出其电磁干扰问题后，其电磁兼容性方面可以说直接跳入了计算机辅助分析阶段，目前是朝着更精确更完善的建模仿真的方向发展。3.3 国内研究情况我国电磁兼容方面的研究起步较晚，与嵌入式系统的广泛采用没有什么时间差距，基本上是同时起始于 20 世纪 90 年代，因此嵌入式系统的电磁兼容性研究只能是从理论、标准、基本电磁特性开始。目前国内进行嵌入式系统电磁兼容性的研究主要有两个方面，一是设计和防护的改进，二是电磁特性的研
11、究。在设计和防护的改进方面，大多数立足于自身领域所应用的嵌入式系统进行研究，针对性较强。目前研究成果较多的有卫星、飞机、导弹等方面，还有一部分立足于嵌入式系统的设计开发进行研究，总结了一些经验技巧，具有很好的参考价值。在电磁特性的研究上，目前成果不多，只有少数团体以一定试验条件为基础，研究了特定环境下某些嵌入式系统的电磁特性，如强静电放电、核电磁脉冲等环境下单片机的效应研究等，积累了一些有价值的试验数据。可以说，我国在嵌入式系统的电磁兼容性研究方面系统不完善，处于分析试验和积累数据的基础阶段。4 结束语随着嵌入式系统电磁兼容性重要性日趋凸显，目前我们的技术手段还有很大的局限性。要大力发展嵌入式
12、系统电磁兼容性计算机辅助分析技术，首先需要较完善的电磁兼容性数据库的支持。虽然目前各方面的研究，不管是设计防护技术还是电磁特性研究成果数据，都可以看成是电磁兼容数据库的基础。但以目前这种各团队小范围研究的方式来说，很难实现跨越式发展。嵌入式系统电磁兼容性需要走上产业化道路，多领域合作，迅速构建通用性的基础数据库平台，开发通用的数学仿真模型及软件模块等。这样，才能实现计算机辅助分析，才能符合经济性要求，从源头设计上解决各领域的嵌入式系统电磁兼容性问题。5 参考文献1 王定华,赵家升 .电磁兼容原理与设计M.成都:电子科技大学出版社,1995. 2 周青云,王建勋.嵌入式系统的应用于发展J.工业仪
13、表与自动化装置，2008，(3) ：l 6-20.3 刘丽娜.嵌入式系统综述J.科技创新导报,2009,(11):22.4 刘利民.嵌入式系统的硬件体系和发展J.理工科研，2009，(7)：275-2765 Tesche Frederick M, Ianoz Michel V. EMC analysis methods and computational modelsR. John Wiley & Sons INC, 1997.6 Terry Foreman. Antenna coupling model for radar electromagnetic compatibility analysisJ. IEEE TRANSACTION ON EMC, 1989, 31(1):85-87.
