STWD100xP系统硬件抗电磁干扰技术的应用

1 嵌入式系统EMC的产生

嵌入式系统产生电磁干扰的大小和抗电磁干扰的能力同系统本身功能有很大关系，不同嵌入式系统产生的电磁干扰不同抗电磁干扰能力也不同。

1.1 高次谐波干扰

根据Fourier series任何一个周期信号S(t)并非单一波形，都由直流分量、基波和各次谐波组成，谐波频率十分丰富，周期信号S(t)可以用式(1)表示：

直流成分，当n=1时表示信号基波，n=2，3，4，…表示信号2，3，4，…各次谐波，其中基波是该信号主要组成成份，很多时候信号的特性呈现为基波特性。例如在电源系统中交流信号为S(t)=380sin 2π50t表示市电信号存在n=1的基波，信号在基波附近谐波频率不断增加、幅度迅速衰减，从理论上说正弦和余弦信号频谱只存在一点冲击信号。正弦信号本身所产生的谐波较小而其他电磁干扰参杂在正弦信号中造成系统谐波很大。系统对信号的基波要加以利用，对信号的谐波要加以抑制、滤除。正弦信号本身对外来干扰信号的抑制能力较差容易出现EMC，严重干扰系统工作，影响系统稳定性。

1.2 嵌入式系统主频过高，引起干扰

随着电子技术的发展，CPU处理速度越来越快，数据吞吐量越来越大，主频越来越高。8位51单片机系统主频为12MHz，16位凌阳单片机系统主频为50MHz，Altera公司Cyclone系列FPGA芯片系统主频可达200MHz，以Inter PAX255，PAX270，PAX310为核心的嵌入式系统主频可达820MHz，CPU主频过高信号变化速率过快，信号幅度大的地方容易引起干扰。根据Fourier Series和Euler Formula，方波信号频谱为Sine信号，Sine信号为连续信号其本身谐波很大，容易造成系统工作不稳定。 [p]

2 嵌入式系统硬件抗EMC技术

嵌入式系统工作不稳定、不可靠因素有很多，干扰可以来自系统本身也可以来自本系统外其他系统，关于系统干扰靠软件处理能起一定作用，但仅靠软件没有硬件的局面难以支撑，系统抗干扰问题始终难以解决。在可编程系统中为了增加系统稳定性和可靠性，减小系统CPU开支，常用以下方法：

2.1 抑制电源谐波干扰

在可编程电子系统中，能够解决好电源干扰问题就解决整个系统干扰的一大半，很多干扰都是从电源中出来，电源干扰过大会造成系统不稳定。单纯正弦信号不会有干扰，关键正弦信号处于干扰很大的环境中，这时正弦信号就会附加干扰。例如：电源线过长在电源线上就会产生寄生干扰，可以在电源线上加上小磁珠或磁环滤波，要求不高的情况下可以加100Ω电阻对干扰信号进行衰减，使干扰信号对系统不起作用。对开关电源来说，主要是振荡器振荡频率过高引起谐波，不仅影响电源而且会影响整个系统，开关电源效率较高很多地方都采用，但在要求比较高的系统中仍然采用线性电源。

2.2 CPU选择能够满足系统要求的最低主频

CPU主频过高系统时钟加快，系统时钟产生的方波频率升高，由方波带来的谐波随之增加。从Fourier Series和Euler Formula得单一方波比正弦波的谐波幅度大得多，谐波频率复杂得多，由此系统主频越高产生的谐波越复杂，影响系统工作的稳定性。但随着电子技术的发展，CPU主频越来越高，电子系统越来越复杂，功能不断增加，集成度不断提高，但对于CPU来说无论哪方面使用，系统主频够用即可。

2.3 减小信号在传输过程中的衰减、畸变和反射

现代集成电路制造主要采用CMOS技术，输入阻抗大、输出阻抗小，抗干扰能力强，适合小信号放大。CMOS集成电路输入电流大约为1 mA，信号在电路板上延时Td与电路板引线阻抗有关，阻抗越大信号衰减越大、信号延时越长、系统发热越大，系统稳定性越差。在高速系统设计过程中要考虑PCB信号传输延时Td，使信号人为延时Tr大于信号传输延时。

2.4 注意PCB布线和元器件高频特性

PCB布线最大原则是元器件之间引线尽量短、信号线交叉尽量少，尽量不用或少用过孔。模拟地、数字地、高频地分开走线，然后汇聚成一点，大功率器件、小功率器件和干扰信号特别大的器件在布局时要分开。对干扰信号特别敏感的高频元器件可以用金属罩屏蔽起来，避免电磁干扰。

2.5 退耦电容的使用

一般在系统集成电路供电引脚旁都要放置去耦陶瓷电容到地，滤除电源在传输过程中所产生的寄生干扰。去耦电容选取并不严格，一般来说都是可按f=1/C来选取，对于CPU控制系统来说滤除10～100 MHz电源信号寄生干扰，电容取0.01～0.1μF陶瓷电容，系统要求较高的高速电路中可以在集成电路电源端到地用一个1～10μF的电解电容，滤除电源1～10GHz的谐波干扰。 [p]

3 嵌入式系统软件抗EMC技术

为了增强嵌入式系统工作的稳定性和可靠性，嵌入式系统除硬件抗干扰外，可以在软件上采用一定的技巧抗干扰，使系统工作更加稳定可靠。

3.1 信息冗余技术

为了防止干扰，系统对重要数据或文件复制到多个存储单元，当一个存储单元数据损坏后立即启动备用存储单元使数据恢复。

3.2 时间冗余技术

为了增强系统可靠性，对于重要区域重复执行，将第1次与第2次的执行结果相比较如相同则认为正确，如不同第1次或第2次执行有问题或两次都有问题，程序再执行第3次、第4次，如果有1次相同则认为正确。

3.3 自动检测与诊断技术

自动检测包括嵌入式系统RAM的检测、ROM的检测、标志位的检测等，对RAM的检测在开机时可以在RAM存储区内开辟几个单元，向RAM存储单元写入不同的数值例如55H、AAH、EEH等，在执行程序时读出这些存储单元的值是否开机放置的数值相等，判断程序执行的正确性。ROM用来放程序或表格数值，对ROM区域二进制数0和1的个数检测系统程序执行的正确性。在程序的执行过程中RAM区域数据结果不同，对标志位产生影响不同，例如51单片机中PSW，当两个数据相加出现进位时PSW中第位7位CY由硬件置，用户可以查询PSW中第7位判断程序执行的正确性。

3.4 软件陷阱技术

软件陷阱技术指嵌入式系统中程序存储器不一定用完，如因干扰嵌入式系统程序计数器PC值错误，程序将会跳到没用到的存储空间，导致系统出错或程序跑飞，软件陷阱就是在这些没有用到的程序存储器中放入空指令和无条件跳转指令，当程序跑飞跑到空程序存储器中，嵌入式系统则认为系统受到干扰程序执行出错，系统自动复位。

4 结语

在有交流接触器、继电器、电机控制的程控喷泉控制系统中，加STWD100硬件看门狗，系统连续开关50次运行正常；连续工作12 h并不间断外加电机、焊机干扰，系统无死机、程序跑飞等异常情况出现，工作稳定可靠，解决了由继电器、交流接触器等器件动作时带来的干扰，引起CPU误动和死机等不稳定现象。在实际中应注意掌握好喂狗时间间隔，一般在1～2ms效果最佳。STWD100硬件看门狗在不占用CPU资源的情况下，系统工作稳定度和可靠性提高到100%，可广泛用于继电器、接触器等具有较强干扰控制系统。