用现场电磁兼容性理论剖析单片机系统设计解析方案

单片机系统在军事、工业、民用产品中的应用越来越广。它将许多以往用硬件实现的功能由软件来完成，体积小巧、功能丰富、智能化程序度，但在可靠性方面也面临许多新问题。用现场电磁兼容性(EMC)理论剖析单片机系统设计中的某些传统观念，会发现许多误区，并且有些误区至今还在工程界广为存在。

1 误区之一：有了看门狗就不会死机

死机是指CPU的程序指针进入一个死循环，无法执行正常的程序流程。其外在表现常常是：正常功能丧失，按键无响应，显示凝固。单片机死机后，只有复全才能走出死循环，执行正常的程序流程。众所属知，克服死机的最有效手段是加看门狗(WatchDog)。

目前用得最广泛的看门狗实际上是一个特殊的定时器DogTimer。DogTimer按固定速率计时，计满预定时间就发出溢出脉冲使单片机复位。如果每次在 DogTimer溢出前强行让DogTimer清零，就不会发出溢出脉冲。清零脉冲由CPU发出，在单片机程序中每隔一段语句放一个清DogTimer的语句——FeedDog语句，以保证程序正常运行时DogTimer不会溢出。一旦程序进入一个不含FeedDog语句的死循环，DogTimer将溢出，导致单片机复位，跳出这个死循环。本文称这种看门狗为典型看门狗，典型看门狗已被集成比，如MAX706、MAX791等[1];还有许多单片机本身集成了这种看门狗，如PIC16C57、MC68HC705等，具体电路可参阅这些芯片的技术资料[2]。

有一个错误观点：加了看门狗，单片机就不会死机。实际上，看门狗有时间会完全失效。当程序进入某个死循环，而这个死循环中又包含FeedDog语句，这时 DogTimer始终不会溢出，单片机始终得不到复位信号，程序也就始终跳不出这个死循环。针对这一弊端，笔者设计了双对限看门狗和定时复位看门狗。

双时限看门狗有两个定时器;一个为短定时器，一个为长定时器。短定时器定时为T1，长定时器定时为 T2，0

这样，当程序进入某个死循环，如果这个死循环包含短定时器FeedDog语句而不包含长定时器 FeedDog语句，那么长定时顺终将溢出，使单片机复位。巧妙安排长定时器FeedDog语句的位置，可保证出现死机的概率根低。在水轮发电机组微机控制装置中的对比应用证明了这一点[3]。

目前几乎所有的看门狗都是依赖于CPU(依赖于CPU FeedDog)。这可以比作：一个保险设备能否起到保险作用还依赖于被它保护的对象的行为。显然，依赖于CPU的看门狗是不能保证单片机在分之百不死机的。

在绝对不允许死机的装置中，笔者设计了一种完全不依赖于CPU的看门狗——定时复位看门狗。定时复位看门狗的主体也是一个定时器，到预定时间就发出溢出脉冲，此溢出脉冲使单片机强行复位。定时复位看门狗不需要CPU FeedDog。

简言之，定时复位看门狗就是定时地让单片机强行复位。这样，即使装置死机，其最大死机时间也不会大于定时器定时时间。显然，只要硬件完好，这种看门狗百分之百地保证了单片机不会长时间死机。在智能电表(包括IC卡电能表、复费率电能表、多功能电能表 [4])中采用了定时复位看门狗，每1秒让CPU强行复位，迄今数十万电表运行了近五年，无一例死机报告。

必须指出，采用这种看门狗，CPU的编程要适应定时复位的环境，保证定时复位不打断那些不能打断的程序，不造成任何误动作。

2 误区之二：加电源滤波器能提高EMC性能

在单片机系统中，为了抑制电磁干扰(EMI)，常常在交流电源进线与电源变压器之间加电磁滤波器。常用电源滤波器如图1。

图1都是双II型LC滤波器，其中C0专用于旁路差模干扰。两者的不同之处在于：图1(b)两个电容接大地。设电感的电阻为R，它们的隔频特性分别是：

当R很小时，上述两个滤波器的谐振频率分别为：

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可见，它们的幅频特性相似，谐振频率不同。从滤波效果来看，两者对于降低来自交流电的差模干扰效果差不多，但是后者对于降低共模干扰效果更好。不过同，对于采用浮地方式的装置，由于电容不可能直正接到大地，所以只能用者。

设计滤波器时必须注意让谐振频率远小于干扰频率，处理不好不仅不能衰减干扰，反而放大干扰。以图 1(a)的双II型滤波器为例，如果取L=1mh，R= 1Ω，C=0.47μF(这是许多资料推荐的参数)，可计算出f0=5.2kHz。而EMC测试中的快速脉冲群频率是5.0kHz(2kV)或 2.5kHz(4kV);5.0kHz刚好谐振，2.5kHz也不会被衰减，如图2虚线的示。可见，不是所有的电源滤波器都能提高EMC性能。工程中，许多装置尽管采用了成本不菲的滤波器，但EMC测试仍难过程，原因大多在此。

实际上，如果取L=30mh，R=5Ω，C=0.47μF，可计算出f0=0.95kHz，5.0kHz脉冲群幅值减为3.73%，2.5kHz脉冲群幅值衰减为16.78%。这时，电源滤波器确实提高了系统的EMC性能。图2实线是相庆的幅频特性。

3 误区之三：光偶器件隔离干扰很彻底

光偶器件是最常用的隔离干扰器件。例如现场的开关量引到测控装置后都要加光隔，以切断来自现场的传导干扰;RS485通讯口经光隔再与外部通讯线连接，防止来自外部通讯线的传导干扰。

有不少人认为：光偶器件隔离干扰很彻底，用了光偶隔离干扰就过不去了。其实，光电隔离并非万全之策。

首先，光偶器件本身只能隔离传导干扰，它隔离不断幅射、感应干扰。幅射来自空间，感应来自相邻的导体。最常见的败笔是：设计PCB时将光偶器件的输入和输出电路布在了一起，这时干扰从光偶器件是过不去了，但却很容易输入电路感应到输出电路。

其次，光偶器件隔离传导干扰的能力也只有1kV左右，1kV以上的干扰或浪涌一般是力所不的及的。比如EMC的快速脉冲群测试，施加的干扰信号幅值是2kV、4kV、8kV，光偶器件是无法隔离的。

4 误区之四：PCB布线要横平竖直

提起PCB布线，许多工程技术人员都知道一个传统的经验：正面横向走线、反面纵向走线，横平竖直，既美观又短捷;还有个传统经验是：只要空间允许，走线越粗越好。可以明确地说，这些经验在注重EMC的今天已经过时。

要使单片机系统有良好的EMC性能，PCB设计十分关键。一个具有良好的EMC性能的PCB，必须按高频电路来设计——这是反传统的。单片机系统按高频电路来设计PCB的理由在于：尽管单片机系统大部分电路的工作频率并不高，但是EMI的频率是高的，EMC测试的模拟干扰频率也是高的[5]。要有效抑制 EMI，顺利通过EMC测试，PCB的设计必须考虑高频电路的特点。PCB按高频电路设计的要点是：

(1)要有良好的地线层。良好的地线层处处等电位，不会产生共模电阻偶合，也不会经地线形成环流产生天线效应;良好的地线层能使EMI以最短的路径进入地线而消失。建立良好的地线层最好的方法是采用多层板，一层专门用作线地层;如果只能用双面板，应当尽量从正面走线，反面用作地线层，不得已才从反面过线。

(2)保持足够的距离。对于可能出现有害耦合或幅射的两根线或两组或要保持足够的距离，如滤波器的输入与输出、光偶的输入与输出、交流电源线与弱信号线等。

(3)长线加低通滤波器。走线尽量短捷，不得已走的长线应当在合理的位置插入C、RC或LC低通滤波器。

(4)除了地线，能用细线的不要用粗线。因为PCB上的每一根走线既是有用信号的载体，又是接收幅射干扰的干线，走线越长、越粗，天线效应越强。

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5 误区之五：IC芯片的封装形式不影响性能

众所周知，IC芯片的封装贴片式和双列直插式之分。一般认为：贴片式和双列直插式的区别主要是体积不同和焊接方法不同，对系统性能影响不大。其实不然。

前面说到，PCB上每一根走线都存在天线效应。现在要说，PCB上的每一个元件也存在天线效应，元件的导电部分越大，天线效应越强。所以，同一型号芯片，封装尺寸小的比封装尺寸大的天线效应弱。这就解释了许多工程师已经注意到的一个现象：同一装置，采用贴片元件比采用双列直插元件更易通过EMC测试。

此外，天线效应还跟每个芯片的工作电流环路有关。要削弱天线效应，除了减小封装尺寸，还应尽量减小工作电流环路尺寸、降低工作频率和di/dt。留意最新型号的IC芯片(尤其是单片)的管脚布局会发现：它们大多抛弃了传统方式——左下角为GND右上角为 VCC，而将VCC和GND安排在相邻位置，就是为了减小工作电流环路尺寸。

实际上，不仅是IC芯片，电阻、电容封装也与EMC有关。用0805封装比1206封装有更好的EMC性能，用0603封装又比0805封装有更好的EMC性能。目前国际上流行的是0603封装。