船用电源控制模拟器的抗干扰性能设计.docx

1、船用电源控制模拟器的抗干扰性能设计前 言电源模块相当于一个系统的心脏，嵌入式系统相当于大脑。因此电源模块的稳定是船上系统稳定的前提，对系统的稳定运行和船体机器的正常运转起到了决定性的作用。 如何高效的屏蔽或者降低干扰一直以来都是研究中的重点，研究方法和研究结果对系统运行的精确性要求提供了重要的技术和理论支持，促进了系统设计抗干扰的发展。船用电源控制模块功能是对船用内燃机控制系统的供电进行控制，内燃机控制系统包括功率控制系统、功率测量系统、保护装置系统，船用电源控制模块对以上系统的供电进行控制。船用电源控制模拟器有两部分组成，第一部分是船用电源控制模块，在这一模块下包括了变压器、整流桥、继电器等

2、部分。第二部分是嵌入式系统机箱和工控机。嵌入式系统的硬件部分，包括处理器 / 微处理器、存储器及外设器件和 I/O 端口、图形控制器等。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样大容量的存储介质，而大多使用 EPROM 、 EEPROM 或闪存 (Flash Memory) 作为存储介质。软件部分包括操作系统软件 ( 要求实时和多任务操作 ) 和应用程序编程。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。然而在系统工作的过程当中，各个元器件之间都会产生电磁干扰，影响彼此的正常运转，这种影响是显而易见的，对系统的稳定性提出了新的挑战，后果是干扰程序正

3、常执行，让程序跑飞，死机、死循环等，后果不堪设想。因此如何提高系统的抗干扰能力是当今所需要克服的问题，对整个系统的设计和系统设计的发展具有重要意义。1电磁干扰分析随着单片机系统越来越广泛地应用于消费类电子、医疗、工业自动化、智能化仪器仪表、航空航天等各领域，单片机系统面临着电磁干扰（EMI）日益严重的威胁。电磁兼容性（EMC）包含系统的发射和敏感度两方面的问题。1.1电磁干扰电磁干扰（Electromagnetic Interference 简称EMI），是指电磁波与电子元件作用后而产生的干扰现象，有传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合(干扰)到另一个电网络

4、。辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合(干扰)到另一个电网络，在高速PCB及系统设计中，高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源，能发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。电磁干扰(EMI)是指由于电磁骚扰而引起设备、系统或传播通道的性能下降。电磁干扰形成需要3个要素：(1)电磁干扰源：产生电磁干扰的任何电子设备或自然现象。(2)耦合途径：将电磁干扰能量传输到受干扰设备的通道或媒介。(3)被干扰的敏感设备：受到电磁干扰的设备。图1-1电磁干扰三要素Figure1-1 The three elements of EMI所谓“干扰”,指设备受到干

5、扰后性能降低以及对设备产生干扰的干扰源这二层意思。电磁干扰是人们早就发现的电磁现象，它几乎和电磁效应的现象同时被发现，1981年英国科学家发表论干扰的文章，标志着研究干扰问题的开始。1989年英国邮电部门研究了通信中的干扰问题，使干扰问题的研究开始走向工程化和产业化。电磁干扰概念如下图所示：图1-2电磁干扰的概念图Figure1-2EMI concept diagram1.2电磁兼容电磁兼容(electro magnetic compatibility，EMC)是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行，并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰能力。因此，EMC包括两个方面的要求：一方面是

6、指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰(EMI)不能超过一定的限值；另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度(EMS)，即电磁敏感性。如果一个单片机系统符合下面三个条件，则该系统是电磁兼容的：（1） 对其它系统不产生干扰；（2） 对其它系统的发射不敏感；（3） 对系统本身不产生干扰影响EMC的因数：（1） 电压。电源电压越高，意味着电压振幅越大，发射就更多，而低电源电压影响敏感度。（2） 频率。高频产生更多的发射，周期性信号产生更多的发射。在高频单片机系统中，当器件开关时产生电流尖峰信号；在模拟系统中，当负载电流变化时产生电流尖峰信号。（3） 接地。在所有EMC问

7、题中，主要问题是不适当的接地引起的。有三种信号接地方法：单点、多点和混合。在频率低于1 MHz时，可采用单点接地方法，但不适于高频；在高频应用中，最好采用多点接地。混合接地是低频用单点接地，而高频用多点接地的方法。地线布局是关键，高频数字电路和低电平模拟电路的地回路绝对不能混合。（4） PCB设计。适当的印刷电路板（PCB）布线对防止EMI是至关重要的。（5） 电源去耦。当器件开关时，在电源线上会产生瞬态电流，必须衰减和滤掉这些瞬态电流。来自高di/dt源的瞬态电流导致地和线迹“发射”电压，高di/dt产生大范围高频电流，激励部件和线缆辐射。流经导线的电流变化和电感会导致压降，减小电感或电流随

8、时间的变化可使该压降最小。 EMC设计的一般原则：EMC设计应是任何电子器件和系统综合设计的一部分。它远比试图使产品达到EMC的其他方法更节约成本。EMC的主要设计技术包括：电磁屏蔽方法、电路的滤波技术以及包括应特别注意的接地元件搭接的接地设计。 下图给出了器件和系统EMC最佳设计的推荐方法。图1-3器件和系统EMC最佳设计的推荐方法Figure1-3Device and system EMC recommendations for the best design优秀的EMC设计的基础是良好的电气和机械设计原则的应用。这其中包括可靠性考虑，比如在可接受的容限内设计规范的满足，好的组装方法以及各

9、种正在开发的测试技术。1.3电磁干扰的影响电磁干扰的危害：(1)对电子系统、设备的危害。电磁干扰有可能使系统或设备的性能发生有限度的降级，甚至可能使系统或设备失灵，干扰严重时会使系统或设备发生故障或损坏。(2)对武器装备的危害。现代的无线电发射机和雷达能产生很强的电磁辐射场。这种辐射场能引起装在武器装备系统中的灵敏电子引爆装置失控而过早启动。(3)电磁能对人体的危害。电磁辐射能一旦进入人体细胞组织就要引起生物效应，即局部热效应和非热效应。1.4EMC的标准和规范(1)国际级，例如IEC标准；(2)分会议级，例如CISPR出版物；(3)CE级，例如欧洲协调标准EN；(4)国家级，例如国家GB，F

10、CC等；(5)军用标准，例如国家军标GJB，美军标MIL。下表是信息技术设备（ITE）的电磁兼容标准：表1-1信息技术设备（ITE）的电磁兼容标准Table1-1 Information technology equipment (ITE) electromagnetic compatibility standards传电和辐射发射关于以下的敏感度IEC/CISPRFCCCENELECEC英国标准CISPR2215部分J子部分EN55022BS6527静电放电IEC801-2-EN55 101-2BS6667 第二部分辐射电磁场IEC801-3-EN55 101-3BS6667 第三部分电气快

11、速瞬态IEC801-4-BS6667 第四部分电源线浪涌IEC801-5-BS6667 第五部分辐射磁场CISPR-未发表的建议稿-远程通信线路的传导发射CISPR-1.5本章小结本章中介绍了电磁干扰（EMI）和电磁兼容（EMC）的概念，以及电磁干扰的危害和影响，不仅对人类造成一定的影响，同时对系统造成了严重的影响和后果。说明了电磁兼容设计的必要性和重要性，最后给出了国际上一些国家的EMC的设计标准。我们可以以从这些基本的概念和标准中探寻抗干扰设计的方法。2干扰源2.1电磁干扰源概念电磁干扰来源比较多，影响正常工作的信号称为噪声，又称干扰。凡是能产生一定能量，可以影响到周围电路正常工作的媒体都

12、可认为是干扰源。干扰有的来自外部，有的来自内部。一般来说，干扰源可分为以下三类：（1）自然界的宇宙射线，太阳黑子活动，大气污染及雷电因素造成的；（2）物质固有的，即电子元器件本身的热噪声和散粒噪声；（3）人为造成的，主要是由电气和电子设备引起。2.1.1噪声干扰产生的原因（1）电路性干扰。电路性干扰是由于两个回路经公共阻抗耦合而产生的，干扰量是电流。（2）电容性干扰。电容性干扰是由于干扰源与干扰对象之间存在着变化的电场，从而造成了干扰影响，干扰量是电压。（3）电感性干扰。电感性干扰是由于干扰源的交变磁场在干扰对象中产生了干扰感应电压。而产生感应电压的原因则是由于在干扰源中存在着变化电流。（4）

13、波干扰。波干扰是传导电磁波或空间电磁波所引起的。空间电磁波的干扰量是电场强度和磁场强度。传导波的干扰量是传导电流和传导电压。2.1.2来自空间的辐射干扰空间的辐射电磁场（EMI）主要是由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生的，通常称为辐射干扰，其分布极为复杂。2.2来自系统的干扰2.2.1电源噪声电源噪声是电磁干扰的一种，其传导噪声的频谱大致为10kHz30MHz，最高可达150MHz。电源是多种干扰信号影响系统正常工作的途径，主要有以下几点影响：电源噪声，特别是瞬态噪声干扰，其上升速度快、持续时间短、电压振幅度高、随机性强，对微机和数字电路易产生

14、严重干扰。 根据传播方向的不同，电源噪声可分为两大类： （1） 一类是从电源进线引入的外界干扰;（2） 一类是由电子设备产生并经电源线传导出去的噪声。从形成特点看，噪声干扰分串模干扰与共模干扰两种：（1） 串模干扰是两条电源线之间（简称线对线）的噪声。（2）共模干扰则是两条电源线对大地（简称线对地）的噪声。图2-1电源噪声Figure2-1The power supply noise2.2.2开关电源开关电源属于强干扰源，其本身产生的干扰直接危害着电子设备的正常工作。因此，抑制开关电源本身的电磁噪声，同时提高其对电磁干扰的抗扰性，在设计和开发过程中需要特别的关注。2.2.3来自内部元器件的干扰

15、开关电源产生的EMI主要是由基本整流器产生的高次谐波电流干扰和功率变换电路产生的尖峰电压干扰。 产生这种脉冲干扰的主要元件为：a.开关管。开关管及其散热器与外壳和电源内部的引线间存在分布电容，当开关管流过大的脉冲电流(大体上是矩形波)时，该波形含有许多高频成份；另外，开关管的负载是高频变压器或储能电感，在开关管导通的瞬间，变压器初级出现很大的涌流，造成尖峰噪声。图2-2尖峰噪声Figure2-2 The peak noise b.高频变压器。 开关电源中的变压器，用作隔离和变压，但由于漏感的原因，会产生电磁感应噪声。 c.整流二极管。整流二极管二次侧整流二极管用作高频整流时，由于反向恢复时间的

16、因素，往往正向电流蓄积的电荷在加上反向电压时不能立即消除(因载流子的存在，还有电流流过)。一旦这个反向电流恢复时的斜率过大，流过线圈的电感就产生了尖峰电压，在变压器漏感和其他分布参数的影响下将产生较强的高频干扰，其频率可达几十MHz。 d.电容、电感器和导线。开关电源由于工作在较高频率，会使低频元件特性发生变化，由此产生噪声。2.2.4 来自信号线引入的干扰此干扰主要有两种途径：一是通过变送器或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这往往被忽略；二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这是很严重的。由信号引入干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器

17、件损伤。对于隔离性能差的系统，还将导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动和死机。2.2.5来自接地系统混乱时的干扰接地是提高电子设备电磁兼容性（EMC）的有效手段之一。正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号。此外，屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内有会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，干扰信号回路。嵌入式系统工作的逻辑电压干扰容限较低，逻辑地电位的分布干扰容易影响逻辑运算和数据存储，造成数据混乱、程序跑飞或死机。2.3干扰的耦合路径和方式干扰可以通过3种途径影响控制

18、系统,即空间电磁场干扰、供电系统干扰和信号传输通道干扰。干扰对控制系统的作用及后果也分为3个部位:一是系统的前向通道,干扰叠加在输入信号上,使数据采集误差增大,在传感器小电压信号输入时,此现象尤为突出;二是系统的后向通道,干扰耦合在输出信号上使输出信号混乱,导致误操作,并有可能引发严重事故;三是控制系统的内核,干扰使微处理器内核三总线上的数字信号出错,程序指针PC发生错误,导致程序“跑飞”,干扰也可能窜改存储器RAM中的数据,导致死机、系统崩溃或误操作等严重后果。传导电磁干扰传输通道可以分为电容传导耦合(或称电场耦合)、电阻传导耦合(或公共阻抗耦合)及电感传导耦合(或互感耦合)。嵌入式系统中的

19、电磁干扰主要通过2种方式传播： (1)导线传播即通过设备的信号线、控制线、电源线等直接侵入敏感设备，这种方式称传导干扰。 (2)空间传播骚扰源周围空间存在着电场、磁场和电磁场，会对附近电子线路产生干扰，称为场干扰。耦合方式：（1）传导性EMI一种最明显而往往被忽略的能引起电路中噪声的路径是经过导体。一条穿过噪声环境的导线可捡拾噪声并把噪声送到其它电路引起干扰。在电源线进入电路之前必须对其去耦。（2）公共阻抗耦合当来自两个不同电路的电流流经一个公共阻抗时就会产生共阻抗耦合。阻抗上的压降由两个电路决定，来自两个电路的地电流流经共地阻抗。电路1的地电位被地电流2调制，噪声信号或DC补偿经共地阻抗从电

20、路2耦合到电路1。下图为公共阻抗耦合：图2-3公共阻抗耦合Figure2-3common-impedance coupling（3）辐射耦合经辐射的耦合通称串扰。串扰发生在电流流经导体时产生电磁场，而电磁场在邻近的导体中感应瞬态电流。（4）辐射发射辐射发射有两种基本类型：差分模式（DM）和共模（CM）。共模辐射或单极天线辐射是由无意的压降引起的，它使电路中所有地连接抬高到系统地电位之上。就电场大小而言，CM辐射是比DM辐射更为严重的问题。为使CM辐射最小，必须用切合实际的设计使共模电流降到零。2.4本章小结本章中着重介绍了干扰源的概念和产生，它可以来自多个地方，宇宙中的电磁干扰，系统内的电磁干

21、扰，其中系统内的电磁干扰是主要的干扰源，可以对系统造成严重的影响，同时也是很难去除的，知道了干扰源的产生，我们可以采取下一步措施，对这些干扰源进行屏蔽设计。3.抑制或屏蔽干扰的思路首先应该抑制干扰源，直接消除干扰原因；其次是消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射，切断电磁干扰的传播途径；第三是提高受扰设备的抗扰能力，减低其对噪声的敏感度。常用的方法是屏蔽、接地和滤波。3.1抑制干扰源抑制干扰源就是尽可能的减少干扰源的辐射量，这是抗干扰设计中的最优先考虑和最重要的原则，常常会有显著效果。减少干扰源的辐射主要是通过在干扰源两端并联电容回路串联电感或电阻及增加续流二极管来实现。抑制干扰源的常用措施如下

22、：（1）继电器线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反响电动势干扰。（2）在继电器接点两端并接火化抑制电路（一般是RC串联电路，电阻一般选几K到几十K，电容选001uF），减小电火花影响。（3）给电机加滤波电路，注意电容、电感引线要尽量短。（4）电路板上每个IC电源端都要并接一个001uF-01uF高频电容，以减少IC对电源的影响。（5）布线时避免90度折线，减小高频噪声辐射。（6）可控硅两端并联RC抑制电路，减少可控硅产生的噪声（这个噪声严重时可能会把可控硅揭穿）。3.2切断传播途径切断干扰传播路径的常用措施如下：(1)充分考虑电源对控制芯片的影响。许多控制芯片对电源噪声很敏感，要给芯片组

23、的电源加滤波电路或稳压器，以减少电源噪声对芯片组的干扰。(2)如果单片机的I/O口用来控制电机等噪声器件,在I/O口与噪声之间加隔离(增加形滤波电路)。(3)注意晶振布线。晶振与单片机引脚尽量短。用地线把时钟区隔离起来,晶振外壳接地并固定。此措施可以解决许多疑难问题。(4)电路板合理分区,如强、弱信号，数字、模拟信号。尽可能把干扰源（如电机，继电器）与敏感器件（如单片机）远离。(5)用地线把数字区和模拟区隔离，数字的与模拟地要分离，最后在一点接与电源地。A/D、D/A芯片布线也以此为原则，厂家分配A/D、D/A芯片引脚排列时已考虑此要求。(6)控制芯片和大功率输出器件的地线要单独接地,已减少相

24、互干扰。大功率器件尽可能放在电路板边缘。(7)在单片机I/O口，电源线，电路板连接线等关键地方使用抗干扰元件如磁珠、磁环、电源滤波器，屏蔽罩，可显著提高电路的抗干扰性能。3.3提高敏感器件的抗干扰性能提高敏感器件的抗干扰性能是指从敏感器件这边考虑尽量减少对干扰噪声 的拾取，以及从不正常状态尽快恢复的方法。提高敏感器件抗干扰性能的常用措施如下：（1）布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。（2）布线时，电源线和地线要尽量粗。除减小压降外，更重要的是降低耦 合噪声。（3）对于单片机闲置的I/O口，不要悬空，要接地或接电源。其它IC的闲置 端在不改变系统 逻辑的情况下接地或接电源。（4）对单片机

25、使用电源监控及看门狗电路，如：IMP809，IMP706，IMP813，X25043，X25045等，可大幅度提高整个电路的抗干扰性能。 （5）在速度能满足要求的前提下，尽量降低单片机的晶振和选用低速数字电路。（6）IC器件尽量直接焊在电路板上，少用IC座。 3.4本章小结在本章中提出了一些抗干扰的基本思路。根据干扰的传播途径特点，我们可以从以下三个方面着手：抑制干扰源、切断传播途径、提高敏感器件的抗干扰性能。其中第三点是抗干扰设计的重点和最有效的方式。如果把器件的抗干扰能力增强了，那么整个系统的抗干扰性能会具有极大的提升。4抗干扰设计的一般措施系统的抗干扰设计可以考虑从软件和硬件两部分入手。

26、4.1软件设计软件抗干扰既能提高效能、节省硬件，又能解决硬件解决不了的问题。大量的干扰源虽然不能造成硬件的破坏，但却使系统的工作不稳定、数据不可靠、运行失常、程序“跑飞”，严重时可导致DSP的控制失灵、发生严重事故。由于故障是暂时、间歇1、随机的，用硬件解决比较困难，而软件可借助以下的技术予以解决：一、设置软件陷阱由于系统干扰可能破坏程序指针PC，PC一旦失控，使程序“乱飞”可能进人非程序区，造成系统运行的一系列错误。设置软件陷阱，可防止程序“乱飞”。方法：在ROM或RAM中，每隔一些指令（十几条即可），就把连续几个单元设置成空操作（所谓陷阱）。当失控的程序掉入“陷阱”，也就是连续执行几个空操

27、作后，程序自动恢复正常，继续执行后面的程序。二、增加程序监视系统（Watchdog）利用设置软件陷阱的办法虽在一定程度上解决了程序“飞出”失控问题，但不能有效地解决死循环问题。设置程序监视器（Watchdog看门狗）可比较有效地解决死循环问题。程序监视器系统有的采用软件解决，大部分都是采用软硬件相结合的办法。下面以两种解决办法来分析其结构原理。1、利用单片机内部定时器进行监视方法：在程序一开始就启动定时器工作，在主程序中增设定时器赋值指令，使该定时器维持在非溢出工作状态。定时时间要稍大于程序一次循环的执行时间。程序正常循环执行一次给定时器送一次初值，使其不能溢出。但若程序失控，定时器则计满溢出

28、中断，在中断服务程序中使主程序自动复位又进入初始状态。例8051单片机若晶振频率使用6MHz，选定时器T0定时监视程序。程序如下：ORG 0000HSTART：AJMP MAIN ORG 000BH AJMP STARTMAIN：SETB EA SETB IE0 SETB TR0 MOV TMOD，01HMAIN1：MOV TH0，datal MOV TL0，datal 用户程序 LJMP MAIN2、利用单稳触发器构成程序监视器 方法：利用软件经常访问单稳电路，一旦程序有问题，CPU不能照常访问，单稳电路则产生翻转脉冲使单片机复位，程序重新开始执行。三、软件冗余技术 软件冗余技术，就是多次使

29、用同一功能的软件指令，以保证指令执行的可靠性，这从以下几个方面考虑。 1采取多次读入法，确保开关量输人正确无误 重要的输人信息利用软件多次读入，比较几次结果一致后再让其参与运算。对于按钮和开关状态读入时，要配合软件延时可消除抖动和误动作。 2不断查询输出状态寄存器，及时纠正输出状态 设置输出状态寄存器，利用软件不断查询，当发现和输出的正确状态不一致时，及时纠正，防止由于干扰引起的输出量变化导致设备误动作。 3对于条件控制系统，把对控制条件的一次采样、处理控制输出改为循环地采样、处理输出。 4为防止计算错误，可采用两组计算程序，分别计算，然后将两组计算结果进行比较，如两次计算结果相同，则将结果送

30、出。如出现误差，则再进行一次运算，重新比较，直到结果相同。四、软件可靠性设计1、利用软件提高系统抗干扰能力 在软件设计时采用如下措施，对提高系统抗干扰能力是积极有力的。（1）增加系统信息管理软件。它与硬件相配合，对系统信息进行保护。其中包括防止信息被破坏，出故障时保护信息，故障排除之后恢复信息等。（2）防止信息的输人输出过程中出错。如对关键数据采用多种校验方式，对信息采用重复传送校验技术，从而保证信息的正确无误。（3）编制诊断程序，及时发现故障，找出故障位置，以便及时检修或启用冗余软件。（4）用软件进行系统调度，包括出现故障时保护现场，迅速将故障装置切换成备用装置，在环境条件发生变化时，采取应

31、急措施，故障排除后，迅速恢复系统，继续投入运行等。 2、提高软件自身的可靠性（1）程序分段和采用层次结构在进行程序设计时，将程序分成若干个具有独立功能的子程序块。各个程序块可以单独使用，也可与其他程序块一起使用。各程序块之间可通过固定的通信区和一些指定的单元进行信息传递。每个程序块都可单独进行调整和修改而不影响其他程序块。（2）采用可测试性设计软件在编制过程中会出现一些错误。为便于查出程序错误，提高软件开发效率，可采用以下三种方法：一是明确软件规格，使测试易于进行；二是将测试设计的程序段作为软件开发的一部分；三是把程序结构本身组成便于测试的形式。（3）对软件进行测试测试软件的基本方法是，给软件一个典型的输入，观测输出是否符合要求。发现错误进行修改，直至消除错误，达到设计要求。五、软件自诊断技术软件诊断技术主要从两个方面进行考虑，一方面是对系统硬件和过程通道的自诊断，另一方面是对过程软件本身进行诊断和故障排除。1、对硬件系统进行诊断对硬件系统诊断包含两个方面内容：一是确定硬件电路是否存在故障，这叫故障测试；二是指出故障的确切位置，给维