黃國兵，劉小芳，李 寧

(1.西安工程大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)學(xué)院, 西安 710048；2.國網(wǎng)榆林供電公司, 陜西 榆林 719000)

嵌入式系統(tǒng)抗電磁干擾體系研究與實(shí)踐

黃國兵1，劉小芳1，李 寧2

(1.西安工程大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)學(xué)院, 西安 710048；2.國網(wǎng)榆林供電公司, 陜西 榆林 719000)

針對嵌入式工業(yè)過程產(chǎn)品面臨的復(fù)雜電磁環(huán)境，通過分析研究電磁干擾源的信號特征，探討了抗電磁干擾的應(yīng)對措施，提出了嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計時應(yīng)采取的層次化的防護(hù)體系結(jié)構(gòu)；在抗電磁干擾體系中，CPU及周邊電路為核心，所有外部端口信號都要隔離后接入，需采取吸收、泄放、過濾等措施預(yù)先進(jìn)行干擾信號衰減，防止其損壞元件，突破防護(hù)體系；結(jié)合所提出抗干擾體系結(jié)構(gòu)，通過具體案例詳細(xì)說明了其實(shí)現(xiàn)的方法；經(jīng)型式試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場應(yīng)用表明，所提出抗電磁干擾體系的效果良好。

嵌入式系統(tǒng)；電磁兼容性；電磁干擾；抗干擾體系結(jié)構(gòu)

0 引言

隨著智能化和數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展和推廣應(yīng)用，嵌入式計算機(jī)產(chǎn)品已成為工業(yè)過程控制系統(tǒng)的主體，承擔(dān)著測量、控制、計量、保護(hù)、通信等重要功能。由于嵌入式產(chǎn)品都是一些以微電子和計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的智能組件，對工業(yè)現(xiàn)場的電磁干擾有明顯的敏感性和脆弱性[1]。而工業(yè)現(xiàn)場的電磁干擾環(huán)境十分復(fù)雜，強(qiáng)度高，對嵌入式產(chǎn)品安全可靠運(yùn)行造成極大的危害。為了能勝任所承擔(dān)的重要功能，嵌入式產(chǎn)品必須有很強(qiáng)的抗干擾性能。

針對工業(yè)現(xiàn)場復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境，國際國內(nèi)的專家學(xué)者對干擾信號源的機(jī)理進(jìn)行了深入研究，提出了許多有針對性的應(yīng)對措施[2-3]?；贓MC的研究成果，在實(shí)驗(yàn)室模擬仿真干擾源，對嵌入式產(chǎn)品的抗電磁干擾性能進(jìn)行驗(yàn)證測試，可以有效地改進(jìn)其的抗干擾設(shè)計，提高其抗干擾的能力。在歐美發(fā)達(dá)國家，其有一套EMC技術(shù)工作體系，包括理論研究、試驗(yàn)與測試、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及抗干擾技術(shù)等[2]。經(jīng)過20多年的發(fā)展，我國也建立了較為完善的EMC工作體系，對嵌入式產(chǎn)品按照電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行型式試驗(yàn)測試[1]。

由于產(chǎn)品設(shè)計時對抗干擾的重視程度不夠，或者對抗干擾技術(shù)的認(rèn)識不夠深入，不少產(chǎn)品的抗干擾性能較差，甚至不能通過檢測機(jī)構(gòu)的型式試驗(yàn)測試[4-5]。本文結(jié)合多年來從事嵌入式產(chǎn)品抗干擾設(shè)計和多次帶產(chǎn)品到檢測中心測試的經(jīng)驗(yàn)，提出了嵌入式系統(tǒng)抗干擾體系結(jié)構(gòu)的概念和方法，并通過一個實(shí)際產(chǎn)品的設(shè)計，詳細(xì)介紹了其的應(yīng)用方法。

1 嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品抗干擾體系結(jié)構(gòu)

1.1 嵌入式系統(tǒng)面臨的電磁干擾環(huán)境

根據(jù)文獻(xiàn)[1,3-6]的研究，諸如變電站之類的工業(yè)過程控制現(xiàn)場干擾源十分復(fù)雜，嵌入式系統(tǒng)面臨的主要的干擾源包括：1)電快速瞬變脈沖群，高壓開關(guān)操作或高壓回路絕緣擊穿和火花間隙放電時產(chǎn)生；2)雷擊時產(chǎn)生的電磁暫態(tài)現(xiàn)象；3)高壓設(shè)備運(yùn)行時產(chǎn)生的工頻電場和磁場；4)靜電放電(ESD)；5)無線電發(fā)射裝置產(chǎn)生的高頻電磁場；等等。為了保證嵌入式產(chǎn)品穩(wěn)定可靠運(yùn)行，必須采取有效的抗干擾措施。

1.2 嵌入式系統(tǒng)抗電磁干擾的設(shè)計依據(jù)

根據(jù)文獻(xiàn)[2-3]，電磁干擾對嵌入式產(chǎn)品的影響量的數(shù)學(xué)模型如式(1)所示：

(1)

式(1)中，N(ω)為干擾對嵌入式產(chǎn)品的影響量，G(ω) 為干擾強(qiáng)度，C(ω)為干擾信號傳輸?shù)鸟詈虾瘮?shù)，I(ω)為產(chǎn)品抗干擾的能力，即對干擾信號的敏感度閥值。由于變電站的干擾信號G(ω)客觀存在，只有通過降低C(ω)和提高I(ω)來減小N(ω)。為了減小干擾信號的耦合度C(ω)，對其實(shí)施隔離，切斷耦合通道是最有效的辦法。如果干擾信號的強(qiáng)度過高而隔離器件無法承受，或者對嵌入式產(chǎn)品的過程通道的精度、可靠性有影響，則事先必須對干擾信號進(jìn)行泄放、吸收、濾波等，對干擾信號進(jìn)行衰減[7-9]。另外采取CPU總線不出芯片，提高I/O通道信號的驅(qū)動信號電平等，降低嵌入式系統(tǒng)對干擾信號的敏感度閥值I(ω)。為了有效抗擊工業(yè)現(xiàn)場EMI的干擾，從嵌入式產(chǎn)品設(shè)計的角度，針對上述抗電磁干擾的3個要素，還必須有完整的抗干擾解決方案。

1.3 嵌入式系統(tǒng)抗電磁干擾體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)文獻(xiàn)[1]的研究，從抗電磁干擾檢測的角度，嵌入式產(chǎn)品模型由其本體和外部端口兩部分組成，外部端口又由電源端口、外殼端口、功能地端口、信號端口、通信端口等部分組成，如圖1所示。圖中，電磁干擾主要從系統(tǒng)外部的5個端口通過傳導(dǎo)和輻射兩種途徑引入。既然如此，抗干擾設(shè)計方案就從這5個耦合途徑著手，阻隔、吸收、過濾干擾信號，防范其對產(chǎn)品的影響。為此，本文構(gòu)建了如圖2所示的抗EMI的層次體系結(jié)構(gòu)。

圖1 從抗電磁角度嵌入式系統(tǒng)的組成模型

圖2 嵌入式系統(tǒng)抗干擾層次體系結(jié)構(gòu)

由圖2可以看出，CPU及周邊電路組成的核心組件為層次體系的中心。對嵌入式產(chǎn)品而言，CPU及周邊電路無疑是最核心的部件，如果這些部件損壞，系統(tǒng)就完全不能運(yùn)行；如果該部件受到干擾運(yùn)行異常，則可能采集到錯誤的數(shù)據(jù)造成誤動和拒動。相反，在系統(tǒng)受到干擾時，如果核心組件運(yùn)行正常，則可以通過軟件辨別、濾波等手段排除干擾對系統(tǒng)的影響，從而大幅度提升系統(tǒng)抗干擾的敏感度閥值。因此對CPU及核心組件的保護(hù)最為重要。為此，抗干擾體系中，所有外部端口信號都經(jīng)過隔離后再與CPU核心部件連接。這樣做的目的只有一個，阻隔干擾信號向CPU核心組件的傳導(dǎo)耦合。此外，CPU核心部件設(shè)計時盡量做到總線不出CPU，提高嵌入式系統(tǒng)自身的敏感度閥值。

信號隔離層主要由一些具有隔離功能的元件組成，如光耦、變壓器、隔離運(yùn)放、DC/DC電源模塊、內(nèi)部具有隔離功能的模塊、數(shù)字隔離器等。使用隔離元件可以實(shí)現(xiàn)核心層組件和信號變換層組件的電氣隔離，隔斷干擾信號的傳播途徑，降低干擾信號的耦合度，對核心層組件進(jìn)行有效保護(hù)。

信號變換層主要進(jìn)行信號傳遞和信號調(diào)理，實(shí)現(xiàn)各端口要求的功能。提高信號調(diào)理電路驅(qū)動電壓的電平，可以有效防止正常信號和干擾信號的混疊，提高調(diào)理電路的敏感度閥值。

有一些干擾信號的強(qiáng)度極高，信號變換層和隔離層的有源元件無法承受，嵌入式產(chǎn)品運(yùn)行過程中遇見這樣的干擾信號將會造成器件燒毀，甚至穿越隔離層燒毀CPU核心組件。對于這樣的強(qiáng)干擾信號，必須首先對其吸收、泄放，對其進(jìn)行強(qiáng)制衰減。在干擾信號衰減層，由于有源器件承受電壓和電流能力的限制，一般采用磁珠、磁環(huán)、壓敏電阻、瞬態(tài)吸收二極管、放電管等無源元件實(shí)現(xiàn)。此外，對一些特殊的干擾源，需要在端口外附加涌浪雷擊保護(hù)器。

綜上所述，通過構(gòu)建抗EMI的防護(hù)體系，對嵌入式系統(tǒng)面臨的電磁干擾信號進(jìn)行層層設(shè)防，確保其在復(fù)雜的電磁環(huán)境中穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

2 基于嵌入式系統(tǒng)抗干擾體系的應(yīng)用實(shí)踐

基于所構(gòu)建的嵌入式系統(tǒng)抗干擾體系結(jié)構(gòu)，項(xiàng)目組在多個產(chǎn)品的設(shè)計中制定了抗干擾解決方案，所設(shè)計產(chǎn)品具有抗電磁干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。這里以GIS開關(guān)電子式油壓監(jiān)控器抗電磁設(shè)計為例，介紹該體系的應(yīng)用方法。

2.1 項(xiàng)目背景

GIS開關(guān)的油壓監(jiān)控器主要用于對操作機(jī)構(gòu)的油壓進(jìn)行監(jiān)控，并向自動化裝置指示機(jī)構(gòu)的狀態(tài)，在油壓異常時閉鎖對開關(guān)的控制操作。由于油壓監(jiān)控器安裝在靠近GIS開關(guān)本體的操作箱內(nèi)，油壓傳感器靠近油箱安裝，GIS操作時產(chǎn)生的特快瞬變過電壓(VFTO)作用在油箱體上時，最高的電快速瞬變脈沖(EFT)幅值在15～20 kV之間，對油壓監(jiān)控器安全運(yùn)行威脅極大。因此，該監(jiān)控器設(shè)計時必須有針對性極強(qiáng)的抗干擾解決方案。

2.2 GIS開關(guān)油壓監(jiān)控器解決方案

1)CPU核心組件。由于油壓監(jiān)控器實(shí)現(xiàn)的功能很簡單，CPU選用STC12C5A系列新一代的MCS-51單片機(jī)設(shè)計，該單片機(jī)屬于片上系統(tǒng)(SoC)，總線不出CPU。

2)電源端口。采用AC220V電源供電，產(chǎn)品內(nèi)部使用AC/DC開關(guān)電源模塊生成所需的+5 V主工作和+24 V外設(shè)工作電源，電源內(nèi)部采用脈沖變壓器隔離，且2路輸出各自獨(dú)立。為了抗擊來自GIS操作產(chǎn)生的強(qiáng)EFT干擾，在AC/DC模塊的輸入端進(jìn)行了抗高共模EFT設(shè)計，方案如圖3所示。

圖3 電源端口抗干擾電路

由圖3可見，在電源接入端口，首先采用放電管進(jìn)行間隙放電，當(dāng)GIS操作時，耦合在電源線上的共模電壓過高時，放電管擊穿放電，對干擾信號起到泄放作用；F1為自恢復(fù)保險絲，當(dāng)電流過大時，起到短時斷開的效果；L1和L2吸收高頻干擾成份，將其轉(zhuǎn)換成熱能釋放；V1～3為壓敏電阻，共模電壓高時，短時自動與大地短接，對共模電壓繼續(xù)泄放；Cy1、L3和Cx1，Cx2構(gòu)建的電源濾波器對相對低頻的串共模干擾信號進(jìn)行過濾。其中，放電管和壓敏電阻都起泄放共模干擾的作用，放電管能承受的電壓高，對后者起保護(hù)作用。

3)油壓信號端口。油壓信號調(diào)理電路的工作原理如圖4所示。

圖4 油壓信號端口電路

由圖4可以看出，給傳感器供電和油壓信號接入處都采用了放電管、自恢復(fù)保險、壓敏電阻、磁珠、TVS進(jìn)行最外層的衰減處理，降低干擾信號的強(qiáng)度；油壓信號經(jīng)過能承受高共模電壓的差分運(yùn)放LT1990后傳遞給ADS7818模數(shù)轉(zhuǎn)換器，ADS7818與CPU連接SPI總線采用ISO7242進(jìn)行了隔離。此外，模擬電路的工作電源采用DC/DC模塊生成。

圖5 打壓操作端口電路

5)RS-485通信端口。RS-485通信端口電路如圖6所示，這里采用具有隔離功能的RS-485接口芯片ISO3082實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換，采用自恢復(fù)保險、壓敏電阻、TVS衰減通信線上的電磁干擾信號。

圖6 RS-485通信端口電路

6)外殼端口。本裝置安裝在操作箱內(nèi)“黑模式”運(yùn)行，電路板安裝在鋁合金型材殼體內(nèi)，只有幾個指示燈指示裝置的工作狀態(tài)，采用帶導(dǎo)光柱的發(fā)光管實(shí)現(xiàn)，防止殼體靜電對裝置的干擾。

7)功能地端口。電路板上的“大地”信號線通過端子與殼體相連，殼體上設(shè)置專門的接地柱與操作箱內(nèi)的接地銅排連接。

2.3 電路板PCB工藝設(shè)計

電路板的PCB圖也要進(jìn)行抗干擾設(shè)計[10]。在元器件布局時CPU核心組件和外部端口電路之間放置隔離器件，形成隔離柵，隔離柵要保持足夠的爬電距離，所有的信號線都不能穿越隔離柵，由此構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)抗干擾的核心層及信號隔離層。

實(shí)現(xiàn)干擾信號衰減和泄放的組件與接線端子靠近，放置在電路板的邊沿區(qū)域，“大地”信號布在電路板邊沿，線寬≥100 mil，不要封閉；電源層和地線層分割時，各區(qū)域之間也要布置隔離柵，爬電距離也要足夠大，電路板四周放置接線端子和衰減層組件，放置衰減層組件的區(qū)域不要布置內(nèi)電層，使內(nèi)電層離干擾信號的距離盡可能大，防止外部的干擾信號通過內(nèi)電層竄入。

信號變換和調(diào)理電路按功能分區(qū)，各自獨(dú)立完成自己的功能，也要保證足夠的爬電距離。

2.4 抗干擾層次體系應(yīng)用總結(jié)

綜上所述， 油壓監(jiān)控器的抗干設(shè)計遵循了本文提出的抗干擾層次體系結(jié)構(gòu)，其抗干擾解決方案如圖7所示。

圖7 油壓監(jiān)控器抗干擾層次體系

圖7中，由于繼電器的線圈回路和觸點(diǎn)回路本身相互隔離，控制回路通道離干擾信號相對較遠(yuǎn)，沒有設(shè)計最外層的衰減電路。其他端口的設(shè)計都是遵循了抗干擾體系的原則。

2.5 抗干擾層次體系效果驗(yàn)證

根據(jù)上述嵌入式系統(tǒng)抗干擾體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的產(chǎn)品具有良好的抗電磁干擾性能，都能順利通過國家相關(guān)檢測機(jī)構(gòu)的型式試驗(yàn)檢測，其電磁兼容性都能滿足電磁干擾嚴(yán)酷等級為IV級的標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品的實(shí)際工程應(yīng)用的效果也十分理想。

3 結(jié)論

構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)抗電磁干擾的防護(hù)體系模型對其在惡劣的電磁環(huán)境中穩(wěn)定可靠運(yùn)行至關(guān)重要，該體系模型已應(yīng)用在電子式油壓控制器、隔離開關(guān)智能組件、操作機(jī)構(gòu)電機(jī)保護(hù)裝置等產(chǎn)品設(shè)計中，從所設(shè)計產(chǎn)品在檢測機(jī)構(gòu)檢測、現(xiàn)場運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)來看，這些產(chǎn)品都具有較高的抗電磁干擾性能。型式試驗(yàn)的結(jié)果和現(xiàn)場運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)表明，本文所提出的抗干擾體系可以較好地解決了嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品面臨的復(fù)雜電磁環(huán)境的問題。

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Study and Practice on anti-EMI Architecture of Embedded System

Huang Guobing1, Liu Xiaofang1, Li Ning2

(1.Computer Science College, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048, China；2.State Grid Yulin Electric Power Supply Company, Yulin 719000, China)

Aimed at the complex electromagnetic environment faced by embedded industrial process product, anti-EMI measures were explored by analyzing mechanism of electromagnetic interference signal, and a hierarchical architecture for anti-EMI was proposed. In this architecture, CPU and adjacent circuits are core component, all peripheral port signals must be linked to the core by isolated components. The measures such as absorption, bypass, filtering and so on are used to reduce the interference signal strength in advance to prevent them breaking through the protective architecture by injuring components. For the proposed anti-EMI architecture, its implementation methods were illustrated by a specific case. The type test results show that the protective architecture has good anti-EMI effects.

embedded system; electromagnetic compatibility; electromagnetic interference; anti-EMI architecture

2016-01-04；

2016-03-07。

西安市2012年產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新計劃-技術(shù)轉(zhuǎn)移促進(jìn)工程(CXY1347-2)。

黃國兵(1965-)，男，湖北天門人，高級工程師，主要從事嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用方向的研究。

1671-4598(2016)07-0208-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.07.056

TM769 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A