張 雷

(北京太極信息系統(tǒng)技術(shù)有限公司,北京 100083;中國電子科技集團公司第十五研究所,北京 100083)

計算機電磁干擾抑制技術(shù)研究

張 雷

(北京太極信息系統(tǒng)技術(shù)有限公司,北京 100083;中國電子科技集團公司第十五研究所,北京 100083)

計算機設計和電磁防護是模塊化計算機(Computer On Module，COM)在加固領(lǐng)域中的一項應用。加固計算機的特點是抗電磁干擾、可擴展性強、可定制、可維護性高、更少的電子元器件，將昂貴且不穩(wěn)定的電纜連接減至最少，因此可靠性提高，而且基于COM Express的模塊化加固計算機還集成有現(xiàn)代高速串行總線技術(shù)，可提供高速的寬帶傳輸能力，具備抗電磁干擾能力?？箰毫迎h(huán)境計算機技術(shù)要求抗惡劣環(huán)境計算機在電磁干擾、高低溫、振動沖擊等惡劣環(huán)境中能夠可靠地運行和工作。理論上使用電磁兼容技術(shù)與濾波技術(shù)，完成信號共模噪聲抑制設計、USB信號高頻傳導干擾抑制設計和ESD保護電路設計，通過數(shù)學計算和加固計算機的電磁抗干擾測試，實驗結(jié)果合格，驗證了該技術(shù)的有效性和可靠性。

加固計算機；電磁兼容；抑制共模干擾；高頻傳導干擾

0 引 言

抑制電磁干擾技術(shù)是一門新興的綜合性學科，也是抗惡劣環(huán)境計算機技術(shù)的一部分。抗惡劣環(huán)境計算機技術(shù)又稱加固計算機技術(shù)，即要求抗惡劣環(huán)境計算機在電磁干擾、高低溫、振動沖擊等惡劣環(huán)境中能夠可靠地運行和工作。在工業(yè)領(lǐng)域的應用中，特別是在航空航天環(huán)境中，對加固計算機的電磁兼容性要求及抗

電磁輻射要求也更高。

計算機只有通過輸入輸出I/O接口方能實現(xiàn)與外部設備的通信和功能擴展?，F(xiàn)代計算機機體屏蔽技術(shù)已經(jīng)比較成熟，這就使與外界存在電氣連接的I/O接口成為電磁干擾信號重要的傳導通道[1]。COM-Express(COM-E)定義了標準的緊湊型PCIE、PCI總線信號、聲卡、USB、LVDS、VGA、S-Video、Ethernet、LPC等信號，這些信號在信號頻率、信號特性、信號電平等方面對加固技術(shù)提出了更高的要求。針對RS-232串口、USB等計算機常用I/O接口的特性，給出了對應的抗電磁干擾技術(shù)方案。

1 RS-232信號共模噪聲抑制設計

1.1RS-232接口

RS-232串行接口是通用儀器設備或計算機通信最常用的接口之一，其英文全稱是EIA-RS-232C標準接口，其電性能采用DC12V標準脈沖，且信號使用負邏輯[2]。在COM-E主板，RS-232信號來自于W83627HF芯片。

RS-232串行接口的電平特性如下：

Mark(傳號)=-3 V--15 V，采用邏輯“1”電平。

Space(空號)=+3 V-+15 V，邏輯“0”電平。

在控制線上：

On(通)=+3 V-+15 V，邏輯“0”電平。

Off(斷)=-3 V--15 V，采用邏輯“1”電平。

由上述特性，可得出EIA-RS232接口九芯插座的信號參數(shù)狀態(tài)，如表1所示。

表1 RS-232信號參數(shù)表

RS-232接口工作過程如下：

建立物理連接：每當主機甲發(fā)起一次物理連接，將串行口DTR置為+12 V發(fā)出數(shù)據(jù)終端準備好信號給調(diào)制解調(diào)器[3]，當Modem調(diào)制解調(diào)器撥號并與主機乙建立連接后，向主機甲發(fā)送DSR數(shù)據(jù)發(fā)送準備信號為+12 V，完成數(shù)據(jù)傳輸準備工作。

數(shù)據(jù)傳輸：每當計算機主機準備發(fā)送bit比特流時，向Modem調(diào)制解調(diào)器發(fā)送RTS為DC+12 V，Modem調(diào)制解調(diào)器準備好后，向主機發(fā)送CTS允許發(fā)送信號為DC+12 V，計算機主機通過TXD信號發(fā)送bit比特流[4]。

Link連接釋放：每當Com Data通信數(shù)據(jù)傳輸完成后，計算機主機將DTR置為DC-12 V，通知Modem調(diào)制解調(diào)器結(jié)束連接一次[5]。

在短距離內(nèi)，兩臺計算機之間的通信可以不通過調(diào)制解調(diào)器，采用中斷方式接線，分別將兩臺計算機的DTR與DSR短接，CTS與RTS短接，并將兩臺計算機的RXD與TXD交叉相連，每次計算機發(fā)出通信和連接要求時，狀態(tài)反饋地模擬Modem調(diào)制解調(diào)器的響應，使其適應兩臺計算機的通信要求[6]。

1.2共模干擾機理

電纜上的電磁干擾按照干擾電流的流動路徑分為共模干擾和差模干擾[7-8]，如圖1所示。

圖1 差模干擾與共模干擾

新的差分雙線絞傳輸方式，抗共模噪聲的能力比較強，共模抑制比非常大[9]。在差分信號傳輸過程中，共模噪聲耦合到兩根差分傳輸線上。但由于噪聲是同時加在差分的兩根傳輸線上，使得接收設備的輸入電壓仍保持恒定變，所以共模噪聲不會對信號的質(zhì)量產(chǎn)生影響[10-11]。RS-232的信號并未采用差分傳輸方式，因此對共模干擾較為敏感。

為抑制RS-232信號線上的共模干擾，可采用光電耦合器實現(xiàn)信號的電氣隔離。

1.3光電耦合器抑制共模噪聲

光電耦合器的輸入阻抗較小，僅有幾百Ω，相對應的干擾源阻抗很大，通常為105～106 Ω[12]。據(jù)電路串行分壓原理可知，即使Interrupt干擾電壓的幅度較大，但饋送到光電耦合器的Input輸入端噪聲電壓會非常小，僅能形成很微弱的電流，因為沒有足夠的能量，所以無法使二極管發(fā)光，因此干擾信號被抑制[13]。等效原理圖如圖2所示。

圖2 共模干擾抑制等效原理

COM-E主板模塊及W83627PHF芯片提供的RS串口信號滿足標準TTL電平水準。通用計算機的串口信號遵守的是RS-232標準，EIA RS-232是用正負直流電壓來表示邏輯狀態(tài)的，與TTL的高低電壓表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。所以為了使TTL電器件能與通用串口設備相連接，在RS-232與TTL電路之間進行電平與邏輯關(guān)系轉(zhuǎn)換。

光電耦合器在TTL電平到EIA電平轉(zhuǎn)換之前，摒棄了傳統(tǒng)的在EIA電平后端進行光電隔離的方式。芯片MAX211硬件上管腳19、20、22、5、6、7、8、26是經(jīng)過光電耦合器之后的TTL輸出，而管腳9、18、2、3、4、23、27為EIA RS-232管腳[14]。將光電耦合器的位置前移，達到了較好的噪聲抑制效果。

2 USB信號高頻傳導干擾抑制技術(shù)

2.1通用串行總線特性

通用串行總線(USB)是當前流行的外部設備總線標準。USB的使用為計算機外部連接設備帶來了即插即用的功能。USB不需要專用的端口，同時減少了專用I/O卡的使用，節(jié)約了像IRQ此類重要的資源，連接到USB端口的設備僅需要計算機提供的一個IRQ即可。因此在當前CPU設計中，USB信號接口不可或缺[15]。COM-E嵌入式模塊的USB接口位于其A-B接口處。

USB接口共有4個引腳，如圖3所示。

圖3 USB信號電氣剖析圖

其中，Data+與Data-為數(shù)據(jù)信號線，采用差分傳輸方式傳輸數(shù)字信號。收發(fā)傳送數(shù)字信號、地和電源通過一種四線的電纜，物理上中間的兩根信號線Data+與Data-用于發(fā)送和接收信號。目前存在兩種數(shù)據(jù)傳輸率：USB的低速信號傳送的比特率為1.5 Mbps；高速信號的比特率為12 Mbps。

圖3中，GND、VBUS這兩個信號引腳為設備提供地及5 V電源信號。GND是信號地，而VBUS使用+5 V直流。USB信號對電纜長度和厚度的要求很高，最長可為10 m，寬度盡量寬以通過大電流。設計時選擇合適的導線長度以匹配其他一些特性和指定的IR drop，如互聯(lián)電纜適應度和設備電源預算[16]。要保證匹配的終端阻抗和輸入電壓不衰減，重點的終端設備應位于電纜的尾部。在每個USB端口都可檢測終端是分離還是連接，并區(qū)分低速設備，抑或高速設備。

在低速模式下，信號需要很少的電磁保護。這兩種模式可在同一種USB總線傳輸?shù)那闆r下實現(xiàn)高速動態(tài)切換。由于很多低速模式的使用會降低總線的利用率，因此該模式僅支持低帶寬的限量設備(像鼠標、鍵盤)，打印機則不支持。調(diào)制信號時鐘后與差分數(shù)據(jù)同時傳送出去，USB的Clock時鐘信號轉(zhuǎn)換成NRZI碼，而且填充了bit用來保證轉(zhuǎn)換的連續(xù)性，每個數(shù)據(jù)包中含有同步信號，用來使接收方可以動態(tài)還原出原先的時鐘信號。

2.2傳導干擾特性

隨著加固系統(tǒng)自動化程度的不斷提高，電子設備在現(xiàn)代科技中的應用更為廣泛。在加固計算機所處的環(huán)境中，電磁干擾非常嚴重，有脈沖型、振蕩型及電壓跌落等干擾[17]。主要干擾源有以下幾種：

系統(tǒng)機構(gòu)短路和地電位差：包括雷擊高壓線、人員操作過電壓等產(chǎn)生的工頻接地和高頻電流的接地。接地電流往往會產(chǎn)生強磁場，影響諸多設備和二次回路，工頻接地電流入地會引起地電位升高并產(chǎn)生地電位差，對接地的設備產(chǎn)生高頻干擾，是非常大的外部噪聲干擾源；

雷電：包括直擊雷電和感應雷，干擾的形式有雷電輻射、雷擊接地等；

低壓電子設備之間的互相干擾，此類電子設備在工作時會向外發(fā)射不同強度的電磁能量，相互作用時會產(chǎn)生干擾。

以上干擾源所產(chǎn)生的電磁干擾最終都通過電纜線從I/O接口耦合到加固計算機內(nèi)部，對于USB總線來說，會造成USB設備與計算機之間的通信故障，導致USB接口失效。針對這一情況，在USB接口電路中加入信號濾波電路實現(xiàn)對外部電磁干擾的防護。

2.3USB信號專用濾波電路

根據(jù)USB1.1～3.0規(guī)范，USB信號最大速率為12 Mb/s，即信號的最高頻率為96 MHz。而高頻電磁干擾噪聲的頻譜范圍多分布在300 MHz～3 GHz之間。為提高加固計算機USB接口的噪聲容限，需要針對USB信號和噪聲信號的頻譜特點設計濾波電路，其中最重要的一個參數(shù)是濾波電路的截至頻率。一般來講，電磁兼容性的要求為：

f截止=K×(系統(tǒng)內(nèi)電磁干擾最低頻率)

(1)

其中，K根據(jù)電磁兼容性要求確定，一般情況下取1/3或1/5[18]。同時根據(jù)設計要求對傳導干擾抑制阻帶內(nèi)，要有20 dB的衰減，通帶內(nèi)的衰減應不超過0.5 dB。所以適用于加固計算機USB接口的EMI濾波器的截止頻率確定為100 MHz，以確保電路對頻率為300 MHz的干擾有足夠的衰減。

綜上所述，制定USB專用濾波電路的要求如下：

截止頻率為100 MHz時，衰減應控制在3 dB；

0～30 MHz的通帶內(nèi)，衰減應不超過0.2 dB；

在500～∞ MHz的阻帶內(nèi)，衰減不小于20 dB。

理想的濾波特性是無法用有限個元件來實現(xiàn)的。解決方法是利用物理上可實現(xiàn)的近似函數(shù)去逼近所給定的技術(shù)要求，使兩者之差盡可能縮小。逼近方法有巴特沃思逼近和切比雪夫逼近兩種，綜合比較后選擇在截止頻率附近有最大平坦度的巴特沃思逼近。

3 ESD保護電路技術(shù)及實驗

電路的ESD保護電路由4個齊納二極管組成。ESD保護分兩個階段，如圖4所示。ESD沖擊在S1階段被鉗位，然后仍然會有過壓通過電阻R傳輸?shù)降诙A段，通過S2鉗位，最終在輸出端的電壓已經(jīng)在一個較低的水平上。

圖4 電磁干擾之浪涌抑制等效電路

按等效電路推得輸入輸出的電壓計算公式為：

(2)

(3)

根據(jù)IEC61000-4-2標準人體靜電放電模型，令Vpp=8.8 kV，Rg=330 W，VBR=7 V，Rd=1 Ω，計算得：Vinput=36.33 V，Voutput=8.107 V。

由此可見，輸出電壓比輸入電壓降低很多，達到了人體可接受的安全電壓范圍，此技術(shù)防電磁干擾及浪涌能力較強。

加固計算機根據(jù)國軍標GJB151A/152A的相關(guān)要求，進行了RS103、CS101CS114、CS116及浪涌實驗，在實驗階段其工作性能及接口功能均正常，達到了電磁防護目標的要求。

4 結(jié)束語

在計算機電磁干擾抑制方面進行了理論研究及實踐，完成了計算機I/O接口的電磁設計、RS-232信號共模噪聲抑制設計和USB信號高頻傳導干擾抑制技術(shù)。針對電磁干擾問題，使用了電磁兼容技術(shù)與濾波技術(shù)，通過對抑制電磁干擾設計進行理論計算和分析，完成了信號共模噪聲抑制設計、USB信號高頻傳導干擾抑制設計和ESD保護電路設計，由理論支撐的技術(shù)方案解決了這一問題。電磁傳導、輻射敏感度的合格實驗結(jié)果證明了設計的有效性，達到了此次計算機抑制信號電磁干擾相關(guān)技術(shù)的研究目的。

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ResearchonElectromagneticAnti-interferenceTechnologyofComputers

ZHANG Lei

(Beijing Taiji Information System Technology Co.,Ltd.,Beijing 100083,China;China Electronics Technology Corporation No.15 Research Institute,Beijing 100083,China)

Computer design and electromagnetic protection is a kind of application on COM (Computer On Module) in ruggedized field.The characteristics of strengthening computer is anti electromagnetic interference,high scalability and maintenance,being customizable and less electronic components,which minimizes the expensive and unstable connecting cable to improve its reliability.Meanwhile,the modular strengthening computer based on COM Express is integrated with modern serial bus technology with high speed and can provide broadband reinforcement with anti electromagnetic interference.The computer technology of anti-harsh environment requires that the computer can run and work reliably in the harsh environment such as electromagnetic interference,high and low temperature,vibration and shock.The electromagnetic compatibility technology and filtering technology is used in theory to completing of design in signal common mode noise suppression,high frequency conduction suppression of USB signal and ESD protection circuit.The test of anti electromagnetic interference by mathematical calculation and reinforcement computer is satisfactory,which verifies its validity and reliability.

ruggedized computer;electromagnetic compatibility;suppressing common mode interference;high-frequency conduction interference

2016-11-15

2017-02-16 < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡出版時間

時間：2017-07-19

國家自然科學基金資助項目(61105120)

張 雷(1982-),男,碩士,高級工程師,研究方向為計算機技術(shù)與工程應用。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170719.1108.020.html

TP39

A

1673-629X(2017)11-0146-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.11.032