基于STWD100xP WTD嵌入式系统抗EMC技术

摘要：随着嵌入式技术的发展，嵌入式系统对系统稳定性、可靠性、抗干扰性等要求逐渐增高。在此详细分析嵌入式系统EMC产生的原因和途径，在不增加CPU额外开销情况下，采用了意法半导体公司硬件看门狗集成电路STWD100，提高了系统可靠性和稳定性，并给出了STDW100与CPU应用原理图。实验证明，采用STDW100硬件看门狗使嵌入式系统具有很强的抗EMC能力，在实际应用中使系统具有相当高的可靠性和稳定性。
关键词：嵌入式系统；EMC；可靠性；看门狗；STDW100

1 EMC的特点
嵌入式系统EMC(Electro Magnetic Compatibility)即嵌入式系统电磁兼容性，指嵌入式系统在复杂电磁环境中抵抗其他系统所产生的电磁干扰同时本身产生的电磁干扰又不影响其他系统正常工作。EMC包括EMI(Electro Magnetic interference)和EMS(Electro Magnetic Susceptibility)分别表示嵌入式系统本身产生电磁干扰和嵌入式系统抗电磁干扰的能力。一般要求尽量减小系统工作时本身产生的电磁干扰，加强系统抵抗电磁干扰的能力。例如高频谐波干扰，这是目前嵌入式系统工作不定的最大潜在因素。怎样减小嵌入式系统干扰增强其抗干扰性能，尽可能地提高嵌入式系统工作的稳定性和可靠性成为电子工程师们的一大技术难题。

2 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。
2．1 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。
2．2 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12 MHz，16位凌阳单片机系统主频为50 MHz，Altera公司Cyclone系列FPGA芯片系统主频可达200 MHz，以Inter PAX255，PAX270，PAX310为核心的嵌入式系统主频可达820 MHz，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。
2．3 系统中大功率、大电流用电器动作产生火花引起干扰
系统中含有大功率、大电流继电器或交流接触器，驱动电流或电压过大使谐波幅度大，容易产生较强的电磁干扰；在复杂电磁环境中电机频繁启动与大电流有触点开关的打火现象都会引起很强的电磁干扰，在要求较高的系统中必须解决，否则会引起系统工作不稳定、可靠性差。
2．4 微弱模拟信号的提取与高精度数据采集放大
随数字信号高速发展，很多模拟信号要转变成数字信号进行处理，CPU处理完成后又要将数字信号还原成模拟信号，涉及微弱模拟信号的提取和采集放大电路。对于微弱模拟信号的提取通常采用传感器，传感器提取的模拟信号非常微弱如果受到外来干扰或系统本身干扰，会造成系统数据采集和处理有误精度不高、系统工作不稳定。
2．5 电子元器件和电路板本身所产生的寄生干扰
每个电子元器件都有不同的截止频率，元器件在不同的频率下会呈现不同的特性。如果信号衰减和信号畸变过大会造成整个系统稳定度受影响甚至系统“死机”或“程序跑飞”。信号频率过高电容的分布电感，电感的分布电容，电阻对高频信号的反射，引线的分布电容和分布电感影响系统稳定性，当引线长度大于噪声频率相应波长的1／20时，就产生天线效应，噪声通过引线向外发射。