嵌入式系统的电磁兼容性设计
1 引 言
EMC(Electromagnetic Compatibility)――电磁兼容(性)是一门多学科交叉的边缘性学科。电磁兼容技术已在很多领域中得到广泛的应用，在嵌入式应用中也越来越受到重视。任何电子设备在运行时会向周围发射电磁能量，可能会对其他设备产生干扰。同时设备本身也可能受到周围电磁环境的干扰，电磁兼容研究的主要问题就是如何使处于同一电磁环境中的各种设备或同一设备中的各组件都能正常工作而又互不干扰。
2 嵌入式系统中电磁兼容性的特点
随着IC技术的发展，新技术不断涌现。高性能单片机系统逐步采用32位字长的RISC体系结构，运行频率超过了100 MHz，8位单片机也采用新工艺提高系统速度扩展功能接口。嵌入式系统正朝着高集成度、高速度、高精度、低功耗的方向发展。同时，由于电子技术的广泛应用，电子设备密度升高，电磁环境恶化，系统的电磁干扰与抗干扰问题日益突出。
嵌入式系统中的电磁干扰主要通过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。
2．1 传导干扰
2．1．1 传输线的分布参数特性
(1)传输线的电阻
任何导体都存在一定的电阻，在导线中流过直流或低频电流时电荷在导线横截面上是均匀分布的。当导线中流过高频电流时，由于高频集肤效应，导线中的电流主要集中在导体的表面，而导线中心几乎没有电流，因此导线的交流电阻将大于直流电阻，且交流电阻与频率的二分之一次方成正比。导线的交流电阻可用改变截面积形状的方法来减小。同样截面积的矩形导线比圆形导线具有更大的表面，所以交流电阻比圆形导线小。接地导线常采用扁平矩形导线来代替圆导线，以减小高频电阻。
(2)传输线的特性阻抗
传输线具有电阻、电感和电容，对于均匀一致的传输线，他们均匀地分布在传输线的各个部分，称为分布参数，特性阻抗描述了传输线的分布参数特性，他定义为：
其中：s为平行双线的间隔；r为导线半径；μ为磁导率，ε为介电常数。式(1)适用条件为s＞5r。
由式(1)可知特性阻抗是表征传输线本身特性的一个物理量，与传输线内的电流、电压无关，只与传输线的结构(线径、线间距)和传输线周围的介质(ε，μ)有关。要注意特性阻抗描述的是传输线的分布参数特性而不是真正的阻抗。印制板上的走线和双绞线的特性阻抗在100～200Ω，同轴电缆为50Ω或75Ω。
2．1．2 传输线的短线处理方法
传输线的分布参数必然会影响传输线中的信号传输，这与传输线的长度密切相关。根据传输线长度与信号频率的关系可把传输线分为长线和短线，当传输线长度≤1/20的信号波长时或者传输延迟时间≤1/4的数字信号脉冲上升时间时，传输线可视为短线，即：
短线可以用集中参数等效电路来分析，即把传输线看成是由集中参数电阻、电感、电容组成的网络，其值大小分别等于单位长度上的分布参数值乘以传输线长度。例如有一对传输线，终端短路，如符合短线条件式(2)，则可看成是一个电阻R和一个电感L串联，总的阻抗为：Z＝R＋j2πfL。对于绝大多数双绞线、同轴电缆、印制板电路，当频率很低小于3 kHz时，传输线路中电阻起主要作用。当频率大于3 kHz以后电感起主要作用，电阻可以忽略不计。
图1是一个传输线的等效电路，设其符合式(2)，其中RS是信号源阻抗，Ri，Ci是负载的输入阻抗，L，C是传输线的电感和电容，则有L＝L0l，C＝C0l，其中L0和C0为分布电感和分布电容，l为传输线长度。由于传输线路中存在电感和电容，数字信号通过传输线时可能会产生振铃现象，即衰减振荡，振荡频率为：
振铃波形的上冲与下冲会降低门电路的噪声容限，严重时会使电路产生误动作，所以应该设法克服由于传输线的分布参数引起的振铃现象。
当信号环路中的电阻、电感和电容符合R2≥4L/(C＋Ci)时振铃现象可被抑制。其中R为传输线中的总电阻，可以通过在信号源端串接一个抑制电阻以满足上式，等效于增加信号源的阻抗。此时系统阶跃响应的上升时间会略有增加，所以抑制电阻不能取值过大。
2．1．3 传输线的长线处理方法
当传输线的长度不符合式(2)时则称为长线，长线不能用集中参数网络来替代，而要用传输线理论来分析，考虑到阻抗匹配问题，即传输线两端的负载阻抗和源阻抗都应该和传输线特性阻抗Z0相等，否则会产生反射。
当图1中的传输线不符合式(2)时，他是一个长线系统。设ZS为源阻抗，Z0为传输线特性阻抗，ZL为负载阻抗，当信号从信号源出发通过传输线到达负载阻抗ZL时，如果ZL＝Z0则没有反射，信号能量全部被ZL吸收，这是匹配状态，ZL上的电压就是信号的入射电压U0。如果ZL≠Z0，即负载端不匹配，则入射能量不能被负载全部吸收，有一部分就被反射回去，有反射电压存在。
同样，在源端如果ZS＝Z0则是匹配状态，如果不相等则也存在反射。当源端和负载端都不匹配时信号将在源端和负载端来回反复反射，反射波和原信号叠加，如果传输线传输的是脉冲数字信号则多重反射将使脉冲边沿产生台阶、上冲和下冲等问题。当出现多重反射时负载端会出现与振铃现象相似的波形，影响系统抗扰性能。
根据式(2)可以计算对应于不同脉冲上升时间的最小的长线长度，传输线超过最小长线长度时就要考虑阻抗匹配的问题。具体应用时可以在源端和负载端加入RCL网络来匹配传输线的阻抗。
2．1．4 共模骚扰和差模骚扰
骚扰信号在导线上传输时有2种方式：共模方式和差模方式。共模噪声变成差模噪声后才能对设备产生干扰，因为有用信号都是差模形式的。这种转换是由电路中传输线对参考端的阻抗是否平衡来决定的。
图2是一个信号传输系统的阻抗特性图，图中的4个电阻分别表示传输线在2个设备中的对地阻抗。2个设备相距较远其地线与机壳连入大地，如果2个设备的接地点之间存在噪声信号，则由其产生的噪声电流会沿着2条传输线流动，假如设备中传输线对地的阻抗不相等的话，2条传输线中的噪声电流也不相等，这时共模噪声就变成差模噪声干扰有用信号。
在计算机串行总线中，RS232使用非平衡方式，只有十几米的传输距离。而RS422采用平衡传输方式，则达到了上千米的传输距离。在设计远距离传输系统时应该仔细考虑信号线之间的阻抗平衡问题。
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