單片機系統中的EMC技術應用

丁犇

摘 要

在單片機系統的生產過程中，EMC是一個非常重要的組成部分，其中EMC電磁兼容性主要由EMI以及EMS組成，分別是電磁干擾和電磁抗干擾。但是，EMC非常容易受到電磁干擾的侵害，進而直接破壞單片機系統的穩定，因為，一定要對EMC問題引起重視。本文通過分析電磁干擾產生的原因，對單片機系統中的EMC技術進行了詳細的分析，充分發揮了其在單片機系統中的作用。

【關鍵詞】單片機系統 EMC技術 電磁干擾

在EMC電磁兼容性中，主要包含了電磁干擾和電磁抗干擾。在科學技術不斷發展的同時，單片機的應用也變得越來越廣泛，單片機自身雖然具有較強的抗干擾能力，但是在以單片機為關鍵部分所形成的控制系統中，在應用的過程中仍然會存在著一定的電磁干擾問題。為了避免外界對單片機系統產生電磁干擾，使單片機系統在穩定可靠的環境下運行，一定要充分發揮EMC的作用。本文對單片機系統中EMC技術的應用進行了詳細的分析，希望能夠防止單片機系統受到電磁干擾。

1 產生電磁干擾的具體原因

單片機系統在運行的過程中，經常會受到一些強電設備的干擾，比如電機啟動以及繼電器吸合等，如果利用示波器，就能夠清除的看見電源電壓波形上面干擾。另外，因為某些特殊原因，有些情況下單片機系統中每個部分之間都要保持一定的距離，再加上數據線和控制線使用的都是比較長的導線，沒有采取相應的保護措施，在這種情況下單片機系統會更加容易收到電磁干擾。通過研究得知，單片機系統中的電磁干擾大部分都是以輻射以及電源回路的形式侵入的，干擾的途徑主要包括以下幾方面：首先，對輸入途徑的干擾，它會導致模擬信號發生失真的情況，數字信號出現錯誤，如果單片機系統按照錯誤的信號進行計算，那么得出的結果一定不會正確；其次，對輸出途徑的干擾，在對輸出途徑產生干擾時，它會和輸出的信號相加，致使輸出信號發生混亂，對正確的處理結果不能及時的反饋；最后，對單片系統內部總線的干擾，它會直接打亂控制、數據總線以及地址上面的數字信號，使EMC出現錯誤，程序受到破壞，甚至出現死機的情況。

2 EMC技術的研究趨勢

通過上述對產生電磁干擾的具體原因以及干擾途徑的分析，可以得出EMC技術的研究趨勢主要包括以下幾方面：

2.1 單片機系統中硬件的屏蔽

單片機系統中的屏蔽主要用來切斷由感應耦合、交變電磁場耦合以及景點耦合結合在一起形成的電磁噪聲傳播途徑，對它們進行電磁屏蔽、磁場屏蔽以及靜電屏蔽。而屏蔽技術的主要研究趨勢是對金屬、復合材料以及各種材料進行功能屏蔽，或者是對多層、單層以及各種結構的屏蔽等。

2.2 單片機系統中硬件的隔離

單片機系統中的隔離最主要的作用就是切斷以傳導方式為主的電磁噪聲的傳播途徑，它的研究趨勢是利用直流繼電器、交流繼電器、光電隔離器以及隔離變壓器等實現電磁干擾和單片機系統的隔離。它最大的特點就是非常容易的隔離兩部分的地線系統，避免在單片機系統中出現耦合的現象。

2.3 單片機系統中硬件的濾波

對于單片機系統中的濾波來說，它主要是設置在頻域上，主要的作用是能夠切斷噪聲的傳播。它的研究趨勢是充分利用電熔電感等濾波器件，把沒有利用價值的部分的信號過濾掉，保存需要的信號。比如，在處理電源濾波器時，過濾掉一些高頻和低頻的電磁噪聲，只保存50Hz的電源頻率，從而實現單片機系統的良好運行。

2.4 單片機系統中硬件的接地

單片機系統中的接地，它是有效信號和電磁噪聲的提供途徑，它的研究趨勢是信號地、電源中線以及安全地的各種接線，是一種非常有效的接地方法。它在工作的過程中，主要會考慮到怎樣設計接地體、如何進行數字地和模擬地的布置等。

2.5 單片機系統中軟件的編程

雖然上述的硬件抗干擾措施起到了一定的作用，為單片機系統的運行營造了一定安全穩定的環境，但是并沒有在本質上解決電磁干擾的問題，不能確保一點干擾都沒有，所以，要充分發揮軟件編程的作用。所謂的軟件抗干擾技術，就是單片機系統受到干擾之后，改變單片機系統內部的程序，使單片機系統恢復到正常的運行狀態。比如，當輸入信號受到干擾時，系統中制定的編程就能對其進行篩選，保存下真實的信號。這種編程設計千變萬化，可以節省一定的硬件成本，而且操作起來也非常簡便。

3 單片機系統中EMC技術的應用

3.1 EMC技術在單片機系統硬件中的應用

3.1.1 接地方式

因為單片機系統的工作頻率比較低，基本上1MHz以下的干擾頻率就能對其產生影響，因此，可以使用一點獨立接地的方式，但是，一定要注意接地線的長度要比波長的 短。在一點接地方式中，主要包括串聯一點接地和并聯一點接地，串聯一點接地是為了避免電磁干擾，而且每個支路中間的地線應該減小到最大限度，使線徑保持在足夠粗的狀態，尤其是電平比較低的，應該將其設置在電源的旁邊。與串聯一點接地相比，并聯一點接地中各個支路上的電流互相都不會產生影響，更不會出現干擾的現象，從而保證了單片機系統的練好運行。

3.1.2 光電隔離

在單片機系統的運行過程中，將光電隔離器件安置在輸入和輸出的通道上，從而實現信息的傳遞，而且還能使單片機系統和開關、繼電器以及傳感器等各個機構分離開來，和PLC相似，能夠將大部分外界帶來的干擾阻擋在外面。另外，一些數字信號也可以利用光電耦合的方式進行傳遞，而模擬信號可以利用線性光耦的方式進行傳遞，從而保障單片機系統的運行質量。

3.1.3 濾波

如果要想在單片機系統中進行低頻信號的傳輸，可以適當的添加一些RC低通濾波器，能夠在一定程度上減小外界對單片機系統的干擾。在單片機系統的運行過程中，對電源環境有比較高的要求，這時就可以利用電源濾波器，只需要保存50Hz的電源頻率，其他的高頻和低頻電磁噪聲都可以直接過濾掉。

3.1.4 屏蔽

在單片機系統中如果發生電磁干擾，屏蔽能夠發揮很好的作用，利用金屬殼把單片機系統中的關鍵部分保護起來，之后將金屬外科或者是金屬閘直接接地，就能將電磁干擾導入到大地中，防止電磁干擾對單片機系統產生影響。另外，屏蔽外科的接地點要和系統信號中的接地點結合在一起，如果從被金屬屏蔽的單片機系統中接出一個信號線，就要使用屏蔽線，這時屏蔽層和外殼要保持在同一點進行系統參考點的連接。需要注意的是，一些特殊的參考接地點的不同系統應該分開屏蔽，不能放在同一個金屬屏蔽殼里。

3.2 EMC技術在單片機系統軟件中的應用

3.2.1 數字濾波器

在單片機系統的運行過程中，可以將EMC技術應用在單片機的軟件中，進而更有效的對疊加在模擬信號中的噪聲進行控制，并且獲得正確的信息。單片機系統中經常使用的濾波方式有程序判斷濾波、中值濾波、算術平均濾波以及加權平均濾波等，這些濾波方式能夠很好的避免單片機系統受到外界的電磁干擾，從而更加安全可靠的運行。

3.2.2 軟件攔截

如果單片機系統受到電磁干擾，出現程序錯亂的現象，必須要及時采取有效措施將程序帶回到正常的道路中，其中經常見到的抗干擾技術是軟件攔截技術，它會通過NOP指令的使用、未使用的中斷區陷阱以及程序區陷阱等來實現單片機系統的抗干擾，從而確保單片機系統的良好運行。

3.2.3 程序監控

如果單片機系統受到電磁干擾，導致程序進入一個死循環，這時不管是指令還是軟件攔截都不好用，單片機系統會徹底的癱瘓，處在無法運行的狀態。針對這種情況，在單片機系統的程序中應該安裝一個監控系統，對整個程序進行監控，其中主要要具有以下幾方面的特點：首先，該監控系統能夠獨立工作，不會時刻依靠單片機系統中的MCU；其次，該監控系統應該在規定的時間和MCU接觸一次，確保該系統運行正常；最后，如果MCU陷入了死循環，該系統能夠在第一時間發現，并且采取相應的措施使其恢復到原本的運行狀態。

3.3 EMC技術在單片機系統中其他部分的應用

EMC技術除了上述的應用之外，在單片機系統中還有其他方面的應用，其中主要包括以下幾方面：首先，單片機系統在運行的過程中，會用到長線進行信號的傳輸，這時可以使用雙絞屏蔽線來作為傳輸線，從而對共模噪場和電磁場的干擾起到控制作用。但是，需要注意的是，一定要確定好傳輸線的阻抗匹配，防止出現反射現象，導致信號失真；其次，在進行單片機系統的外圍電路設計時，一定要注意進行電平匹配，比如TTL“1”電平是2.5到5伏，“0”電平是0到0.5伏。如果CMOS輸入“1”電平，那么就是4.89到5伏，如果輸入“0”電平，那么就是0到0.02伏。所以說，一旦CMOS接受TTL的輸出，那么就要在輸入端添加電平轉換器或者是上拉電阻，不然的話，CMOS中的器件就會保持在不確定的狀態；再次，在單片機擴展時，一定不能超過它自身的驅動能力，不然會導致整個系統工作處在不正常的狀態。如果必須要超負載運行，就要添加總線驅動器，比如74LS244以及74LS245等；最后，在CMOS電路中，如果有不使用的輸入端一定不要懸空放置，不然會導致電平出現不正常的現象，而且在外界電磁干擾的情況下還會出現錯誤的動作。因此，在進行CMOS電路的設計時，可以按照實際的情況，將多出來的輸入端和正電源或者地面連接在一起，這樣就會避免出現上述的情況，還會確保單片機系統的良好運行。

4 結束語

綜上所述，EMC技術在單片機系統的運行過程中起著非常重要的作用，能夠避免外界產生的電磁干擾影響單片機系統的安全運行，因此，我們一定要對EMC技術引起重視，充分發揮其在單片機系統中的重要作用，實現單片機系統的良好運行。

參考文獻

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[2]陳曉輝，董邦天，黃晉豪.淺談單片機系統設計的誤區和對策[J].通訊世界，2016（09）：264.

[3]薛建方.淺談單片機系統設計的誤區與對策[J].電子制作，2013（18）：20.

作者單位

佛山職業技術學院 廣東省佛山市 528137