摘要：该文针对TMS320C24X控制系统，提出了其电磁兼容设计方法。包括减少TMS320C24X DSP电磁干扰的电路设计，印刷电路板设计，并研究了控制方案对电磁兼容的影响。
关键词：电磁干扰；DSP；PWM；智能仪表
中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)29-0488-02
The EMC Design of DSP-based Intelligent Control Instruments
SUN Hu-jun
(Department of Computer Engineering,Xi’an Aerotechnical College,Xi’an 710077,China)
Abstract: For control system of TMS320C24X,The paper proposed it’s EMC design method.Including the circuit design to reduce TMS320C24X DSP electromagnetic interference and printed circuit board design.And research programmes on the control of the impact of electromagnetic compatibility.
Key words: EMC; DSP; PWM; intelligent instrument
电磁干扰产生于干扰源，它是一种来自外部和内部的并有损于有用信号的电磁现象。干扰经过敏感元件、传输线、电感器、电容器、空间场等形式的途径并以某种形式作用，形式各异，称之为传导干扰。由于仪表工作现场环境复杂，而DSP本身又是一个相当复杂，种类繁多并有许多分系统的数、模混合系统，所以来自外部的电磁辐射以及内部元器件之间、分系统之间和各传输通道间的串扰对DSP及其数据信息所产生的电磁干扰，已严重地威胁着其工作的稳定性、可靠性和安全性。因此基于DSP的智能控制仪表的电磁兼容设计显得尤为重要。
1 基于DSP的智能控制仪表的电磁干扰
电磁干扰可以沿各种线路侵入DSP系统，也可以以场的形式从空间侵入DSP系统。其主要的渠道有三条，即空间干扰，供电系统干扰，过程通道干扰。空间干扰多发生在高电压、大电流、高频电磁场附近，并通过静电感应，电磁感应等方式侵入系统内部；供电系统干扰以电源的噪声干扰引起的；过程通道干扰是干扰通过前向通道和后向通道进入系统。电磁干扰对DSP系统的作用可以分为三个部位。第一个部位是输入系统，当干扰侵入DSP系统的前向通道叠加在信号上，会使数据采集误差增大，特别是前向通道的传感器接口是小电压信号输入时，此现象会更加严重。DSP系统根据这种输入信息作出的反应必然是错误的。第二个部位是输出系统，使各输出信号混乱，不能正常反应DSP系统的真实输出量，导致一系列严重后果。第三个部位是DSP系统的内核，使三总线上的数字信号错乱，引发一系列严重后果：程序运行失常，内部程序指针错乱，运行了错误的程序；控制状态失灵；RAM中数据被修改，使程序得出错误的结果；更严重的会导致死机，系统完全崩溃。
DSP的电磁兼容特性主要反映在管脚信号电气特性上。其输入输出信号多数是数字信号，包括功率器件IPM也工作在开关状态，整个系统具有明显的数字电路特征，只有电流反馈环路是模拟信号[4]，通过DSP的片内A/D转换器将模拟信号转成数字信号进行处理，再控制PWM的输出来实现闭环控制。
1.1 电源对系统的影响
电源是多种干扰信号影响系统正常工作的途径，主要有以下几点影响：
内阻不可能为零，凡是共电源的部分其干扰信号都可以通过电源内阻互窜，电网线上是外部干扰(如：雷电、电磁发射)进入的渠道；电源负载的断开与接通将在电网上形成很大冲击，感性负载的冲击更为严重；电源本身将产生许多干扰信号，特别是IGBT高速开关产生的开关噪声。干扰信号在系统中存在2种形态，即共模与串模干扰信号。共模干扰又称共态干扰，是干扰电压同时加到两条信号线上出现的干扰，因此线路传输结构保持平衡能很好地抑制共模干扰。串模干扰又称正态干扰，是指串联于信号回路中的干扰，产生于传输线的互感，与频率有关，常用滤波和改善采样频率来减少。另外，消除地电流，能消除共模干扰。
1.2 瞬态脉冲干扰对数字电路的影响
数字信号处理器用高、低电平来表示二进制数据，并通过各种电路来描述信号特征，从而达到控制对象的目的。瞬态脉冲干扰将严重地影响了数据传输和控制状态，数字电路本身虽然具有很强的抗干扰能力，但在高频率电路中易受到携带高能量的脉冲干扰，其干扰部位表现在时钟发生器、总线数据传输、PWM控制信号。IPM内部的IGBT高速工作在开关状态将产生很强的开关噪声，通过地线、电源线、分布电容、分布电感的耦合带入低压数字电路中，严重地干扰了TMS320C24X数字信号处理器的运算，表现为失控、程序跑飞和死机。
2 智能控制仪表设计时硬件方面电磁兼容设计
仪表电路设计中的电磁兼容性很大程度是由线路储藏和互相连接的成分决定的。有从天线返回的相应信号列是能放射出电磁能量的，其最主要是由于电流幅值、频率和电流线圈的几何面积决定的。通常，最主要地电磁干扰来源是电源、高频信号、接口电路、总线、振荡器电路。
2.1电源系统的电磁兼容设计
电源系统包含主电源和低压辅助电源[5]。低压辅助电源是指DSP及其相关的接口电路所需的+5V，±12V，和IPM驱动电路的4组+15V隔离电源。主电源是指用于电机驱动可调速的AC／DC／AC电源，他与低压辅助电源相互隔离，不共地。电源系统采用的抗干扰措施有：
1) 电网输入的交流电应加EMI抑制滤波器，即由共态扼流圈L，电容C，电阻R组成的低通滤波器。它不仅能防止电网的串模、共模干扰信号进入电源，而且还有效地防止系统本身产生的干扰进入电网，有利于环保。2) IGBT大电流通断时，电路中伴有电压性和电流性的浪涌，由于du/dt，di／dt很大，故浪涌干扰信号的高频成分很高，在IPM电源输入端应并联小容量的高频电容，以消除寄生振荡。3) 功率输入输出电源连接线采用绞线连接，这样能减小环路的电流产生电磁场的辐射。4) 低压与高压利用互感器、光耦信号和地线隔离，以阻断共模干扰。按电源输出的干扰的持续时间Δt的不同来选择抑制对策；Δt>1s为过电压、欠电压，停电干扰。采用不间断电源（UPS）和稳压的办法抑制；Δt>10ms为浪涌、下陷、降出干扰，干扰电压的幅度大、变化快，可烧坏系统或者形成振荡，需要用快速响应的浪涌吸收器、电压瞬态抑制二极管(TVS)来防止；Δt为微秒级，属于尖峰电压干扰，持续时间短，一般不会烧坏系统，但能破坏DSP的源程序的运行，使逻辑功能混乱，信号线应远离干扰源和加屏蔽；Δt为纳秒级，属于射频干扰，对DSP和数字信号的危害不严重，一般在IC的电源输入端加高频去耦电容即可。
2.2 采用硬件滤波技术降低DSP的电磁干扰
信号在传输过程中，往往会叠加很多干扰噪声而妨碍系统正常工作。加入滤波器能有效地使有用信号频率通过，而抑制噪声频率。因此合理地加入滤波器并精心设计它的参数至关重要。
1) 对电源线和所有进入PCB的信号进行滤波，在IC的每一个点引脚处用高频低电感陶瓷电容进行去耦；2) 在器件引线处对电源/地去耦；3) 用多级滤波来衰减多频段电源噪声；4) 把晶振安装并嵌入到板上并且接地；5) 在适当的地方加屏蔽；6) 安排临近地线仅靠信号线，以便更有效地阻止出现新的电场；7) 把去耦线驱动器和接收器适当地放置在仅靠实际的I/O接口处，这可降低PCB与其它电路的耦合，并使辐射和敏感度降低；8) 对有干扰的引线进行屏蔽和绞在一起，以消除PCB上的相互耦合；9) 在感性负载上加cc位二极管。
2.3 接口电路的抗干扰措施
接口信号受到干扰将影响到系统的控制结果。接口的干扰主要来自其相连接的传输线，包含了印制板的电路线设计和电路板与电路板间的连接。电路板与电路板间的连接最常用的传输线有扁平电缆、双绞线和同轴电缆等，从抗干扰的角度看，双绞线是一种抵抗电磁干扰性能较好的传输线，其相交的回路中两线的往返电流感应作用相抵消，因此作用距离达10m，用于电源的输出和输入部分。DSP产生的PWM控制信号作用于IPM，采用光耦隔离，因为光耦的共模抑制比很高，有效地防止了控制电路和PWM变换器间的共模干扰。
2.4 振荡器
在数字系统中最高的连续频率通常是由时钟发生器产生的，在DSP的内部振荡器中使用一个晶体，这有助于减少高频电流，同时减小流通路围住的面积会减少电磁干扰，由于晶体在共振频率上的几百kΩ的高阻抗，电流在引起晶体共振的频率上很小的。然而CMOS反向换流器的输出电压是1个包含大量谐波的方波信号，因此，晶振就不再是高阻抗，这会导致较大的谐波电流，串联电阻可以减少相应的电流，串联电阻Rs应在1kΩ范围内。在振荡频率处，两个旁路电容提供了低阻抗特性，因此，有相当的电流流过旁路电容。同时，为了减少电磁辐射，这一部分电路所围成的面积应该尽量小。
2.5 总线的抗干扰措施
1) 信号回路：具有高频信号的信号线、低位地址线、时钟、串口等，其通常接CMOS输入终端，相当于几个100kΩ电阻和10pF电容并联的负载，这一负载的充电和放电均会产生尖峰电流，形成电磁干扰。通常可用两种方法来减少这方面造成的电磁干扰。第一种方法是尽可能地减少这些电源，在输出端串接一个大约50Ω的电阻。第二个预防措施是天线（信号及其响应的返回线）应尽可能减少，最有效的方法是保持临界路（优先时钟回路、低地址回路、其它数据回路）尽可能的短。
2) 总线上数据冲突的防止措施：CPU与随机存储器的连接是由总线收发器通过内部双向数据总线实现的，内部数据总线上会在某瞬间产生冲突，解决方法是缩小随机存储器存取数据的时间即缩小选通时间。
3) 克服总线上瞬间不稳定的措施：当两个相位相反的控制信号在时间上存在偏差时，一个由低电平变为高电平，而另一个还来不及由高电平变为低电平，两个均是高阻状态，这一瞬间如果总线的负载是TTL电路，它将因自身的泄漏电流使总线电压不稳定；若负载全是CMOS或NMOS，则有几百兆欧的断开状态，很容易耦合干扰。用上拉电阻连接到电源，使总线在此瞬间处于高电位，这样增强了总线的抗干扰能力。其上拉电阻常选择1Ω。
2.6 印制电路板抗干扰措施
根据电磁辐射模型公式：E=263×10-6(f2AI)／r，可以看出，减小f，A，I均可以降低印制电路板上的电场发射。
因此为了更好地抑制干扰，印制电路板的设计中应考虑以下一些问题[6]：
1) 布线原则：数字信号线和模拟信号线分开，强弱信号分开，直流电源线正交，发热元件应远离集成电路，磁性元件要屏蔽，每个IC芯片的电源端对地端要有去耦电容，引线要短。2) 印制板的大小应适中，逻辑元件相互靠近，与易产生干扰的器件远离。印制电路板的接地线应尽量宽，这不仅仅是因为能减少损耗，而且也能减少线的电感分量，从而减小共模干扰。如果是双层布线或多层布线时应遵循电源和地为中间层、顶层和底层的电线相互正交，尽量少走平行线。
3智能控制仪表设计时软件方面的电磁兼容设计
软件抗干扰既能提高效能、又能节省硬件。大量的干扰源会引起系统的工作不稳定、数据不可靠[7]、运行失常、程序“跑飞”。而这些故障具有暂时性、间歇性、随机性，用硬件解决比较困难，因此必须借助软件技术予以解决。
3.1 采用拦截失控DSP程序的方法
1) 指令冗余：CPU取指令过程是先取操作码，再取操作数。当DSP系统受干扰出现错误，程序便脱离正常轨道“乱飞”，当乱飞到
双字节指令，若取指令时落在操作数上，误将操作数当作操作码，程序将出错。在程序设计时应多采用单字节指令，并在关键处插入一些空操作指令，或对重要的指令可重复写多个，这样可保护其后的指令不被拆散，使程序运行走上轨道。2) 加入软件陷阱：当程序失控后，CPU进入非程序区，这时可用一条引导指令，强迫程序进入初始入口状态，进入程序区，可每隔一段设置一个陷阱；3) 重新初始化，强行恢复正常工作，运行监视系统，以免I／O的输入输出不正常。
3.2 抗电磁干扰的控制方案选择
根据电磁干扰理论，常用的几种电源波形有高斯波形、余弦波、临界阻尼指数波、梯形波、锯齿波、三角波、矩形波。因此，采用软开关电路可以减少主电路对控制电路的电磁干扰。采用空间矢量PWM或不恒定的PWM产生器也可以减少电磁干扰。研究表明，PWM频率恒定时电路所产生的EMI及其谐波均很大，对PWM频率进行微小改变就可以大幅减少EMI。
3.3 利用时间冗余技术，屏蔽干扰信号
即多次采样输入、判断，以提高输入的可靠性；利用多次重复输出来判断，提高输出信息的可靠性；查询中断源的状态，防止干扰造成误中断；在不需要的时间里屏蔽中断，以减少误中断。
3.4 标志法
定义某单元为标志，在模块主程序中把该单元的值设为某个特征值，然后在主程序的最后判断该单元的值是否不变，若不同了则说明有误，程序就转入错误处理子程序。
3.5 增加数据安全备份
重要的数据用两个以上的存储区存放，这可以用大容量的外部RAM，将数据做备份永久性数据制成表格固化在EPROM中，这样既能防止数据和表格遭破坏，又能保证程序逻辑混乱时不将数据当指令去执行。
3.6 其它措施
1) 容错技术：采用一些特定的编码，对数据进行检查，判断是否因存放受干扰，然后从逻辑上对错误进行纠正；2) 采用数字滤波技术可以有效地消除模拟输入信号的噪声。数字滤波技术有：中值滤波、算术平均值滤波、加权平均值滤波等。3) 多用查询代替中断，把中断减少到最小，中断信号连线长度应不大于0.1m，以避免误触发和感应触发；4) 对于输入的开关信号进行延时去抖动；5) I/O口正确操作，必须检查口执行命令情况。防止外部故障不执行控制命令；6) 通信应加奇偶校验或采用查询、表决、比较等措施，防止通信出错。必要时，重新复位通信寄存器设置，防止通信错误而导致通信失败或造成其它故障。
4 结束语
电磁兼容是仪表设计中所要考虑的重要问题，电磁兼容设计是否合理直接关系到仪表能否安全可靠工作。仪表设计者应根据仪表的工作环境、技术性能指标、工艺复杂性、成本等因素进行电磁兼容性综合设计，使基于DSP的智能控制仪表符合EMC要求。
参考文献：
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