基于Zigbee的無(wú)線傳輸電路的抗電磁干擾優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：電力設(shè)備熱點(diǎn)溫度與電流在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)工作在大型變壓器旁，極易受電磁輻射干擾，針對(duì)該預(yù)警系統(tǒng)的子系統(tǒng)；無(wú)線傳輸部分進(jìn)行了抗電磁干擾設(shè)計(jì)，采用Ansoft Designer軟件仿真分析了PCB(Printed Circuit Board)中電磁波對(duì)PCB電磁兼容性產(chǎn)生的影響，根據(jù)其得出的PCB的電流圖及近場(chǎng)分布圖，分析PCB的電磁兼容性，針對(duì)結(jié)果中的電磁輻射過高區(qū)域進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，經(jīng)Ansoft Designer驗(yàn)證，重新設(shè)計(jì)后的PCB各項(xiàng)指數(shù)有所下降，電磁兼容性得到提高。
關(guān)鍵詞：Zigbee；抗電磁干擾；Ansoft Designer；優(yōu)化設(shè)計(jì)

隨著世界上第一個(gè)電磁兼容性規(guī)范1944年在德國(guó)誕生，電磁兼容設(shè)計(jì)在現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)中變得越來(lái)越重要。普通的10 kV／630 kW“箱式”變壓器低頻噪音輻射處的電場(chǎng)輻射一般可達(dá)800 V／m，電磁輻射可達(dá)30 B／μT，對(duì)工作在此環(huán)境下的無(wú)線傳輸模塊有非常大的影響，因此有必要對(duì)無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行抗電磁干擾設(shè)計(jì)。

1 PCB的抗干擾設(shè)計(jì)
1．1 硬件方面的抗電磁干擾設(shè)計(jì)
1)選擇集成度高，抗干擾能力強(qiáng)，功耗小的電子器件。
2)良好的接地設(shè)計(jì)。對(duì)于工作在2 MHz一下低頻應(yīng)采取共地，即一點(diǎn)接地；對(duì)于工作在10 MHz以上的高頻應(yīng)采用分地，即多點(diǎn)接地。同時(shí)，數(shù)字地和模擬地分開，中間用磁珠連接。對(duì)傳感器信號(hào)地線采用浮空隔離，不與大地相連。將所有閑置的單片機(jī)IO端口，應(yīng)該接地而不是接電源。
3)濾波處理。每個(gè)IC的電源端并聯(lián)一個(gè)高頻電容，減少IC對(duì)電源的影響。
4)PCB的設(shè)計(jì)：①布線時(shí)遵循3-W原則，也就是相鄰兩條線路間的中心距離應(yīng)該大于或者等于3倍的線寬。隨著線間距離的增大，同時(shí)也能減少線間的耦合串?dāng)_。②按照功能布局，不同模塊接對(duì)應(yīng)的電源。③電源和地線盡量的粗，電流方向和信號(hào)線方向相同。④晶振盡量靠近單片機(jī)。⑤線路盡量使用45°折線而不是90°折線。⑥多層板設(shè)計(jì)，將電源層和接地層放在中間層，這樣利于各元器件的迅速接地，抑制共模干擾，有利于抗電磁干擾。
1．2 軟件方面的抗電磁干擾設(shè)計(jì)
1)使用看門狗，MSP430中已經(jīng)集成，遂不贅述。
2)數(shù)據(jù)冗余技術(shù)，在噪聲幅度較大的環(huán)境巾傳輸數(shù)據(jù)，給數(shù)據(jù)增加一定的冗余位用于校驗(yàn)，能增加檢錯(cuò)和糾錯(cuò)的能力，具有非常明顯的抗干擾效果。

2 電磁干擾仿真軟件介紹
電磁干擾的數(shù)值仿真過程也就是電磁場(chǎng)問題的數(shù)值計(jì)算過程，電磁數(shù)值計(jì)算的任務(wù)是基于麥克斯韋方程組，建立逼近實(shí)際問題的連續(xù)型數(shù)學(xué)模型，然后采用相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算方法，經(jīng)離散化處理，解出模型的數(shù)值解，再經(jīng)處理得出場(chǎng)域中任意點(diǎn)處的場(chǎng)強(qiáng)，能量，損耗分布，及其他參數(shù)。常見的計(jì)算法方法有時(shí)域有限元法、頻域有限元法，矩量法等，其中矩量法基于Maxwell方程中的積分方程，計(jì)算精度較高；頻域有限元法基于Maxwell方程中的偏微分方程，計(jì)算量較大，其中Ansoft Designer就是基于頻域有限元方法的軟件。
Ansoft Desinger集成了高頻、基于物理原型的電磁建模、仿真及與電路和系統(tǒng)分析的無(wú)縫連接環(huán)境，為了獲得S參數(shù)和電流密度J，采用了混合電位積分方程(MPIE Mixed Potential Integral Equation)法和矩量法(MoM Method of Moments)分別計(jì)算之，這樣就能通過電流密度求得S參數(shù)和輻射場(chǎng)。
在Ansoft中，只要三維物體表面網(wǎng)格形成，則可利用混合點(diǎn)位積分方程(MPIE)進(jìn)行分析：
為垂直于網(wǎng)格平面的單位矢量；j為虛部單位；ω為角頻率(等于2f)；A表示矢量磁位；φ為標(biāo)量電位；Zs為單個(gè)網(wǎng)格表面的電阻；J為網(wǎng)格上的電流密度。在混合積分后，使用矩量法(MoM)求解網(wǎng)格上的電流密度J，得到網(wǎng)格邊界線上法向方向的電流，在存儲(chǔ)網(wǎng)格邊界線方向電流分量后，網(wǎng)格內(nèi)部每個(gè)點(diǎn)的電流值可通過網(wǎng)格邊界線法向電流分量差值得到。