基于Zigbee的無(wú)線通信傳輸電路的抗電磁干擾優(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)中變得越來越 重要。普通的10kV/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)800V/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2MHz一下低頻應(yīng)采取共地，即一點(diǎn)接地;對(duì)于工作在10MHz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。3 PCB電磁兼容仿真步驟

3.1 PCB的設(shè)計(jì)、布線及輸出

PCB的設(shè)計(jì)在Prote199SE中進(jìn)行，先在Protel中繪制原理圖，再經(jīng)過錯(cuò) 誤檢查后，生成網(wǎng)絡(luò)圖，然后再進(jìn)行布線。此PCB板設(shè)計(jì)為4層，底層和頂層都走信號(hào)線，中間兩層分別是地線和電源，底層和頂層所有有接地和接電源的引腳都 以最短的具體接地和接到電源，保證了信號(hào)完整性及抗電磁干擾性。布線后的電路板如圖1所示。

圖1 布線圖

設(shè)計(jì)好PCB板后，通過輸出功能輸出DXF文件。

3.2 導(dǎo)入Ansoft Designer并生成模型