用现场电磁兼容性理论剖析单片机系统设计解析方案

单片机系统在军事、工业、民用产品中的应用越来越广。它将许多以往用硬件实现的功能由软件来完成，体积小巧、功能丰富、智能化程序度，但在可靠性方面也面临许多新问题。用现场电磁兼容性(EMC)理论剖析单片机系统设计中的某些传统观念，会发现许多误区，并且有些误区至今还在工程界广为存在。

1 误区之一：有了看门狗就不会死机

死机是指CPU的程序指针进入一个死循环，无法执行正常的程序流程。其外在表现常常是：正常功能丧失，按键无响应，显示凝固。单片机死机后，只有复全才能走出死循环，执行正常的程序流程。众所属知，克服死机的最有效手段是加看门狗(WatchDog)。

目前用得最广泛的看门狗实际上是一个特殊的定时器DogTimer。DogTimer按固定速率计时，计满预定时间就发出溢出脉冲使单片机复位。如果每次在 DogTimer溢出前强行让DogTimer清零，就不会发出溢出脉冲。清零脉冲由CPU发出，在单片机程序中每隔一段语句放一个清DogTimer的语句——FeedDog语句，以保证程序正常运行时DogTimer不会溢出。一旦程序进入一个不含FeedDog语句的死循环，DogTimer将溢出，导致单片机复位，跳出这个死循环。本文称这种看门狗为典型看门狗，典型看门狗已被集成比，如MAX706、MAX791等[1];还有许多单片机本身集成了这种看门狗，如PIC16C57、MC68HC705等，具体电路可参阅这些芯片的技术资料[2]。

有一个错误观点：加了看门狗，单片机就不会死机。实际上，看门狗有时间会完全失效。当程序进入某个死循环，而这个死循环中又包含FeedDog语句，这时 DogTimer始终不会溢出，单片机始终得不到复位信号，程序也就始终跳不出这个死循环。针对这一弊端，笔者设计了双对限看门狗和定时复位看门狗。

双时限看门狗有两个定时器;一个为短定时器，一个为长定时器。短定时器定时为T1，长定时器定时为 T2，0

这样，当程序进入某个死循环，如果这个死循环包含短定时器FeedDog语句而不包含长定时器 FeedDog语句，那么长定时顺终将溢出，使单片机复位。巧妙安排长定时器FeedDog语句的位置，可保证出现死机的概率根低。在水轮发电机组微机控制装置中的对比应用证明了这一点[3]。

目前几乎所有的看门狗都是依赖于CPU(依赖于CPU FeedDog)。这可以比作：一个保险设备能否起到保险作用还依赖于被它保护的对象的行为。显然，依赖于CPU的看门狗是不能保证单片机在分之百不死机的。

在绝对不允许死机的装置中，笔者设计了一种完全不依赖于CPU的看门狗——定时复位看门狗。定时复位看门狗的主体也是一个定时器，到预定时间就发出溢出脉冲，此溢出脉冲使单片机强行复位。定时复位看门狗不需要CPU FeedDog。

简言之，定时复位看门狗就是定时地让单片机强行复位。这样，即使装置死机，其最大死机时间也不会大于定时器定时时间。显然，只要硬件完好，这种看门狗百分之百地保证了单片机不会长时间死机。在智能电表(包括IC卡电能表、复费率电能表、多功能电能表 [4])中采用了定时复位看门狗，每1秒让CPU强行复位，迄今数十万电表运行了近五年，无一例死机报告。

必须指出，采用这种看门狗，CPU的编程要适应定时复位的环境，保证定时复位不打断那些不能打断的程序，不造成任何误动作。

2 误区之二：加电源滤波器能提高EMC性能

在单片机系统中，为了抑制电磁干扰(EMI)，常常在交流电源进线与电源变压器之间加电磁滤波器。常用电源滤波器如图1。

图1都是双II型LC滤波器，其中C0专用于旁路差模干扰。两者的不同之处在于：图1(b)两个电容接大地。设电感的电阻为R，它们的隔频特性分别是：

当R很小时，上述两个滤波器的谐振频率分别为：

可见，它们的幅频特性相似，谐振频率不同。从滤波效果来看，两者对于降低来自交流电的差模干扰效果差不多，但是后者对于降低共模干扰效果更好。不过同，对于采用浮地方式的装置，由于电容不可能直正接到大地，所以只能用者。

设计滤波器时必须注意让谐振频率远小于干扰频率，处理不好不仅不能衰减干扰，反而放大干扰。以图 1(a)的双II型滤波器为例，如果取L=1mh，R= 1Ω，C=0.47μF(这是许多资料推荐的参数)，可计算出f0=5.2kHz。而EMC测试中的快速脉冲群频率是5.0kHz(2kV)或 2.5kHz(4kV);5.0kHz刚好谐振，2.5kHz也不会被衰减，如图2虚线的示。可见，不是所有的电源滤波器都能提高EMC性能。工程中，许多装置尽管采用了成本不菲的滤波器，但EMC测试仍难过程，原因大多在此。

实际上，如果取L=30mh，R=5Ω，C=0.47μF，可计算出f0=0.95kHz，5.0kHz脉冲群幅值减为3.7