摘要：隨著嵌入式技術的發展，嵌入式系統對系統穩定性、可靠性、抗干擾性等要求逐漸增高。在此詳細分析嵌入式系統EMC產生的原因和途徑，在不增加CPU額外開銷情況下，采用了意法半導體公司硬件看門狗集成電路STWD100，提高了系統可靠性和穩定性，并給出了STDW100與CPU應用原理圖。實驗證明，采用STDW100硬件看門狗使嵌入式系統具有很強的抗EMC能力，在實際應用中使系統具有相當高的可靠性和穩定性。
1 EMC的特點
嵌入式系統EMC(Electro Magnetic Compatibility)即嵌入式系統電磁兼容性，指嵌入式系統在復雜電磁環境中抵抗其他系統所產生的電磁干擾同時本身產生的電磁干擾又不影響其他系統正常工作。EMC包括EMI(Electro Magnetic interference)和EMS(Electro Magnetic Susceptibility)分別表示嵌入式系統本身產生電磁干擾和嵌入式系統抗電磁干擾的能力。一般要求盡量減小系統工作時本身產生的電磁干擾，加強系統抵抗電磁干擾的能力。例如高頻諧波干擾，這是目前嵌入式系統工作不定的最大潛在因素。怎樣減小嵌入式系統干擾增強其抗干擾性能，盡可能地提高嵌入式系統工作的穩定性和可靠性成為電子工程師們的一大技術難題。
2 嵌入式系統EMC的產生
嵌入式系統產生電磁干擾的大小和抗電磁干擾的能力同系統本身功能有很大關系，不同嵌入式系統產生的電磁干擾不同抗電磁干擾能力也不同。
2.1 高次諧波干擾
根據Fourier series任何一個周期信號S(t)并非單一波形，都由直流分量、基波和各次諧波組成，諧波頻率十分豐富，周期信號S(t)可以用式(1)表示：
直流成分，當n=1時表示信號基波，n=2，3，4，…表示信號2，3，4，…各次諧波，其中基波是該信號主要組成成份，很多時候信號的特性呈現為基波特性。例如在電源系統中交流信號為S(t)=380sin 2π50t表示市電信號存在n=1的基波，信號在基波附近諧波頻率不斷增加、幅度迅速衰減，從理論上說正弦和余弦信號頻譜只存在一點沖擊信號。正弦信號本身所產生的諧波較小而其他電磁干擾參雜在正弦信號中造成系統諧波很大。系統對信號的基波要加以利用，對信號的諧波要加以抑制、濾除。正弦信號本身對外來干擾信號的抑制能力較差容易出現EMC，嚴重干擾系統工作，影響系統穩定性。
2.2 嵌入式系統主頻過高，引起干擾
隨著電子技術的發展，CPU處理速度越來越快，數據吞吐量越來越大，主頻越來越高。8位51單片機系統主頻為12MHz，16位凌陽單片機系統主頻為50MHz，Altera公司Cyclone系列FPGA芯片系統主頻可達200MHz，以Inter PAX255，PAX270，PAX310為核心的嵌入式系統主頻可達820MHz，CPU主頻過高信號變化速率過快，信號幅度大的地方容易引起干擾。根據Fourier Series和Euler Formula，方波信號頻譜為Sine信號，Sine信號為連續信號其本身諧波很大，容易造成系統工作不穩定。
2.3 系統中大功率、大電流用電器動作產生火花引起干擾
系統中含有大功率、大電流繼電器或交流接觸器，驅動電流或電壓過大使諧波幅度大，容易產生較強的電磁干擾；在復雜電磁環境中電機頻繁啟動與大電流有觸點開關的打火現象都會引起很強的電磁干擾，在要求較高的系統中必須解決，否則會引起系統工作不穩定、可靠性差。
2.4 微弱模擬信號的提取與高精度數據采集放大
隨數字信號高速發展，很多模擬信號要轉變成數字信號進行處理，CPU處理完成后又要將數字信號還原成模擬信號，涉及微弱模擬信號的提取和采集放大電路。對于微弱模擬信號的提取通常采用傳感器，傳感器提取的模擬信號非常微弱如果受到外來干擾或系統本身干擾，會造成系統數據采集和處理有誤精度不高、系統工作不穩定。
2.5 電子元器件和電路板本身所產生的寄生干擾
每個電子元器件都有不同的截止頻率，元器件在不同的頻率下會呈現不同的特性。如果信號衰減和信號畸變過大會造成整個系統穩定度受影響甚至系統“死機”或“程序跑飛”。信號頻率過高電容的分布電感，電感的分布電容，電阻對高頻信號的反射，引線的分布電容和分布電感影響系統穩定性，當引線長度大于噪聲頻率相應波長的1/20時，就產生天線效應，噪聲通過引線向外發射。
3 嵌入式系統硬件抗EMC技術
嵌入式系統工作不穩定、不可靠因素有很多，干擾可以來自系統本身也可以來自本系統外其他系統，關于系統干擾靠軟件處理能起一定作用，但僅靠軟件沒有硬件的局面難以支撐，系統抗干擾問題始終難以解決。在可編程系統中為了增加系統穩定性和可靠性，減小系統CPU開支，常用以下方法：
3.1 抑制電源諧波干擾
在可編程電子系統中，能夠解決好電源干擾問題就解決整個系統干擾的一大半，很多干擾都是從電源中出來，電源干擾過大會造成系統不穩定。單純正弦信號不會有干擾，關鍵正弦信號處于干擾很大的環境中，這時正弦信號就會附加干擾。例如：電源線過長在電源線上就會產生寄生干擾，可以在電源線上加上小磁珠或磁環濾波，要求不高的情況下可以加100Ω電阻對干擾信號進行衰減，使干擾信號對系統不起作用。對開關電源來說，主要是振蕩器振蕩頻率過高引起諧波，不僅影響電源而且會影響整個系統，開關電源效率較高很多地方都采用，但在要求比較高的系統中仍然采用線性電源。
3.2 CPU選擇能夠滿足系統要求的最低主頻
CPU主頻過高系統時鐘加快，系統時鐘產生的方波頻率升高，由方波帶來的諧波隨之增加。從Fourier Series和Euler Formula得單一方波比正弦波的諧波幅度大得多，諧波頻率復雜得多，由此系統主頻越高產生的諧波越復雜，影響系統工作的穩定性。但隨著電子技術的發展，CPU主頻越來越高，電子系統越來越復雜，功能不斷增加，集成度不斷提高，但對于CPU來說無論哪方面使用，系統主頻夠用即可。
3.3 減小信號在傳輸過程中的衰減、畸變和反射
現代集成電路制造主要采用CMOS技術，輸入阻抗大、輸出阻抗小，抗干擾能力強，適合小信號放大。CMOS集成電路輸入電流大約為1mA，信號在電路板上延時Td與電路板引線阻抗有關，阻抗越大信號衰減越大、信號延時越長、系統發熱越大，系統穩定性越差。在高速系統設計過程中要考慮PCB信號傳輸延時Td，使信號人為延時Tr大于信號傳輸延時。
3.4 注意PCB布線和元器件高頻特性
PCB布線最大原則是元器件之間引線盡量短、信號線交叉盡量少，盡量不用或少用過孔。模擬地、數字地、高頻地分開走線，然后匯聚成一點，大功率器件、小功率器件和干擾信號特別大的器件在布局時要分開。對干擾信號特別敏感的高頻元器件可以用金屬罩屏蔽起來，避免電磁干擾。
3.5 退耦電容的使用
一般在系統集成電路供電引腳旁都要放置去耦陶瓷電容到地，濾除電源在傳輸過程中所產生的寄生干擾。去耦電容選取并不嚴格，一般來說都是可按f=1/C來選取，對于CPU控制系統來說濾除10～100MHz電源信號寄生干擾，電容取0.01～0.1μF陶瓷電容，系統要求較高的高速電路中可以在集成電路電源端到地用一個1～10μF的電解電容，濾除電源1～10GHz的諧波干擾。
4 嵌入式系統軟件抗EMC技術
為了增強嵌入式系統工作的穩定性和可靠性，嵌入式系統除硬件抗干擾外，可以在軟件上采用一定的技巧抗干擾，使系統工作更加穩定可靠。
4.1 信息冗余技術
為了防止干擾，系統對重要數據或文件復制到多個存儲單元，當一個存儲單元數據損壞后立即啟動備用存儲單元使數據恢復。
4.2 時間冗余技術
為了增強系統可靠性，對于重要區域重復執行，將第1次與第2次的執行結果相比較如相同則認為正確，如不同第1次或第2次執行有問題或兩次都有問題，程序再執行第3次、第4次，如果有1次相同則認為正確。
4.3 自動檢測與診斷技術
自動檢測包括嵌入式系統RAM的檢測、ROM的檢測、標志位的檢測等，對RAM的檢測在開機時可以在RAM存儲區內開辟幾個單元，向RAM存儲單元寫入不同的數值例如55H、AAH、EEH等，在執行程序時讀出這些存儲單元的值是否開機放置的數值相等，判斷程序執行的正確性。ROM用來放程序或表格數值，對ROM區域二進制數0和1的個數檢測系統程序執行的正確性。在程序的執行過程中RAM區域數據結果不同，對標志位產生影響不同，例如51單片機中PSW，當兩個數據相加出現進位時PSW中第位7位CY由硬件置，用戶可以查詢PSW中第7位判斷程序執行的正確性。
4.4 軟件陷阱技術
軟件陷阱技術指嵌入式系統中程序存儲器不一定用完，如因干擾嵌入式系統程序計數器PC值錯誤，程序將會跳到沒用到的存儲空間，導致系統出錯或程序跑飛，軟件陷阱就是在這些沒有用到的程序存儲器中放入空指令和無條件跳轉指令，當程序跑飛跑到空程序存儲器中，嵌入式系統則認為系統受到干擾程序執行出錯，系統自動復位。
5 集成STFWD100xP WTD的應用
5.1 看門狗WTD的分類和特點
看門狗可分為硬件看門狗和軟件看門狗，軟件看門狗不需要外接硬件電路，但軟件定時器會耗費系統CPU資源，軟件過長還可能引起系統不穩定導致系統癱瘓；硬件看門狗幾乎不耗費系統資源使用隨意性較大，硬件看門狗主要是為防止程序在執行過程中受到干擾致使程序跑飛的一種監控芯片，常用WTD集成電路有Xicor公司X25045，Dallas公司DSl232和意法半導體公司STWD100等，有的嵌入式CPU本身自帶WTD，如PIC系列和51S系列單片機。硬件看門狗實際就是一個Timer，未等到定時器溢出時程序不斷給定時器賦值，程序正常執行情況下定時器不會溢出，當程序跑飛沒有正常為WTD賦值定時器會溢出，系統自動復位。看門狗就是在程序正常執行處放一條或幾條喂狗指令，使看門狗處于喂飽狀態，如程序跑飛長時間沒有喂狗，看門狗就會叫使嵌入式系統重啟或復位。
STWD100是意法半導體公司新推出的一款操作簡單、SOT23-5小型封裝、超低功耗、超小體積5腳WTD集成電路，靜態電流13μA、輸出電流20mA、輸出功耗320mW。STWD100系列與X25045不同，STWD100省去繁瑣的命令，例如X25045讀、寫鎖存器，讀寫狀態寄存器；STWD100系列芯片不同喂狗周期不同，每種芯片只有一個固定的定時周期，例如STWD100xP，STWD100xW，STWD100xX，STWD100xY喂狗周期分別為3.4ms，6.3ms，102ms，1.6s。STD100xP引腳和封裝如圖1所示。
圖1中1腳WD0：看門狗溢出后輸出，漏級開路門使用時須接上拉電阻；2腳GND：接地；3腳EN：集成電路使能信號，低電平有效最低保持時間1μs；4腳WDI：時鐘信號輸入端(0.2～0.8)Vcc，上升沿定時器置數并啟動；5腳Vcc：電源，2.7～5.5V。
5.2 STWD100的硬件設計
5.2.1 STWD100與51嵌入式系統連接原理圖
STWD100同51單片機系統連接如圖2所示。
該系統中嵌入式系統復位信號共有3種、上電復位、按鍵復位和看門狗定時器溢出復位。STDW100初始化設置有2種方式：
(1)當系統上電、使能信號EN=0，STWD100xY看門狗啟動定時，定時周期為3.4ms，在3.4ms內WDO輸出高電平，程序必須在3.4ms內送入喂狗指令否則系統認為程序跑飛，WDO輸出低電平系統自動復位，如圖2所示。
(2)當WDI輸入上升沿時看門狗定時器啟動，啟動后WDO保持原有高電平直到定時器3.4ms后溢出WDO翻轉，WDO輸出低電平系統自動復位如圖2所示。
5.2.2 STWD100的軟件設計
根據STWD100時序原理，當系統上電初始化設置使能信號EN=0，WD0=1啟動看門狗，程序在3.4ms定時周期內喂狗防止系統死機或程序跑飛，如在3.4ms內系統未檢測到喂狗指令，WDO輸出低電平系統自動復位，具體程序如下：
5.3 STWD100實驗結果
STWD100技術比較成熟，基本不會出現由STWD100自身技術原因和缺陷帶來的不穩定，關鍵是用戶掌握好軟件看門狗喂狗的時間和時序，喂狗時間過短系統效率不高，喂狗時間過長容易導致系統重啟。STWD100xP時序圖如圖3所示。實驗結果證明在幾乎不占用CPU資源的情況下，系統加上STWD100硬件看門狗后，系統工作穩定度提高很多幾乎沒有出現死機和程序跑飛的情況，有效防止了系統干擾提高了系統穩定性和可靠性。
6 結語
在有交流接觸器、繼電器、電機控制的程控噴泉控制系統中，加STWD100硬件看門狗，系統連續開關50次運行正常；連續工作12h并不間斷外加電機、焊機干擾，系統無死機、程序跑飛等異常情況出現，工作穩定可靠，解決了由繼電器、交流接觸器等器件動作時帶來的干擾，引起CPU誤動和死機等不穩定現象。在實際中應注意掌握好喂狗時間間隔，一般在1～2ms效果最佳。STWD100硬件看門狗在不占用CPU資源的情況下，系統工作穩定度和可靠性提高到100%，可廣泛用于繼電器、接觸器等具有較強干擾控制系統。
作者：晏勇 高曉琴 來源：《現代電子技術》2011年16期