多功能接口電路板設(shè)計及EMI仿真研究

候永愛，劉利銳

（1.內(nèi)蒙古一機(jī)集團(tuán)宏遠(yuǎn)電器股份有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014032；2.內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)股份有限公司科研所，內(nèi)蒙古 包頭 014032）

0 引 言

本文設(shè)計的多功能接口電路板主要功能為管理控制旋轉(zhuǎn)變壓器、伺服系統(tǒng)、上位機(jī)及傳感器各接口，同時負(fù)責(zé)上位機(jī)下發(fā)指令并解碼，實現(xiàn)傳感器及伺服系統(tǒng)狀態(tài)的回送，對旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行解算等。

1 多功能接口電路板設(shè)計需要關(guān)注的問題

1.1 疊層設(shè)計

對于本文研究的多功能接口電路板設(shè)計來說，疊層設(shè)計極為重要，直接影響多功能接口電路板的電磁兼容性。結(jié)合相關(guān)理論研究和實踐探索可以了解到，為保證多功能接口電路板的電磁兼容性，具體設(shè)計需遵循6個原則：（1）結(jié)合電磁兼容性、信號走線路徑等要求，評估電源、信號等層的數(shù)量；（2）將平面間的間距增大，以減少輻射的電磁波和耦合干擾，并降低電磁干擾；（3）減小地平面與電源平面間的距離，以增強(qiáng)二者的耦合性，這一過程需盡量靠近排布相鄰兩平面，電源平面的目標(biāo)阻抗可基于二者耦合電容降低；（4）對于關(guān)鍵信號，如時鐘、高頻等，地平面需要與這類信號相鄰，這一過程需要保證屏蔽效果最優(yōu)；（5）需設(shè)法保障信號完整性，并最終提升多功能接口電路板的電磁兼容性；（6）對于地平面為多功能接口電路板頂/底第二層的設(shè)計，需為頂/底層布線提供外部器件、內(nèi)部走線以及參考平面的屏蔽，且信號層相鄰情況規(guī)避或針對性增大層間距也不容忽視[1]。

1.2 器件的劃分和布局

多功能接口電路板器件的劃分和布局直接影響其電磁兼容性，因此必須加強(qiáng)對器件劃分和布局的重視。其中，電磁干擾信號源位置和高速信號走線需得到重點關(guān)注，電磁干擾主要源于驅(qū)動電路、時鐘電路以及電源電路等。多功能接口電路板的LDO電源及DC/DC轉(zhuǎn)換器是噪聲的主要來源，記憶傳導(dǎo)和輻射，噪聲會傳給板上其他器件。這種問題會隨供電線路延長而惡化，因此應(yīng)在電源入口處布置主電源和二次電源電路。時鐘電路的輻射也需要得到重點關(guān)注，輻射對敏感電力會帶來深遠(yuǎn)影響，因此多功能接口電路板器件布局時需遠(yuǎn)離高速信號、I/O電路放置時鐘電路，并靠近連接器布放模擬相關(guān)電路，如I/O電路等。此外，印制板內(nèi)部需要針對性布置存儲器電路和高速電路[2]。

1.3 具體設(shè)計思路

本文針對性設(shè)計了一種多功能接口電路板，具體設(shè)計需保證復(fù)雜電磁環(huán)境下多功能接口電路板的電磁兼容性。因此，設(shè)計需要重點關(guān)注電磁輻射源頭，同時需要重視多功能接口電路板，重點應(yīng)在信號、電源的完整性方面。另外，本文針對性選擇仿真軟件，分析設(shè)計的電磁輻射問題，高質(zhì)量、高效性完成系統(tǒng)設(shè)計工作。

2 多功能接口電路板的系統(tǒng)組成

2.1 基本組成

多功能接口電路板的基本組成包括板級BIT模塊、軸角解算模塊和串口通信模塊，以此連接上位機(jī)、可見光攝像機(jī)、紅外攝像機(jī)、激光測距機(jī)、激磁電路、旋轉(zhuǎn)變壓器、伺服控制系統(tǒng)、LED/數(shù)碼管。系統(tǒng)與串口通信模塊、軸角解算模塊的接口分別為RS422接口（4路）、模擬信號接口，板級BIT模塊接口為數(shù)碼管和LED燈接口。

2.2 串口通信模塊

串口通信模塊在本文設(shè)計的多功能接口電路板中主要負(fù)責(zé)上位機(jī)發(fā)送控制指令的接收，控制指令在由串口通信模塊解析后即可分發(fā)給伺服控制系統(tǒng)、傳感器，系統(tǒng)自檢信息采集、伺服模式控制、傳感器的上電及通信控制均可由此完成。串口通信模塊需要同時接收伺服控制系統(tǒng)、傳感器的狀態(tài)信息，并將這類信息回送至上位機(jī)。串口通信模塊的各接口采用差分傳輸方式，應(yīng)用RS422異步串口通信總線，信號抗干擾性較強(qiáng)。

2.3 軸角解算模塊

光電轉(zhuǎn)臺中的軸角解算系統(tǒng)屬于一種電磁感應(yīng)式傳感器。軸角解算系統(tǒng)組成的雙速旋轉(zhuǎn)變壓器由轉(zhuǎn)子和定子構(gòu)成?；趧畲烹妷鹤饔茫鳛樽儔浩鞲边叺霓D(zhuǎn)子繞組可通過電磁耦合輸出正余弦模擬電壓信號，包含角度位移信息。作為在機(jī)載、艦載和陸用平臺，旋轉(zhuǎn)變壓器應(yīng)用較為廣泛。軸角解算模塊主要負(fù)責(zé)接收TTL電平兼容的并行二進(jìn)制數(shù)字量、模擬電壓信號（旋轉(zhuǎn)變壓器輸出）等，光電轉(zhuǎn)臺角度解算可由此基于軸角解算模塊完成[3]。

2.4 板級BIT模塊

板級BIT模塊主要用于機(jī)內(nèi)測試，可服務(wù)于系統(tǒng)內(nèi)部提供隔離故障或檢測診斷的自動測試，由此提升診斷與測試性能，對于實現(xiàn)修復(fù)平均時間縮短、維護(hù)維修工作的更好開展具有積極意義，故障的迅速定位也能順利實現(xiàn)。板級BIT模塊對設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性、可維護(hù)性帶來的影響較為深遠(yuǎn)，設(shè)備的實際使用也會受到深遠(yuǎn)影響。對于本文設(shè)計的多功能接口電路板來說，板級BIT模塊需開展故障現(xiàn)象定位及關(guān)鍵器件狀態(tài)監(jiān)測，由此開展BIT功能的針對性設(shè)計，即可為快速定位故障、提升調(diào)試效率提供支持。模塊需要對故障類別進(jìn)行細(xì)分，細(xì)分為接口故障和底層故障。底層故障可用LED指示燈顯示判斷供電電源部分穩(wěn)定情況，MCU電路（硬件主架構(gòu)芯片）可基于自檢燈顯示，自檢波形可用于CPLD部分的指示燈顯示。接口故障的實現(xiàn)需進(jìn)行接口故障編碼，需充分利用MCU，以明確無故障出現(xiàn)、上位機(jī)發(fā)送與接收故障的接口故障編碼[4]。

3 多功能接口電路板的硬件設(shè)計

3.1 主控制器設(shè)計

在本文開展的多功能接口電路板設(shè)計中，采用STC89C58RD+型號的單片機(jī)作為主處理器。芯片內(nèi)核為8051，內(nèi)部存儲器為FlashE2prom，擁有32 kB的內(nèi)部程序存儲空間。基于多功能接口電路板的設(shè)計需要，多功能接口電路板與通信接口模塊和CPLD的數(shù)據(jù)復(fù)用端口及地址采用單片機(jī)的P0口，P0口負(fù)責(zé)上位機(jī)數(shù)據(jù)指令接收，具體采用單片機(jī)C語言設(shè)計系統(tǒng)軟件。

3.2 CPLD電路設(shè)計

多功能接口電路板CPLD電路設(shè)計采用EPM7192SQI160（Altera公司），硬件描述語言VHDL在CPLD模塊中應(yīng)用完成的主要功能可細(xì)分為3個部分，包括軸角采集電路接口擴(kuò)展、與通信電路及MCU接口控制、數(shù)碼管掃描電路。具體設(shè)計需將兩路信號首先接入CPLD，基于采集信號（MCU發(fā)送），CPLD會對軸角數(shù)據(jù)開展周期性采集，具體存儲采用8位數(shù)據(jù)格式。撥碼開關(guān)狀態(tài)可由數(shù)碼管顯示，包括板級BIT接口故障代碼、俯仰軸角數(shù)據(jù)和方位軸角數(shù)據(jù)[5]。

3.3 通信電路設(shè)計

多功能接口電路板的通信電路設(shè)計采用ST16C554D（四通道異步收發(fā)器），以此擴(kuò)展單片機(jī)的并行口，即可得到4個串口，同時需對各個串口進(jìn)行字長、波特率和奇偶校驗配置。在實際的應(yīng)用配置中，四路串口分別對應(yīng)于伺服系統(tǒng)和三路傳感器。單片機(jī)P0口與四通道異步收發(fā)器的數(shù)據(jù)口連在一起，同時需要連接CPLD。對于屬于數(shù)據(jù)地址復(fù)用線的單片機(jī)P0口來說，四通道異步收發(fā)器地址線連接在CPLD上，CPLD上同時連接片選信號，單片機(jī)讀寫操作僅需要基于P0口開展，通過解碼不同地址，CPLD可對四通道異步收發(fā)器的片選線和地址線進(jìn)行操作，順利完成數(shù)據(jù)選擇串口和芯片通道設(shè)置。對于采用MAX490芯片的接口芯片來說，需應(yīng)用全雙工傳輸通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，并基于RS422標(biāo)準(zhǔn)傳輸進(jìn)行配置。

4 多功能接口電路板的EMI仿真分析

4.1 仿真軟件設(shè)計流程

為實現(xiàn)多功能接口電路板的仿真分析，采用EMIStream工具進(jìn)行研究，基于13條檢查規(guī)則（EMI問題），即可結(jié)合經(jīng)驗理論規(guī)則及仿真結(jié)果優(yōu)化完善多功能接口電路板設(shè)計。圍繞優(yōu)化后的設(shè)計進(jìn)一步開展EMI檢測和仿真分析，最終能獲得滿足電磁兼容規(guī)范的多功能接口電路板設(shè)計。

4.2 EMI仿真分析

在基于多功能接口電路板設(shè)計的EMI仿真分析過程中，需轉(zhuǎn)換PCB文件得到.dsn文件，轉(zhuǎn)換后的文件可由EMIStream識別，隨后需導(dǎo)入，同時設(shè)置多功能接口電路板的元件屬性和網(wǎng)絡(luò)屬性，即可開展多功能接口電路板的EMI仿真。EMI仿真結(jié)果直觀展示了SG模式的過孔、電磁輻射、參考平面改變、濾波器的仿真提示，EMI的嚴(yán)重點數(shù)判斷也在最后括號內(nèi)有著直觀展示，由此開展的優(yōu)化設(shè)計可基于仿真結(jié)果開展。打開仿真分析結(jié)果開展針對性分析可以發(fā)現(xiàn)，該網(wǎng)絡(luò)的頻率、輻射值分別為390 MHz、35.15 dB，35 dB為設(shè)置的最大值。網(wǎng)絡(luò)重新布線基于布線軟件開展，同時需要針對性開展NET回路設(shè)置，取消網(wǎng)路過孔、縮短布線，由此解決和優(yōu)化輻射問題。

4.3 電源層和地層諧振仿真分析

需檢驗PCB有效性檢，驗證多功能接口電路板，仍采用EMIStream工具，開展多功能接口電路板地層和電源層進(jìn)行諧振仿真，優(yōu)選平面VCC對象、針對性設(shè)置參數(shù)、指定激發(fā)諧振位置、開展GND設(shè)定、選擇掃頻范圍屬于其中的關(guān)鍵。基于仿真得到的諧振仿真及頻率特性圖進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，預(yù)設(shè)的電壓等級最高值-10 dB在500 MHz和710 MHz時超過峰值，可見兩個頻段處存在最大的諧振/振幅。為解決多功能接口電路板的電源完整性諧振問題，需采用兩種方法，包括優(yōu)化多功能接口電路板的布局布線及疊層設(shè)計、優(yōu)選合適的去耦電容。對于400 MHz以下工作速率的多功能接口電路板，去耦電容的合理選用可較好實現(xiàn)電源完整性問題處理，但去耦電容作用會隨系統(tǒng)速率提高而減少，此時電源完整性問題的處理需優(yōu)化多功能接口電路板的布局布線及疊層設(shè)計。本文開展的多功能接口電路板設(shè)計采用改變疊層間距的方式處理電源完整性諧振問題，在改變疊層厚度、減小Plane銅厚后開展仿真，可確定超過-10 dB的電壓等級不存在于優(yōu)化厚度的諧振仿真及頻率特性圖上，優(yōu)化的有效性得到證明。

5 結(jié) 論

多功能接口電路板設(shè)計及EMI仿真研究具備較高的現(xiàn)實意義。為更好地設(shè)計多功能接口電路板，必須重視電源完整性設(shè)計、信號布線與回流、器件劃分和布局以及疊層設(shè)計催生的一系列問題。