一種多協(xié)議串行通信板卡的電磁兼容設(shè)計(jì)方法

王劍博

摘要：目前，市面上的串行通信板卡往往集成幾種串行通信方式于一身，在高速情況下帶來(lái)了不同通信方式之間的相互串?dāng)_以及外部干擾問題，這就對(duì)該板卡的電磁兼容性提出了更高的要求。該文通過實(shí)際需求設(shè)計(jì)了一種集成RS-232/RS-422/RS-485的多路串行通信板卡，在不改變?cè)摪蹇姎庑阅艿那闆r下，采用電磁屏蔽的方式，提出了一種新的設(shè)計(jì)方法，出色地完成了對(duì)多協(xié)議串行通信板卡的電磁兼容設(shè)計(jì)工作。

關(guān)鍵詞：串行通信；電磁兼容；電磁屏蔽

中圖分類號(hào)：TP302 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）35-0052-03

A Kind of Electromagnetic Capability Design of Multiple Serial Communication Protocols

WANG Jian-bo

（Xian Aeronautics Computing Technique Research Institute， AVIC， Xian 710068， China）

Abstract： At now， there are many serial communication boards which integrated different kinds of standards of serial communication on sale. In the case of mutual crosstalk between the different high-speed serial communication modes and external interference， which the electromagnetic compatibility of these boards put forward higher requirements than before. This article designed a kind of multi-way serial communication board which integrated three kinds of standard of serial communication—RS-232， RS-422 and RS-485 protocols based on the actual demand and proposed a new method by using the electromagnetic shielding method without changing the electrical performance of the board. The electromagnetic compatibility design of the multi-protocol serial communication board was accomplished excellently.

Key words： serial communication； electromagnetic capability； electromagnetic shielding

1 引言

串行通信作為一種十分常見的通信方式，為計(jì)算機(jī)與其他設(shè)備之間廣泛使用。但是由于串行通信的高速率造成了諸多電磁兼容性問題，集成多協(xié)議串行通信的板卡因高集成度也對(duì)板卡的電磁兼容性提出了更高的要求，因此能否在不改變?cè)须姎庠O(shè)計(jì)的情況下，滿足對(duì)高集成度串行通信板卡的電磁兼容性要求，就顯得相當(dāng)重要，該問題也日益成為高速板卡性能的瓶頸。

2 設(shè)計(jì)方案

多協(xié)議串行通信卡是將RS-422、RS-485、RS-232三種串行通信標(biāo)準(zhǔn)集成于一塊標(biāo)準(zhǔn)CPCI 6U板卡上，完成外接設(shè)備與上位機(jī)使用多種串行通信方式相互通訊的需要。由于其所處電磁環(huán)境復(fù)雜，電磁干擾程度強(qiáng)，而又需滿足多路傳輸?shù)男枨?，因此需要盡量不改動(dòng)原電路設(shè)計(jì)的情況下完成電磁兼容性設(shè)計(jì)，在本文中主要采用一種新的電磁屏蔽的方法，使其完成電磁兼容要求。

2.1硬件設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)的硬件部分主要是由具有SCSI（Small Computer System Interface）標(biāo)準(zhǔn)[1]接口的板卡來(lái)實(shí)現(xiàn)的，板卡上總共有8路串行通道，每路通道的RS-232、RS-422及RS-485的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的轉(zhuǎn)換控制、同異步串行方式的轉(zhuǎn)換選擇均由 Xilinx Spartan6系列的FPGA芯片XC6SLX45完成，F(xiàn)PGA通過PCI9030與上位機(jī)控制程序完成通信。PCI9030將復(fù)雜的PCI總線轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)單的Local bus 總線[2]，F(xiàn)PGA通過對(duì)Local bus的讀寫完成與上位機(jī)的通信。由于FPGA芯片的管腳電平一般為標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平，與RS-232、RS-422和RS-485串行協(xié)議的輸入電壓的電平不符，故還需要相應(yīng)的電壓轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。同時(shí)，為了使8路串行通道能夠兼容多種串行接口標(biāo)準(zhǔn)，每路通道需要有一款通道轉(zhuǎn)換芯片完成RS-232/RS-422/RS-485協(xié)議的電路轉(zhuǎn)換工作，F(xiàn)PGA通過對(duì)通道轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行控制從而配置每路通道所支持的通信協(xié)議[3]。圖1是多協(xié)議串行通信卡的硬件結(jié)構(gòu)圖。

影響該板卡的電磁兼容性問題主要有三個(gè)：一是每路串行通信通道之間互相串?dāng)_的問題；二是因?yàn)樽陨砀蓴_源高速時(shí)鐘和FPGA、PCI總線的工作頻率較高，對(duì)板卡自身具有較高的干擾；三則是因?yàn)橥獠扛蓴_源外部電源、線纜、模塊等外界干擾大。三種電磁兼容性問題疊加，而又不能改變電路設(shè)計(jì)的性能，給很好的解決該板卡的電磁兼容性問題帶來(lái)了難度。

2.2電磁兼容設(shè)計(jì)方案

電磁兼容的三要素為干擾源、耦合通道和受感器，進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)即對(duì)干擾源進(jìn)行抑源，對(duì)耦合通道進(jìn)行切斷，對(duì)受感器進(jìn)行減敏。多協(xié)議串行通信卡面臨上述三個(gè)主要的電磁兼容性問題，單一的措施已經(jīng)無(wú)法完全解決，為解決該板卡的電磁兼容性問題，其電磁兼容設(shè)計(jì)包含了5個(gè)部分內(nèi)容：印制板電路設(shè)計(jì)和有源器件的選用、布線、接地、屏蔽及濾波。本文主要闡述就該板卡進(jìn)行的電磁屏蔽設(shè)計(jì)。

屏蔽技術(shù)主要解決的是抑制在空間傳播的電磁噪聲，即切斷輻射電磁噪聲的耦合途徑的問題。采用金屬材料或磁性材料把所需要屏蔽的區(qū)域包圍起來(lái)，使屏蔽體內(nèi)外場(chǎng)隔離是屏蔽技術(shù)的主要手段。在本文中，采用雙層金屬屏蔽腔對(duì)多路串行通道進(jìn)行隔離屏蔽，這樣既解決了不同串行通道之間的串?dāng)_問題，又切斷了內(nèi)部干擾源及外部強(qiáng)干擾的耦合通道，比較好的解決了上述問題。

3 電磁兼容設(shè)計(jì)

3.1 預(yù)期電磁環(huán)境

電磁騷擾沿空間的傳播是以電磁波的方式進(jìn)行的，可分為近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)。多協(xié)議串行通信卡所處的電磁環(huán)境應(yīng)該是設(shè)備內(nèi)部各電氣板卡引入的電磁干擾，根據(jù)判別條件：

[d=λ/2π] （1）

多協(xié)議串行通信卡與設(shè)備內(nèi)部各部件的距離一般不大于0.1m，可求出對(duì)應(yīng)的臨界頻率為[f0=477MHz]。目前，計(jì)算機(jī)內(nèi)部CPU工作頻率已達(dá)到2.5GHz以上，某些接口控制器芯片的頻率低于臨界頻率。所以說(shuō)，多協(xié)議串行通信卡的輻射場(chǎng)既有遠(yuǎn)場(chǎng)也有近場(chǎng)。

3.2 元器件敏感度分析

在多協(xié)議串行通信卡中，為接收和信號(hào)處理所設(shè)計(jì)的芯片或器件分為調(diào)諧器件和基本頻帶器件兩類。低電平、高密度組裝、高速、高頻器件很容易受到騷擾，尤其是脈沖騷擾。

為了降低相鄰電路之間的串?dāng)_，當(dāng)今電子產(chǎn)品大量應(yīng)用表面貼裝技術(shù)，多協(xié)議串行通信卡為由SMC所采用的多層板跡，SMD占所用元器件比例超過90%，可以使板卡的輻射量大大低于單面板跡線引起的輻射。

多協(xié)議串行通信卡采用的芯片主要有MAX211E用于協(xié)議電平轉(zhuǎn)換芯片、MAX3088E轉(zhuǎn)換收發(fā)器、XC6SLX45-FGG484處理芯片。它們都是由大量的邏輯門電路組成，這些大規(guī)模集成電路是印制電路板的電磁輻射的主要來(lái)源，影響了電子設(shè)備電磁兼容性。

多協(xié)議串行通信卡所處的機(jī)箱內(nèi)，存在來(lái)自板卡間的電磁干擾，比方說(shuō)主板、電源等。它們對(duì)多協(xié)議串行通信卡上的電氣部件除了線上串?dāng)_，還可通過輻射產(chǎn)生影響。

3.3 電磁兼容屏蔽設(shè)計(jì)

3.3.1 屏蔽原理

電磁屏蔽是為避免其它不希望的電磁波對(duì)目標(biāo)電磁場(chǎng)產(chǎn)生耦合干擾進(jìn)而影響目標(biāo)電路電氣性能而采取的措施，其中最常用的手段是實(shí)體性屏蔽。

在物理意義上，常把屏蔽實(shí)體看成是完整、電氣上連續(xù)均勻的金屬板，其屏蔽效能由公式3-2給出，式中A為吸收損耗（倍），R為反射損耗（倍），B為多次反射修正系數(shù)（倍）。根據(jù)Schelkunoff電磁屏蔽理論，屏蔽效能以dB表示時(shí)，式中A、R、B均用dB表示。

SE =A+R+B（dB） （2）

吸收損耗的計(jì)算公式為：

[A=20lgetδ=0.131tfμrσr] （3）

公式（3）中t—金屬板的厚度（mm），f—電磁波頻率，[μr]—相對(duì)磁導(dǎo)率，[σr]—相對(duì)電導(dǎo)率，吸收損耗正比于金屬板的厚度，隨著磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率的提高而增加。

公式（2）中的反射損耗R和多重反射修正因子B的計(jì)算方法這里不予贅述，詳情參看參考文獻(xiàn)[4]。

3.3.2 材料的選擇

選擇屏蔽材料主要考慮材料的電磁特性，即主要看屏蔽材料的導(dǎo)磁和導(dǎo)電率。下面針對(duì)金屬材料的特性和電磁環(huán)境的不同，總結(jié)了以下幾個(gè)設(shè)計(jì)要素：

1） 近場(chǎng)電場(chǎng)屏蔽：采用高導(dǎo)電率金屬屏蔽體并接地。宜采用的屏蔽材料，比如銅；

2） 近場(chǎng)低頻磁場(chǎng)屏蔽：采用鐵等高導(dǎo)磁率的材料作為屏蔽體，為增強(qiáng)屏蔽效果可增加屏蔽體厚度或采用多層屏蔽；

3） 近場(chǎng)高頻磁場(chǎng)屏蔽：對(duì)高導(dǎo)磁材料來(lái)說(shuō)，高頻磁場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致較高的磁損耗，故應(yīng)采用高導(dǎo)電金屬作為屏蔽體，此時(shí)若接地即可屏蔽高頻電場(chǎng)；

4） 遠(yuǎn)場(chǎng)電磁場(chǎng)：采用高導(dǎo)電率金屬并良好接地。

多協(xié)議串行通信卡所處電磁環(huán)境相對(duì)復(fù)雜。該情況下，屏蔽采用雙層屏蔽方式。從具體設(shè)計(jì)上來(lái)說(shuō)，屏蔽腔外層為銅板具有高導(dǎo)電率，內(nèi)層為冷軋鋼板具有高導(dǎo)磁率。兩種金屬材料以屏蔽艙壁的形式與印制板的頂層連接，良好接地。

3.3.3 屏蔽效能的計(jì)算

多協(xié)議串行通信卡與計(jì)算機(jī)主板、電源等模塊工作在機(jī)箱里，根據(jù)需求所配置的板卡也不相同，根據(jù)電磁學(xué)原理，由圖2可知雙層屏蔽的屏蔽效能表示為公式（4）：

[SE∑=SE1+SE2+j8.682πdλ+20lg1-Zs1-ZW1Zs1+Zw1Zs2-Zw2Zs2+Zw2ej4πλd] （4）

公式3-4的第三和四項(xiàng)，如果在一定的頻率范圍內(nèi)為負(fù)值，說(shuō)明在該頻率范圍內(nèi)雙層屏蔽效能小于單層屏蔽之和，這是由于電磁波在兩層屏蔽層之間的空間內(nèi)產(chǎn)生多次反射，會(huì)有部分電磁波穿透內(nèi)屏蔽層進(jìn)入屏蔽空間，從而造成屏蔽效能反而不如單層屏蔽的效果[5]。

3.3.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析，多協(xié)議串行通信卡的屏蔽腔采用雙層復(fù)合金屬材料，由雙層金屬腔壁和雙層金屬蓋構(gòu)成，見圖3。屏蔽腔底部與印制板銅箔通過螺釘連接，為了補(bǔ)償接縫在壓緊時(shí)所出現(xiàn)的不均勻性，接觸面間安裝導(dǎo)電襯墊。屏蔽腔的外層金屬為銅，內(nèi)層為冷軋鋼材料。雙層金屬采用結(jié)構(gòu)膠粘接。相應(yīng)地，在印制板上依據(jù)屏蔽腔的區(qū)域劃分，敷設(shè)導(dǎo)電接地層，見圖4，網(wǎng)紋填充區(qū)域即為接地層。

在設(shè)計(jì)過程中屏蔽艙的蓋板要距離板上電路5～10h以上，腔體壁要距離板上電路的邊緣3h以上，這樣是為了避免屏蔽腔體的導(dǎo)電壁對(duì)板上電路電場(chǎng)的擾動(dòng)。

當(dāng)電路工作頻率接近屏蔽腔的諧振頻率時(shí)，有部分能量被吸收，可能發(fā)生衰減尖峰，影響電路的正常工作。因此在設(shè)計(jì)屏蔽腔尺寸時(shí)，為避免此種情況發(fā)生，讓屏蔽腔體的諧振頻率避開電路的工作頻率，使它們不一致。屏蔽腔體的諧振頻率與其尺寸參數(shù)的關(guān)系為公式（5）和公式（6）：

[lcM=λ021-Nλ02ac2] （5）

[c=11-hb1-1ε] （6）

式中：λ0—諧振波長(zhǎng)；M、N—諧振模次數(shù)；l—諧振腔體長(zhǎng)；a—諧振腔體寬；b—諧振腔高度；h—介質(zhì)厚度（印制板厚度）；ε—介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。一般情況下M和N最大取2和3，因?yàn)楦蟮闹C振模式已很微弱。ε=4.2～4.7。

多協(xié)議串行通信卡印制板厚度h=1.6mm，屏蔽腔高度b=8mm，屏蔽腔長(zhǎng)l=200mm，兩個(gè)屏蔽腔的寬度分別為a1=40mm，a2=60mm。

4 結(jié)論

本文在最后對(duì)經(jīng)過電磁兼容設(shè)計(jì)的多協(xié)議串行通信板卡進(jìn)行了RE102試驗(yàn)，該板卡如圖5所示，實(shí)驗(yàn)對(duì)該多協(xié)議串行通信卡分別在低頻2Mhz—30Mhz、中頻30Mhz—200Mhz及高頻200Mhz—10Ghz的頻譜進(jìn)行了掃描，結(jié)果表明，該多協(xié)議串行通信卡在低中高頻均滿足GJB151B-2013的要求。

參考文獻(xiàn)：

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