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1简介充分考虑电磁兼容(EMC)设计是确保系统在设计上可靠,能够在苛刻环境中毫无差错地运行,并且不会造成干扰的关键因素之一.
本应用说明提供了有关如何根据EMC要求在应用中使用KinetisE系列MCU的设计提示.
其中介绍了有关硬件设计、印刷电路板(PCB)布局和软件设置的各种技巧,以帮助客户在设计阶段初期对其产品应用EMC增强功能.
一般而言,末期发生的EMC问题更加复杂,需要花费更大的代价和更多的时间才能修复.
电路和PCB布局改造存在许多约束:当所有组件或模块都安装在系统内部时.
由于这些整改需要的额外元件产生的更高成本的结构解决方案可能要求在机械方面做出重大的设计变更,从而影响到项目的进度.
2系统概述我们以一个采用KinetisE系列MCU的典型应用作为示例,来说明如何在实际开发中运用EMCdesign提示.
可从freescale.
com下载的应用说明《AN4476:MC9S08PT60的EMCDesign注意事项》提供了有关EMC基本概念和理论的详细介绍,可帮助应用开发人员理解每条EMCdesign提示附带的理由.
请阅读该应用说明以及freescale.
com上提供的其他KinetisE系列文档,例如FreescaleSemiconductorDocumentNumber:AN4779ApplicationNoteRev0,August1,2013KinetisE系列的EMCDesign提示通过:DennisLui和T.
C.
Lun2013FreescaleSemiconductor,Inc.
内容1简介.
12系统概述.
13EMCdesign提示.
24硬件设计.
35软件设计.
76结论.
177参考.
17《KinetisE参考手册》和《KinetisE子系列数据手册》,以了解设备特征、寄存器配置和固件编码的详细信息.
示例代码段是使用IAREmbeddedWorkbench6.
40编写的.
下面给出了一个典型的应用框图.
输出控制KinetisEMCU传感器按钮RTS开关SWD串行总线通信保护电位计OSC电源交流输入7段式LED可选图1.
典型应用框图在电源模块中,交流线电压已转成低压并调节成5V.
整个系统,包括MCU、GPIO、显示和模拟外设的主电压为5V.
在某些应用中,还需要为高功率控制电路提供12V电压.
例如,大多数功率继电器开关由12V驱动电路控制,但高电流阶段的电压则直接由交流线输入供应.
KinetisEMCU的应用包括:所有用户输入接口的信号检测,包括传统按钮,通过标准的UART串口与主机控制器进行的通信.
通过IIC总线上的传感器设备或ADC引脚上的直接电压输入进行系统监控,使用特定顺序的GPIO引脚进行电源控制,以实现系统保护,通过模拟比较器输入进行硬件故障检测.
3EMCdesign提示下列章节提供了EMCdesign提示,这些内容分硬件和软件不同的角度论及.
硬件或软件工程师可以根据其需求选择相关的章节,并在其设计中直接运用这些提示.
硬件设计提示涵盖板级考虑因素,这包括PCB布局设计技巧,以及不同类型的I/O端口的注意事项.
主要目标是利用EMC方面的知识来防止出现影响系统运行和稳定性的任何内部或外部噪声;最大程度地降低噪声源对敏感器件(例如MCU)造成的耦合影响,减少干扰源的噪声量,并提高受体的抗扰度.
另一种方法是采用防御性软件设计思路,以解决在噪声环境中由软件对于错误触发事件不当的处理引起的EMC问题.
软件必须能够识别特定的事件是噪声源触发的错误警报,还是正常的从动事件.
然后它必须做出一个采取相应措施的正确决策.
例如,如果请求的操作具有任何不确定性,则MCU不能启动高功率控制阶段.
EMCdesign提示KinetisE系列的EMCDesign提示,Rev0,August1,20132FreescaleSemiconductor,Inc.
4硬件设计噪声环境中MCU应用的硬件注意事项包括PCB布局设计,以及外设接口的外部组件连接.
从板级别而言,PCB布局是关乎从内部或外部噪声源是否会耦合噪声的关键因素.
布局中的迹线充当耦合路径,而迹线的几何因素(长度、宽度、形状和位置)会严重影响耦合效果.
在系统中妥当地排布电路板和电缆有助于将噪声源与系统分离,并提高系统的抗扰度.
下列章节介绍了用于实现可靠硬件设计的推荐技巧.
4.
1单层PCB高成本多层PCB设计可让用户更灵活地铺排组件,进行信号路径布线、电源退耦和参考接地.
但是,PCB的尺寸和形状受到机械规格的限制,在大多数场合下,这已成为PCB设计的主要障碍.
出于成本方面的考虑,单层双面PCB板是大多数家用电器应用的不错选择,但是,对于引脚数目众多的设备,更难设计出这样的PCB.
下列章节介绍了如何在充分考虑EMC要求的条件下实现合理的PCB布局.
4.
2器件布局器件布局必须符合列出的产品机械规格约束.
供参考的一般准则如下:将螺孔和安装点的所有位置标记为禁用区.
根据固定位置的要求器件布局所有用户接口组件(例如:显示面板、控制按钮和连接器).
将高功率电路与低功率和噪声敏感电路分隔开来.
请将器件关联成组,并尽量将各组按照符合相关的信号流流向的逻辑顺序排列.
标识需要布局在MCU附近的所有关键组件,以及从MCU输入端口连接到电源或接地的外部组件(例如:电源退耦电容器和输入信号滤波组件).
最小化电源环路和接地环路构成的面积.
减少电源和MCU接地之间的共模阻抗.
可能需要付出相当大的精力才能完成一个有可能符合所有约束条件的可接受版本.
4.
3电源和接地布线电源和接地平面的PCB布局对于板级EMC性能极其重要,尤其是在使用5V和12V的多电源系统中.
可以使用PCB布局技术将接地平面划分成两个部分,如下图所示.
其中一个部分定义为12V电路的返回路径,另一个部分定义为MCU和其他关键组件的5V返回路径.
来自12V接地的噪声将不会通过接地迹线与5V接地耦合.
硬件设计KinetisE系列的EMCDesign提示,Rev0,August1,2013FreescaleSemiconductor,Inc.
3填满MCU下方的接地平面,并将所有的VSS引脚连接至此等电位通过MCU周围的外设组件拐角点最小化接地环路5V接地电源接地12V接地避免静电释放(ESD)直接注入5V接地端图2.
电源和接地布线在某些应用场合中,12V地就是用作5V供电的那些容易在空气放电测试中的遭受ESD组件的返回路径,在空气放电测试中,这很容易造成ESD(静电释放)损坏.
将12V接地连接到这些5V组件可以防止ESD放电能量直接耦合到5V接地.
如果高能量流过MCU接地,有可能会强制MCU复位、停止甚至发生损坏.
PCB布局中的MCU接地连接方法是保障EMC性能的关键因素.
该方法在MCU下方填充一个接地平面,并将所有VSS引脚连接在一起,这种做法充分考虑到了EMC方面的要求.
该方法确保所有MCUVSS引脚保持在相同的电位,同时可以最小化从MCU到高频噪声旁路电容器的电流返回路径上的电感.
对于LQFP封装,可以进一步将MCU接地平面扩展到封装拐角点,以实现较短的接地路径,并最大程度地减小围绕MCU的外设组件的环路面积.
4.
4退耦和旁路用户有必要更好地理解退耦与旁路的概念,以免发生EMC实施不当的问题:退耦用于隔离公用线上电路之间的噪声.
电源迹线就是从稳压器到MCU的公用线之一.
旁路是通过一个旁路电容来分流一个阻抗路径,以减少在该路径中的高频电流波动.
为MCU添加退耦和旁路电容器的效果在很大程度上取决于连接位置和顺序,如下图所示.
PCB布局中MCU电源引脚(VDD和VSS)的准则如下:将电源引出的电源和接地迹线依次连接到退耦电容器、旁路电容器以及MCU的VDD和VSS引脚.
并行排布电源和接地迹线以最小化环路面积.
将旁路电容器排布在尽量靠近每个VDD-VSS对的位置.
硬件设计KinetisE系列的EMCDesign提示,Rev0,August1,20134FreescaleSemiconductor,Inc.
12V解耦电容器电源接地5V解耦电容器将VDD和VSS导线依次连接到解耦电容器、旁路电容器和MCU的VDD与VSS引脚使旁路电容器尽量靠近VDD和VSS对图3.
退耦和旁路4.
5晶体振荡器电路连接到MCUEXTAL和XTAL引脚的晶体振荡器组件对外部噪声十分敏感.
PCB以保护环的形式排布接地迹线,加上连接到EXTAL和XTAL引脚的迹线,可以最大程度地减少接入晶振电路的噪声.
下图给出了一个示例,一般准则如下:不要在晶振电路附近或横跨电路底侧排布任何信号路径(接地线迹除外).
将晶振电路组件(晶振、反馈电阻器和负载电容器)尽量排布在靠近EXTAL和XTAL引脚的位置.
选择内部振荡器作为时钟源以提高EMC性能.
如果使用双层或多层PCB,请将负载电容器的接地直接连至接地平面.
选择最小总线频率以满足系统要求.
在振荡器电路上采用最小迹线长度.
使用参数值适当的反馈电阻器和负载电容器.
硬件设计KinetisE系列的EMCDesign提示,Rev0,August1,2013FreescaleSemiconductor,Inc.
5添加保护环(不带电流的接地迹线)将晶振载荷电容器连接到公同的接地平面避免在振荡器电路附近或电路下端出现信号路径使振荡器电路与EXTAL和XTAL引脚尽量靠近图4.
晶体振荡器电路4.
6间距和隔离如果在同一块电路板上,交流高功率电路与低功率电路并列铺排(如下图所示),则隔离每个电路模块就很有必要.
在某些情况下,如果电路板的尺寸有限,则您可能需要添加物理插槽以提供更好的隔离.
同样,出于ESD(静电释放)方面的考虑,需要在PCB迹线与安装螺孔或板边沿之间保留足够的间距.
硬件设计KinetisE系列的EMCDesign提示,Rev0,August1,20136FreescaleSemiconductor,Inc.
电源板的交流输入高电压区段电源板的直流输出图5.
间隔和隔离4.
7输入和输出端口与输出功能相比,配置为输入功能的MCUI/O端口对噪声更加敏感.
一般会给每个输入功能引脚添加一个RC滤波器,用于衰减外部噪声源注入到引脚中的噪声.
该滤波器的位置应靠近引脚.
RC滤波器的值取决于输入信号及其特征(数字或模拟,以及变化率).
串联电阻器的典型值在100Ω到1kΩ的范围内,而滤波电容器的典型值在1000pF到0.
1μF的范围内.
RESET_b和NMI_b是KinetisEMCU中的特殊引脚.
由于电源引脚滤波方面的原因,RESET_b退耦电容和这两个管脚的外部上拉的布局都应被当做电源管脚滤波.
建议最小化电容器的接地环路以及这些引脚的上拉电阻的VDD环路.
不要将未使用的I/O引脚连接到任何元件.
请将此类引脚悬空,并在软件中将其设置为低输出.
定期刷新引脚状态,以避免噪声引起其状态变化.
如果特定应用中不允许悬空引脚,请为每个未使用的引脚连接一个10kΩ下拉电阻.
不要将任何未使用的I/O引脚直连到电源或接地.
5软件设计在充分考虑EMC要求的条件下进行合理的软件设计可以改善噪声环境中的系统整体性能和工作稳定性.
软件设计KinetisE系列的EMCDesign提示,Rev0,August1,2013FreescaleSemiconductor,Inc.
7一般而言,软件设计无法改变会在系统中耦合噪声的物理媒介,或者减少外部源产生的噪声绝对值.
但是,软件可以提供智能方法让用户在故障状态下选择纠正措施,以及实施预防性功能来实现系统保护.
我们建议采用以下软件技巧来实现良好的防御性软件设计:启用看门狗功能以避免代码失控.
定期刷新数据方向设置寄存器.
填充未使用的内存以避免代码失控.
定义所有中断向量,即使有些向量未使用.
选择锁频环(FLL)啮合模式.
始终再次确认边沿触发事件.
在输入端口上启用数字滤波器.
5.
1启用看门狗功能当应用软件无法按预期执行时,看门狗(WDOG)功能会强制系统复位.
例如,在MCU中注入瞬态噪声时,激活的软件例程将跳转到意外的内存位置或进入无限循环.
必须确保即使在苛刻的条件下软件循环失控时,系统也不会停止.
将MCU保持在不可控状态是非常危险且不可接受的,尤其是对于安全要求较高的高功率控制应用.
建议在主循环,而不是子例程和中断例程中添加WDOG刷新例程.
下面提供了示例代码.
#definewdog_unlock()WDOG_CNT=0x20C5;WDOG_CNT=0x28D9#defineWDOG_CLK(WDOG_CLK_INTERNAL_1KHZ)voidwdog_enable(void){/*Firstunlockthewatchdogsothatwecanwritetoregisters*/wdog_unlock();/*NOTE:thefollowingwritesequencemustbecompletedwithin128bucclocks**//*enablewatchdog*/#if(WDOG_CLK==WDOG_CLK_INTERNAL_32KHZ)WDOG_CS2=2;/*useinternalreferenceclock(32K)asclocksource*/#elif(WDOG_CLK==WDOG_CLK_INTERNAL_1KHZ)WDOG_CS2=1;/*useinternal1Kclockasclocksource*/#elif(WDOG_CLK==WDOG_CLK_EXTERNAL)WDOG_CS2=3;/*useexternalclockasclocksource*/#elif(WDOG_CLK==WDOG_CLK_BUS)WDOG_CS2=0;/*usebusclockasclocksource*/#else#error"notsupportedWDOGclocksource\n";#endifWDOG_TOVALH=0x03;WDOG_TOVALL=0xE8;//~1sWDOG_CS1=0x20|WDOG_CS1_EN_MASK//|WDOG_CS1_INT_MASK//|WDOG_CS1_STOP_MASK//|WDOG_CS1_WAIT_MASK//|WDOG_CS1_DBG_MASK//debugenable;}voidwdog_refresh(void){DisableInterrupts;//disableinterruptsWDOG_CNT=0x02A6;//Refreshsequenceofwriting0x02A6WDOG_CNT=0x80B4;//andthen0x80B4within16busclocks软件设计KinetisE系列的EMCDesign提示,Rev0,August1,20138FreescaleSemiconductor,Inc.
EnableInterrupts;//enableinterrupts}voidmain(void){wdog_enable();//enableWatch-Dogfunctionfor(;;){wdog_refresh();//ResettheWatch-DogcounterMicrowaveTask();//Applicationmaintask}}5.
2刷新数据方向设置寄存器如果任何瞬态噪声意外地改变了某个端口引脚的输入或输出方向状态,应将其恢复到预期状态.
建议定义一个简单例程来定期刷新所有数据方向.
刷新周期取决于应用要求以及所注入噪声的定时模式.
对于交流电应用,可以使用通过光学耦合电路从交流电源线捕获到的50Hz或60Hz周期信号作为触发信号.
下面提供了示例代码.
#defineUnABasePortBaseABCD//PortBaseABCD#defineUnAPortPortA//Port#defineUnAPins0x7C//Bit6,5,4,3,2#defineUnAPullupBasePullupBaseABCD//PullupBaseAddress#defineUnused_A_Dir_Out()GPIO_PDDR_REG(UnABase)|=((uint32_t)UnAPins=4000)|OSC_CR_RANGE_MASK#endif|OSC_CR_OSCOS_MASK;/*forcrystalonly*/#ifdefined(IAR)asm("nop\n""nop\n");#elifdefined(__MWERKS__)asm{nopnop};#endif/*waitforOSCtobeinitialized**/while(!
(OSC_CR&OSC_CR_OSCINIT_MASK));/*dividedownexternalclockfrequencytobewithin31.
25Kto39.
0625K**/#if(EXT_CLK_CRYST==8000)||(EXT_CLK_CRYST==10000)/*8MHz*/ICS_C1=ICS_C1&~(ICS_C1_RDIV_MASK)|ICS_C1_RDIV(3);/*8000/256=31.
25K*/#elif(EXT_CLK_CRYST==4000)/*4MHz*/ICS_C1=ICS_C1&~(ICS_C1_RDIV_MASK)|ICS_C1_RDIV(2);/*4000/128=31.
25K*/#elif(EXT_CLK_CRYST==16000)/*16MHz*/ICS_C1=ICS_C1&~(ICS_C1_RDIV_MASK)|ICS_C1_RDIV(4);/*16000/512=31.
25K*/#elif(EXT_CLK_CRYST==20000)/*20MHz*/ICS_C1=ICS_C1&~(ICS_C1_RDIV_MASK)|ICS_C1_RDIV(4);/*20000/512=39.
0625K*/#elif(EXT_CLK_CRYST==32)ICS_C1=ICS_C1&~(ICS_C1_RDIV_MASK);#else#error"Error:crystalvaluenotsupported!
\n";软件设计KinetisE系列的EMCDesign提示,Rev0,August1,201314FreescaleSemiconductor,Inc.
#endif/*changeFLLreferenceclocktoexternalclock*/ICS_C1=ICS_C1&~ICS_C1_IREFS_MASK;/*waitforthereferenceclocktobechangedtoexternal*/#ifdefined(IAR)asm("nop\n""nop\n");#elifdefined(__MWERKS__)asm{nopnop};#endifwhile(ICS_S&ICS_S_IREFST_MASK);/*waitforFLLtolock*/while(!
(ICS_S&ICS_S_LOCK_MASK));/*nowFLLoutputclockis31.
25K*512*2=32MHz**/if(((ICS_C2&ICS_C2_BDIV_MASK)>>5)!
=1){ICS_C2=(ICS_C2&~(ICS_C2_BDIV_MASK))|ICS_C2_BDIV(1);}#ifdefined(BUS_CLK_4MHZ)ICS_C2=(ICS_C2&~(ICS_C2_BDIV_MASK))|ICS_C2_BDIV(3);//dividedby8#elifdefined(BUS_CLK_8MHZ)ICS_C2=(ICS_C2&~(ICS_C2_BDIV_MASK))|ICS_C2_BDIV(2);//dividedby4#elseICS_C2=(ICS_C2&~(ICS_C2_BDIV_MASK))|ICS_C2_BDIV(1);//dividedby2#endif/*nowsystem/busclockisthetargetfrequency**//*clearLossoflockstickybit*/ICS_S|=ICS_S_LOLS_MASK;}5.
6再次确认边沿触发事件多次读取每个边沿触发中断服务的输入数据,是确认输入事件是否有效,并且是否由指定源驱动的重要技巧.
应该使用某种不规则模式调整每两次读取循环数据的时隙,以防止将均匀分布的噪声模式识别为有效事件.
可以在每两次读数之间插入一个简单的随机延迟函数,使整体重复周期不一致.
随机延迟变量可以等于发生中断触发事件时捕捉到的自由运行计数器值.
下面提供了示例代码.
/*RandomDelayLoop*/uint8_tRandomDelay(void){uint32_trandom_32bit=RANDOM_COUNTER;mRandomDelayCount=TPMxCnVLvalue(random_32bit);软件设计KinetisE系列的EMCDesign提示,Rev0,August1,2013FreescaleSemiconductor,Inc.
15mRandomDelayCount&=gRandomDelayCountMask_c;returnmRandomDelayCount;}for(iKey=0;iKey0){--idelay;delay_1ms();}KeyScanValue[iKey]=Sw2Pin_Read();if(iKey!
=0){if((KeyScanValue[iKey]==KeyScanValue[iKey-1])&&(KeyScanValue[iKey]==0)){KeyDetected_d=TRUE;}else{KeyDetected_d=FALSE;}}else{KeyDetected_d=FALSE;}}5.
7启用数字滤波器数字滤波器是KinetisEMCU中的一个功能组件,针对配置为数字输入的每个端口引脚提供简单低通滤波特性.
在一个端口中启用的所有数字滤波器的滤波宽度(以时钟大小为单位)相同,只有在禁用该端口的所有数字滤波器时才能更改此宽度.
这个可配置的滤波器能够以自适应的方式处理不同类型的瞬态噪声,这些噪声本质上具有一定的脉冲宽度,如使用传统的模拟滤波器则很难处理.
下面提供了示例代码.
#definePortFilterEnable#ifdefPortFilterEnablePORT_IOFLT=PORT_IOFLT_FLTDIV3(LPOCLK_2)//SetFLTDIV3toLPOCLKdividedby2|PORT_IOFLT_FLTDIV2(BUSCLK_64)//SetFLTDIV2toBUSCLKdividedby64|PORT_IOFLT_FLTDIV1(BUSCLK_8)//SetFLTDIV1toBUSCLKdividedby8|PORT_IOFLT_FLTNMI(SEL_FLFDIV3)//SelectFLTDIV3forNMI|PORT_IOFLT_FLTKBI1(SEL_FLFDIV2)//SelectFLTDIV2forKBI1|PORT_IOFLT_FLTKBI0(SEL_FLFDIV2)//SelectFLTDIV2forKBI0|PORT_IOFLT_FLTRST(SEL_FLFDIV3)//SelectFLTDIV3forRST|PORT_IOFLT_FLTH(SEL_FLFDIV1)//SelectFLTDIV1forPortH|PORT_IOFLT_FLTG(SEL_FLFDIV1)//SelectFLTDIV1forPortG|PORT_IOFLT_FLTF(SEL_FLFDIV1)//SelectFLTDIV1forPortF|PORT_IOFLT_FLTE(SEL_FLFDIV1)//SelectFLTDIV1forPortE|PORT_IOFLT_FLTD(SEL_FLFDIV1)//SelectFLTDIV1forPortD|PORT_IOFLT_FLTC(SEL_FLFDIV1)//SelectFLTDIV1forPortC|PORT_IOFLT_FLTB(SEL_FLFDIV1)//SelectFLTDIV1forPortB|PORT_IOFLT_FLTA(SEL_FLFDIV1);//SelectFLTDIV1forPortA#endif软件设计KinetisE系列的EMCDesign提示,Rev0,August1,201316FreescaleSemiconductor,Inc.
6结论本应用说明中所述的EMCdesign提示可帮助客户在使用KinetisE系列微控制器的前期设计阶段,充分考虑到EMC方面的要求.
我们以快速参考的形式提供了有关硬件和软件技巧的详细说明,让客户更有效地采用Freescale解决方案.
7参考freescale.
com上提供了以下文档.
1.
《AN4438:MC9S08PT60的EMCDesign注意事项》,由T.
C.
Lun在2012年编写.
2.
《AN4476:家用电器应用中使用的5V8位系列系统设计指导》,由T.
C.
Lun、DennisLui在2012年编写.
3.
《AN4463:如何开发在噪声环境中使用的可靠软件》,由DennisLui、T.
C.
Lun在2012年编写.
4.
《AN2321:板级电磁兼容设计》,由T.
C.
Lun在2002年编写.
5.
《AN2764:改善基于微控制器的应用的瞬态抗扰性能》,由RossCarlton、GregRacino和JohnSuchyta在2005年编写.
结论KinetisE系列的EMCDesign提示,Rev0,August1,2013FreescaleSemiconductor,Inc.
17HowtoReachUs:HomePage:freescale.
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U.
S.
Pat.
&Tm.
Off.
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