基于Zigbee的無線通信傳輸電路的抗電磁干擾優化設計

隨著世界上第一個電磁兼容性規范1944年在德國誕生，電磁兼容設計在現代電子設計中變得越來越 重要。普通的10kV/630 kW"箱式"變壓器低頻噪音輻射處的電場輻射一般可達800V/m,電磁輻射可達30 B/μT,對工作在此環境下的無線傳輸模塊有非常大的影響，因此有必要對無線傳輸模塊進行抗電磁干擾設計。

1 PCB的抗干擾設計

1.1 硬件方面的抗電磁干擾設計

1)選擇集成度高，抗干擾能力強，功耗小的電子器件。

2)良好的接地設計。對于工作在2MHz一下低頻應采取共地，即一點接地;對于工作在10MHz以上的高頻應采用分地，即多點接地。同時，數字地和模擬地分開，中間用磁珠連接。對傳感器信號地線采用浮空隔離，不與大地相連。將所有閑置的單片機IO端口，應該接地而不是接電源。

3)濾波處理。每個IC的電源端并聯一個高頻電容，減少IC對電源的影響。

4)PCB的設計：①布線時遵循3-W原則，也就是相鄰兩條線路間的中心距離應該大于 或者等于3倍的線寬。隨著線間距離的增大，同時也能減少線間的耦合串擾。②按照功能布局，不同模塊接對應的電源。③電源和地線盡量的粗，電流方向和信號線方向相同。④晶振盡量靠近單片機。⑤線路盡量使用45°折線而不是90°折線。⑥多層板設計，將電源層和接地層放在中間層，這樣利于各元器件的迅速接地， 抑制共模干擾，有利于抗電磁干擾。

1.2 軟件方面的抗電磁干擾設計

1)使用看門狗，MSP430中已經集成，遂不贅述。

2)數據冗余技術，在噪聲幅度較大的環境巾傳輸數據，給數據增加一定的冗余位用于校驗，能增加檢錯和糾錯的能力，具有非常明顯的抗干擾效果。

2 電磁干擾仿真軟件介紹

電磁干擾的數值仿真過程也就是電磁場問題的數值計算過程，電磁數值計算的任務是基于麥 克斯韋方程組，建立逼近實際問題的連續型數學模型，然后采用相應的數值計算方法，經離散化處理，解出模型的數值解，再經處理得出場域中任意點處的場強，能量，損耗分布，及其他參數。常見的計算法方法有時域有限元法、頻域有限元法，矩量法等，其中矩量法基于Maxwell方程中的積分方程，計算精度較高;頻域有限元法基于Maxwell方程中的偏微分方程，計算量較大，其中Ansoft Designer就是基于頻域有限元方法的軟件。

Ansoft Desinger集成了高頻、基于物理原型的電磁建模、仿真及與電路和系統分析的無縫連接環境，為了獲得S參數和電流密度J,采用了混合電位積分方程(MPIE Mixed Potential Integral Equation)法和矩量法(MoM Method of Moments)分別計算 之，這樣就能通過電流密度求得S參數和輻射場。

在Ansoft中，只要三維物體表面網格形成，則可利用混合點位積分方程(MPIE)進行分析：

為垂直于網格平面的單位矢量;j為虛部單位;ω為角頻率(等于2f);A表示矢量磁位;φ為標量電位;Zs為單個網格表面的電阻;J為網格上的電流密度。在混合積分后，使用矩量法(MoM)求解網格上的電流密度J,得到網格邊界線上法向方向的電 流，在存儲網格邊界線方向電流分量后，網格內部每個點的電流值可通過網格邊界線法向電流分量差值得到。3 PCB電磁兼容仿真步驟

3.1 PCB的設計、布線及輸出

PCB的設計在Prote199SE中進行，先在Protel中繪制原理圖，再經過錯 誤檢查后，生成網絡圖，然后再進行布線。此PCB板設計為4層，底層和頂層都走信號線，中間兩層分別是地線和電源，底層和頂層所有有接地和接電源的引腳都 以最短的具體接地和接到電源，保證了信號完整性及抗電磁干擾性。布線后的電路板如圖1所示。

圖1 布線圖

設計好PCB板后，通過輸出功能輸出DXF文件。

3.2 導入Ansoft Designer并生成模型