计算机电磁干扰抑制技术研究

张 雷

(北京太极信息系统技术有限公司,北京 100083;中国电子科技集团公司第十五研究所,北京 100083)

计算机电磁干扰抑制技术研究

张 雷

(北京太极信息系统技术有限公司,北京 100083;中国电子科技集团公司第十五研究所,北京 100083)

计算机设计和电磁防护是模块化计算机(Computer On Module，COM)在加固领域中的一项应用。加固计算机的特点是抗电磁干扰、可扩展性强、可定制、可维护性高、更少的电子元器件，将昂贵且不稳定的电缆连接减至最少，因此可靠性提高，而且基于COM Express的模块化加固计算机还集成有现代高速串行总线技术，可提供高速的宽带传输能力，具备抗电磁干扰能力。抗恶劣环境计算机技术要求抗恶劣环境计算机在电磁干扰、高低温、振动冲击等恶劣环境中能够可靠地运行和工作。理论上使用电磁兼容技术与滤波技术，完成信号共模噪声抑制设计、USB信号高频传导干扰抑制设计和ESD保护电路设计，通过数学计算和加固计算机的电磁抗干扰测试，实验结果合格，验证了该技术的有效性和可靠性。

加固计算机；电磁兼容；抑制共模干扰；高频传导干扰

0 引 言

抑制电磁干扰技术是一门新兴的综合性学科，也是抗恶劣环境计算机技术的一部分。抗恶劣环境计算机技术又称加固计算机技术，即要求抗恶劣环境计算机在电磁干扰、高低温、振动冲击等恶劣环境中能够可靠地运行和工作。在工业领域的应用中，特别是在航空航天环境中，对加固计算机的电磁兼容性要求及抗

电磁辐射要求也更高。

计算机只有通过输入输出I/O接口方能实现与外部设备的通信和功能扩展。现代计算机机体屏蔽技术已经比较成熟，这就使与外界存在电气连接的I/O接口成为电磁干扰信号重要的传导通道[1]。COM-Express(COM-E)定义了标准的紧凑型PCIE、PCI总线信号、声卡、USB、LVDS、VGA、S-Video、Ethernet、LPC等信号，这些信号在信号频率、信号特性、信号电平等方面对加固技术提出了更高的要求。针对RS-232串口、USB等计算机常用I/O接口的特性，给出了对应的抗电磁干扰技术方案。

1 RS-232信号共模噪声抑制设计

1.1RS-232接口

RS-232串行接口是通用仪器设备或计算机通信最常用的接口之一，其英文全称是EIA-RS-232C标准接口，其电性能采用DC12V标准脉冲，且信号使用负逻辑[2]。在COM-E主板，RS-232信号来自于W83627HF芯片。

RS-232串行接口的电平特性如下：

Mark(传号)=-3 V--15 V，采用逻辑“1”电平。

Space(空号)=+3 V-+15 V，逻辑“0”电平。

在控制线上：

On(通)=+3 V-+15 V，逻辑“0”电平。

Off(断)=-3 V--15 V，采用逻辑“1”电平。

由上述特性，可得出EIA-RS232接口九芯插座的信号参数状态，如表1所示。

表1 RS-232信号参数表

RS-232接口工作过程如下：

建立物理连接：每当主机甲发起一次物理连接，将串行口DTR置为+12 V发出数据终端准备好信号给调制解调器[3]，当Modem调制解调器拨号并与主机乙建立连接后，向主机甲发送DSR数据发送准备信号为+12 V，完成数据传输准备工作。

数据传输：每当计算机主机准备发送bit比特流时，向Modem调制解调器发送RTS为DC+12 V，Modem调制解调器准备好后，向主机发送CTS允许发送信号为DC+12 V，计算机主机通过TXD信号发送bit比特流[4]。

Link连接释放：每当Com Data通信数据传输完成后，计算机主机将DTR置为DC-12 V，通知Modem调制解调器结束连接一次[5]。

在短距离内，两台计算机之间的通信可以不通过调制解调器，采用中断方式接线，分别将两台计算机的DTR与DSR短接，CTS与RTS短接，并将两台计算机的RXD与TXD交叉相连，每次计算机发出通信和连接要求时，状态反馈地模拟Modem调制解调器的响应，使其适应两台计算机的通信要求[6]。

1.2共模干扰机理

电缆上的电磁干扰按照干扰电流的流动路径分为共模干扰和差模干扰[7-8]，如图1所示。

图1 差模干扰与共模干扰

新的差分双线绞传输方式，抗共模噪声的能力比较强，共模抑制比非常大[9]。在差分信号传输过程中，共模噪声耦合到两根差分传输线上。但由于噪声是同时加在差分的两根传输线上，使得接收设备的输入电压仍保持恒定变，所以共模噪声不会对信号的质量产生影响[10-11]。RS-232的信号并未采用差分传输方式，因此对共模干扰较为敏感。

为抑制RS-232信号线上的共模干扰，可采用光电耦合器实现信号的电气隔离。

1.3光电耦合器抑制共模噪声

光电耦合器的输入阻抗较小，仅有几百Ω，相对应的干扰源阻抗很大，通常为105～106 Ω[12]。据电路串行分压原理可知，即使Interrupt干扰电压的幅度较大，但馈送到光电耦合器的Input输入端噪声电压会非常小，仅能形成很微弱的电流，因为没有足够的能量，所以无法使二极管发光，因此干扰信号被抑制[13]。等效原理图如图2所示。

图2 共模干扰抑制等效原理

COM-E主板模块及W83627PHF芯片提供的RS串口信号满足标准TTL电平水准。通用计算机的串口信号遵守的是RS-232标准，EIA RS-232是用正负直流电压来表示逻辑状态的，与TTL的高低电压表示逻辑状态的规定不同。所以为了使TTL电器件能与通用串口设备相连接，在RS-232与TTL电路之间进行电平与逻辑关系转换。

光电耦合器在TTL电平到EIA电平转换之前，摒弃了传统的在EIA电平后端进行光电隔离的方式。芯片MAX211硬件上管脚19、20、22、5、6、7、8、26是经过光电耦合器之后的TTL输出，而管脚9、18、2、3、4、23、27为EIA RS-232管脚[14]。将光电耦合器的位置前移，达到了较好的噪声抑制效果。

2 USB信号高频传导干扰抑制技术

2.1通用串行总线特性

通用串行总线(USB)是当前流行的外部设备总线标准。USB的使用为计算机外部连接设备带来了即插即用的功能。USB不需要专用的端口，同时减少了专用I/O卡的使用，节约了像IRQ此类重要的资源，连接到USB端口的设备仅需要计算机提供的一个IRQ即可。因此在当前CPU设计中，USB信号接口不可或缺[15]。COM-E嵌入式模块的USB接口位于其A-B接口处。

USB接口共有4个引脚，如图3所示。

图3 USB信号电气剖析图

其中，Data+与Data-为数据信号线，采用差分传输方式传输数字信号。收发传送数字信号、地和电源通过一种四线的电缆，物理上中间的两根信号线Data+与Data-用于发送和接收信号。目前存在两种数据传输率：USB的低速信号传送的比特率为1.5 Mbps；高速信号的比特率为12 Mbps。

图3中，GND、VBUS这两个信号引脚为设备提供地及5 V电源信号。GND是信号地，而VBUS使用+5 V直流。USB信号对电缆长度和厚度的要求很高，最长可为10 m，宽度尽量宽以通过大电流。设计时选择合适的导线长度以匹配其他一些特性和指定的IR drop，如互联电缆适应度和设备电源预算[16]。要保证匹配的终端阻抗和输入电压不衰减，重点的终端设备应位于电缆的尾部。在每个USB端口都可检测终端是分离还是连接，并区分低速设备，抑或高速设备。

在低速模式下，信号需要很少的电磁保护。这两种模式可在同一种USB总线传输的情况下实现高速动态切换。由于很多低速模式的使用会降低总线的利用率，因此该模式仅支持低带宽的限量设备(像鼠标、键盘)，打印机则不支持。调制信号时钟后与差分数据同时传送出去，USB的Clock时钟信号转换成NRZI码，而且填充了bit用来保证转换的连续性，每个数据包中含有同步信号，用来使接收方可以动态还原出原先的时钟信号。

2.2传导干扰特性

随着加固系统自动化程度的不断提高，电子设备在现代科技中的应用更为广泛。在加固计算机所处的环境中，电磁干扰非常严重，有脉冲型、振荡型及电压跌落等干扰[17]。主要干扰源有以下几种：

系统机构短路和地电位差：包括雷击高压线、人员操作过电压等产生的工频接地和高频电流的接地。接地电流往往会产生强磁场，影响诸多设备和二次回路，工频接地电流入地会引起地电位升高并产生地电位差，对接地的设备产生高频干扰，是非常大的外部噪声干扰源；

雷电：包括直击雷电和感应雷，干扰的形式有雷电辐射、雷击接地等；

低压电子设备之间的互相干扰，此类电子设备在工作时会向外发射不同强度的电磁能量，相互作用时会产生干扰。

以上干扰源所产生的电磁干扰最终都通过电缆线从I/O接口耦合到加固计算机内部，对于USB总线来说，会造成USB设备与计算机之间的通信故障，导致USB接口失效。针对这一情况，在USB接口电路中加入信号滤波电路实现对外部电磁干扰的防护。

2.3USB信号专用滤波电路

根据USB1.1～3.0规范，USB信号最大速率为12 Mb/s，即信号的最高频率为96 MHz。而高频电磁干扰噪声的频谱范围多分布在300 MHz～3 GHz之间。为提高加固计算机USB接口的噪声容限，需要针对USB信号和噪声信号的频谱特点设计滤波电路，其中最重要的一个参数是滤波电路的截至频率。一般来讲，电磁兼容性的要求为：

f截止=K×(系统内电磁干扰最低频率)

(1)

其中，K根据电磁兼容性要求确定，一般情况下取1/3或1/5[18]。同时根据设计要求对传导干扰抑制阻带内，要有20 dB的衰减，通带内的衰减应不超过0.5 dB。所以适用于加固计算机USB接口的EMI滤波器的截止频率确定为100 MHz，以确保电路对频率为300 MHz的干扰有足够的衰减。

综上所述，制定USB专用滤波电路的要求如下：

截止频率为100 MHz时，衰减应控制在3 dB；

0～30 MHz的通带内，衰减应不超过0.2 dB；

在500～∞ MHz的阻带内，衰减不小于20 dB。

理想的滤波特性是无法用有限个元件来实现的。解决方法是利用物理上可实现的近似函数去逼近所给定的技术要求，使两者之差尽可能缩小。逼近方法有巴特沃思逼近和切比雪夫逼近两种，综合比较后选择在截止频率附近有最大平坦度的巴特沃思逼近。

3 ESD保护电路技术及实验

电路的ESD保护电路由4个齐纳二极管组成。ESD保护分两个阶段，如图4所示。ESD冲击在S1阶段被钳位，然后仍然会有过压通过电阻R传输到第二阶段，通过S2钳位，最终在输出端的电压已经在一个较低的水平上。

图4 电磁干扰之浪涌抑制等效电路

按等效电路推得输入输出的电压计算公式为：

(2)

(3)

根据IEC61000-4-2标准人体静电放电模型，令Vpp=8.8 kV，Rg=330 W，VBR=7 V，Rd=1 Ω，计算得：Vinput=36.33 V，Voutput=8.107 V。

由此可见，输出电压比输入电压降低很多，达到了人体可接受的安全电压范围，此技术防电磁干扰及浪涌能力较强。

加固计算机根据国军标GJB151A/152A的相关要求，进行了RS103、CS101CS114、CS116及浪涌实验，在实验阶段其工作性能及接口功能均正常，达到了电磁防护目标的要求。

4 结束语

在计算机电磁干扰抑制方面进行了理论研究及实践，完成了计算机I/O接口的电磁设计、RS-232信号共模噪声抑制设计和USB信号高频传导干扰抑制技术。针对电磁干扰问题，使用了电磁兼容技术与滤波技术，通过对抑制电磁干扰设计进行理论计算和分析，完成了信号共模噪声抑制设计、USB信号高频传导干扰抑制设计和ESD保护电路设计，由理论支撑的技术方案解决了这一问题。电磁传导、辐射敏感度的合格实验结果证明了设计的有效性，达到了此次计算机抑制信号电磁干扰相关技术的研究目的。

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ResearchonElectromagneticAnti-interferenceTechnologyofComputers

ZHANG Lei

(Beijing Taiji Information System Technology Co.,Ltd.,Beijing 100083,China;China Electronics Technology Corporation No.15 Research Institute,Beijing 100083,China)

Computer design and electromagnetic protection is a kind of application on COM (Computer On Module) in ruggedized field.The characteristics of strengthening computer is anti electromagnetic interference,high scalability and maintenance,being customizable and less electronic components,which minimizes the expensive and unstable connecting cable to improve its reliability.Meanwhile,the modular strengthening computer based on COM Express is integrated with modern serial bus technology with high speed and can provide broadband reinforcement with anti electromagnetic interference.The computer technology of anti-harsh environment requires that the computer can run and work reliably in the harsh environment such as electromagnetic interference,high and low temperature,vibration and shock.The electromagnetic compatibility technology and filtering technology is used in theory to completing of design in signal common mode noise suppression,high frequency conduction suppression of USB signal and ESD protection circuit.The test of anti electromagnetic interference by mathematical calculation and reinforcement computer is satisfactory,which verifies its validity and reliability.

ruggedized computer;electromagnetic compatibility;suppressing common mode interference;high-frequency conduction interference

2016-11-15

2017-02-16 < class="emphasis_bold">网络出版时间

时间：2017-07-19

国家自然科学基金资助项目(61105120)

张 雷(1982-),男,硕士,高级工程师,研究方向为计算机技术与工程应用。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170719.1108.020.html

TP39

A

1673-629X(2017)11-0146-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.11.032