一种多功能接口电路板设计及EMI仿真

2018-05-17白陶艳詹浩然刘召庆霍丽烨李琼王乐

电子设计工程 2018年9期

白陶艳，詹浩然，刘召庆，霍丽烨，李琼，王乐

（西安应用光学研究所陕西西安710065）

本文设计的多功能接口电路板主要功能是对上位机以及传感器、伺服系统、旋转变压器各接口进行管理控制，完成对上位机下发的指令进行解码及分发，同时回送传感器及伺服系统状态，并对旋转编码器进行解算，解算出转台的角度测量值。

光电转塔中传感器、电路板的集中设计势必会带来电磁兼容问题。为了保证系统在复杂电磁环境下的电磁兼容性，需从电磁辐射源头，电路板的信号完整性、电源完整性等方面入手，从而来降低系统的电磁辐射[1-2]。仿真是电路板设计之初必不可少的手段，通过EMIStream仿真软件对该板的电磁辐射问题进行仿真分析，进一步优化设计，从而高效率、高质量地完成系统设计。

1 系统组成

多功能接口电路板按主要功能可划分为3部分：串口通信模块、轴角解算模块、板级BIT模块。系统组成框图如图1所示，串口通信模块与系统的接口为4路RS422接口，轴角解算模块与系统的接口为模拟信号接口，板级BIT模块接口是LED灯和数码管接口。

图1 系统组成框图

1.1 串口通信模块

多功能接口电路板的串口通信模块主要负责接收上位机发送的控制指令，解析后将控制指令分发给传感器、伺服控制系统，并完成传感器的上电、通信控制、伺服模式控制和系统自检信息采集，同时要接收传感器和伺服系统的状态信息并回送至上位机。各接口均采用RS422异步串口通信总线，采用差分传输方式，具有很强的信号抗干扰性。

1.2 轴角解算模块

在光电转台中，轴角解算系统由双速旋转变压器，激磁电源，轴角解算模块构成，如图2所示。

图2 轴角解算系统组成

双速旋转变压器是一种电磁感应式传感器，由不同极对数的定子和转子构成，在激磁电源提供的励磁电压作用下，转子绕组作为变压器的副边通过电磁耦合输出包含角度位移信息的正余弦模拟电压信号[3]。旋转变压器作为光电伺服控制系统闭环反馈位置角度码值主要器件在机载，舰载和陆用平台应用广泛[4]。

多功能接口板中的轴角解算模块接收旋转变压器输出的模拟电压信号以及激磁电源输出的400HZ的参考电压后经粗精组合和硬件实现输出与TTL电平兼容的并行二进制数字量，从而完成对光电转台角度的解算。

1.3 板级BIT模块

BIT（Build In Test）机内测试，是指系统内部提供的检测诊断或隔离故障的自动测试能力，它能有效地改善系统的测试性和诊断能力，可降低设备的平均修复时间，对武器装备的维护维修来说，能迅速定位故障[5-6]。BIT设计对当前武器装备可靠性、稳定性和可维护性设计意义重大，直接影响设备的实际使用[7-8]。

在多接口控制板设计中，板级的BIT功能是对系统中关键器件状态监测，对故障现象进行定位。通过BIT功能设计，调试人员可提高工作效率，外场维护人员能快速定位故障。在BIT模块中，首先对电路板故障类别进行分类：底层故障、接口故障。例如、在底层故障中，供电电源部分是否稳定可用LED指示灯显示；硬件主架构芯片中MCU电路用过自检灯进行显示，CPLD部分通过自检波形显示于指示灯来完成。对于接口故障，实现方法是由MCU对接口故障进行编码，例如定义int Bit_info=0x0000代表无故障出现，该编码显示于数码管中，当Bit_info=0x0001时代表与上位机发送故障，Bit_info=0x0003代表与上位机发送、接收故障、以此类推。

2 硬件设计

2.1 主控制器

在本文中、主处理器采用型号为STC89C58RD+的单片机，该芯片为宏晶电子生产的以8051为内核的芯片，内部含Flash E2prom存储器，芯片内部程序存储空间的大小为32KB。根据本设计需要，本文将STC89C58RD+的P0口作为与CPLD和通信接口模块的地址和数据复用端口，通过该端口接收上位机的数据指令。系统软件采用单片机C语言设计[9]。

2.2 CPLD电路

在本电路设计中采用了Altera公司的EPM7192SQI160，在CPLD模块中以硬件描述语言VHDL[10]为平台所完成的主要功能为：1）轴角采集电路接口扩展：方位向、俯仰向轴角模块输出两路16位二进制数字信号先接入CPLD，CPLD再根据MCU发送的采集信号周期性采集轴角数据，并以8位数据格式存储为方位高8位、方位低8位、俯仰高8位、俯仰低8位；2）与MCU及通信电路接口控制：在单片机和通信电路中共同复用单片机的P0口做为地址数据复用端口，其执行的功能是对单片机给出P0口为地址码时，CPLD对地址码进行译码，然后选通对应于CPLD内部的数据以及串口扩展芯片的片选信号，对各个通道的寄存器进行修改。3）数码管扫描电路：输入为两位的拨码开关，输出为4段数码管。对拨码开关的不同状态，数码管分别显示方位轴角数据、俯仰轴角数据、板级BIT接口故障代码。

2.3 通信电路

在本文中，通信电路使用四通道异步收发器ST16C554D对单片机的并行口进行扩展为4个串口，能对各个串口进行波特率、字长和奇偶校验配置。在实际应用配置中，四路串口分别对应于三路传感器和伺服系统。

STC89C58RD+单片机的P0口与STC16C554D的数据口连在一起，同时还连接在CPLD上。由于P0口是数据地址复用线，16C554的地址线是连接在CPLD上，片选信号也是连接在CPLD上，单片机只需对P0口进行读写操作，CPLD对不同地址进行解码后就能对16C554的地址线和片选线进行操作，从而完成芯片通道设置和数据选择串口。接口芯片采用MAX490芯片，配置成RS422标准传输，实现全双工传输通信协议标准，硬件通信电路原理图如图3所示。

图3 通信电路原理图

3 EMI仿真分析

3.1 仿真软件设计流程

本文使用EMIStream工具对接口板EMI问题进行仿真。EMIStream是由日本NEC公司设计开发的应用软件[11]。初始阶段，EMIStream可检查由回路路径所造成EMI问题、由信号所造成EMI问题、由电源所造成的EMI问题，通过对13条EMI问题检查规则，根据仿真结果及经验理论规则有针对性地对PCB板进行优化完善后，然后再对其进行EMI检测和仿真分析，直到设计出满足电磁兼容规范的PCB板[12-13]。

3.2 EMI仿真分析

将PCB文件转化为EMIStream识别的.dsn文件的并将其导入，并对PCB板的网络属性（Net Property）和元件属性（Component Property）进行设置，然后进行EMI仿真[14-15]，仿真结果如图4所示。

图4 EMI仿真结果图

通过左侧的EMI仿真结果对话框，我们可以看到有参考平面改变、电磁辐射、SG模式的过孔、滤波器的仿真提示，根据最后括号内EMI的严重点数判断，（1P表示辐射很小，99P表示辐射严重。），通过仿真结果可对电路板的EMI进行优化设计。

打开对话框中EMI辐射的超标频谱图，对应仿真图中红色部分的网络，如图5所示，可以看出该网络的频率为390 MHz，辐射值为35.15 dB，大于设置的最大值35 dB。由于该网络为时钟线，较容易产生辐射，且在布板时有过孔将该网络分开，所有会有较高的辐射。

在布线软件中对该网络重新布线，重新设置该NET回路，取消该网路的过孔，并缩短布线长度，从新导入仿真后辐射得到了很好的改善优化，仿真结果如图6所示。

图5 390 MHz的频谱图

图6 优化电路布线后的仿真结果图

3.3 电源层和地层谐振仿真分析

谐振属于电源完整性的问题，为得到整板谐振情况，在完成PCB布局、电源及地层布局布线后，需对该电路板进行PCB有效性检查。

将接口板导入EMIStream软件，通过设置制板参数，选择对象平面VCC，设定基准平面GND，指定激发谐振的激励源位置，选择扫频范围等步骤后，开始对接口板的电源层和地层进行谐振仿真，仿真结果及频率特性如图7所示。

图7 谐振仿真及频率特性图

从频率特性图可以看出，在500 MHz和710 MHz时的峰值超过了预设的-10 dB，表明该两个频段处振幅/谐振最大。

电源完整性谐振问题主要通过两个途径解决，一是安装合适的去耦电容，二是优化PCB的叠层设计及布局布线。在高速PCB电路板工作速率低于400 MHz时，通过合理的选用去耦电容，有助于减小电源完整性问题；系统速率更高时，去耦电容作用减小。可以通过优化PCB层间距设计及布局布线同样可以解决电源完整性问题[16-17]。

文中通过改变叠层的间距，通过仿真证明该方法的有效性。通过改变叠层的厚度，减小Plane的厚度（铜厚）后重新进行仿真，仿真结果及频谱特性如图8所示，可以从频谱特性图看出超过-10 dB的电压等级已经没有了，表明优化措施有效。