多功能接口电路板设计及EMI仿真研究

2020-01-06候永爱刘利锐

通信电源技术 2020年13期

关键词：电路板谐振串口

候永爱，刘利锐

（1.内蒙古一机集团宏远电器股份有限公司，内蒙古包头 014032；2.内蒙古第一机械集团股份有限公司科研所，内蒙古包头 014032）

0 引言

本文设计的多功能接口电路板主要功能为管理控制旋转变压器、伺服系统、上位机及传感器各接口，同时负责上位机下发指令并解码，实现传感器及伺服系统状态的回送，对旋转编码器进行解算等。

1 多功能接口电路板设计需要关注的问题

1.1 叠层设计

对于本文研究的多功能接口电路板设计来说，叠层设计极为重要，直接影响多功能接口电路板的电磁兼容性。结合相关理论研究和实践探索可以了解到，为保证多功能接口电路板的电磁兼容性，具体设计需遵循6个原则：（1）结合电磁兼容性、信号走线路径等要求，评估电源、信号等层的数量；（2）将平面间的间距增大，以减少辐射的电磁波和耦合干扰，并降低电磁干扰；（3）减小地平面与电源平面间的距离，以增强二者的耦合性，这一过程需尽量靠近排布相邻两平面，电源平面的目标阻抗可基于二者耦合电容降低；（4）对于关键信号，如时钟、高频等，地平面需要与这类信号相邻，这一过程需要保证屏蔽效果最优；（5）需设法保障信号完整性，并最终提升多功能接口电路板的电磁兼容性；（6）对于地平面为多功能接口电路板顶/底第二层的设计，需为顶/底层布线提供外部器件、内部走线以及参考平面的屏蔽，且信号层相邻情况规避或针对性增大层间距也不容忽视[1]。

1.2 器件的划分和布局

多功能接口电路板器件的划分和布局直接影响其电磁兼容性，因此必须加强对器件划分和布局的重视。其中，电磁干扰信号源位置和高速信号走线需得到重点关注，电磁干扰主要源于驱动电路、时钟电路以及电源电路等。多功能接口电路板的LDO电源及DC/DC转换器是噪声的主要来源，记忆传导和辐射，噪声会传给板上其他器件。这种问题会随供电线路延长而恶化，因此应在电源入口处布置主电源和二次电源电路。时钟电路的辐射也需要得到重点关注，辐射对敏感电力会带来深远影响，因此多功能接口电路板器件布局时需远离高速信号、I/O电路放置时钟电路，并靠近连接器布放模拟相关电路，如I/O电路等。此外，印制板内部需要针对性布置存储器电路和高速电路[2]。

1.3 具体设计思路

本文针对性设计了一种多功能接口电路板，具体设计需保证复杂电磁环境下多功能接口电路板的电磁兼容性。因此，设计需要重点关注电磁辐射源头，同时需要重视多功能接口电路板，重点应在信号、电源的完整性方面。另外，本文针对性选择仿真软件，分析设计的电磁辐射问题，高质量、高效性完成系统设计工作。

2 多功能接口电路板的系统组成

2.1 基本组成

多功能接口电路板的基本组成包括板级BIT模块、轴角解算模块和串口通信模块，以此连接上位机、可见光摄像机、红外摄像机、激光测距机、激磁电路、旋转变压器、伺服控制系统、LED/数码管。系统与串口通信模块、轴角解算模块的接口分别为RS422接口（4路）、模拟信号接口，板级BIT模块接口为数码管和LED灯接口。

2.2 串口通信模块

串口通信模块在本文设计的多功能接口电路板中主要负责上位机发送控制指令的接收，控制指令在由串口通信模块解析后即可分发给伺服控制系统、传感器，系统自检信息采集、伺服模式控制、传感器的上电及通信控制均可由此完成。串口通信模块需要同时接收伺服控制系统、传感器的状态信息，并将这类信息回送至上位机。串口通信模块的各接口采用差分传输方式，应用RS422异步串口通信总线，信号抗干扰性较强。

2.3 轴角解算模块

光电转台中的轴角解算系统属于一种电磁感应式传感器。轴角解算系统组成的双速旋转变压器由转子和定子构成。基于励磁电压作用，作为变压器副边的转子绕组可通过电磁耦合输出正余弦模拟电压信号，包含角度位移信息。作为在机载、舰载和陆用平台，旋转变压器应用较为广泛。轴角解算模块主要负责接收TTL电平兼容的并行二进制数字量、模拟电压信号（旋转变压器输出）等，光电转台角度解算可由此基于轴角解算模块完成[3]。

2.4 板级BIT模块

板级BIT模块主要用于机内测试，可服务于系统内部提供隔离故障或检测诊断的自动测试，由此提升诊断与测试性能，对于实现修复平均时间缩短、维护维修工作的更好开展具有积极意义，故障的迅速定位也能顺利实现。板级BIT模块对设备的稳定性、可靠性、可维护性带来的影响较为深远，设备的实际使用也会受到深远影响。对于本文设计的多功能接口电路板来说，板级BIT模块需开展故障现象定位及关键器件状态监测，由此开展BIT功能的针对性设计，即可为快速定位故障、提升调试效率提供支持。模块需要对故障类别进行细分，细分为接口故障和底层故障。底层故障可用LED指示灯显示判断供电电源部分稳定情况，MCU电路（硬件主架构芯片）可基于自检灯显示，自检波形可用于CPLD部分的指示灯显示。接口故障的实现需进行接口故障编码，需充分利用MCU，以明确无故障出现、上位机发送与接收故障的接口故障编码[4]。

3 多功能接口电路板的硬件设计

3.1 主控制器设计

在本文开展的多功能接口电路板设计中，采用STC89C58RD+型号的单片机作为主处理器。芯片内核为8051，内部存储器为FlashE2prom，拥有32 kB的内部程序存储空间。基于多功能接口电路板的设计需要，多功能接口电路板与通信接口模块和CPLD的数据复用端口及地址采用单片机的P0口，P0口负责上位机数据指令接收，具体采用单片机C语言设计系统软件。

3.2 CPLD电路设计

多功能接口电路板CPLD电路设计采用EPM7192SQI160（Altera公司），硬件描述语言VHDL在CPLD模块中应用完成的主要功能可细分为3个部分，包括轴角采集电路接口扩展、与通信电路及MCU接口控制、数码管扫描电路。具体设计需将两路信号首先接入CPLD，基于采集信号（MCU发送），CPLD会对轴角数据开展周期性采集，具体存储采用8位数据格式。拨码开关状态可由数码管显示，包括板级BIT接口故障代码、俯仰轴角数据和方位轴角数据[5]。

3.3 通信电路设计

多功能接口电路板的通信电路设计采用ST16C554D（四通道异步收发器），以此扩展单片机的并行口，即可得到4个串口，同时需对各个串口进行字长、波特率和奇偶校验配置。在实际的应用配置中，四路串口分别对应于伺服系统和三路传感器。单片机P0口与四通道异步收发器的数据口连在一起，同时需要连接CPLD。对于属于数据地址复用线的单片机P0口来说，四通道异步收发器地址线连接在CPLD上，CPLD上同时连接片选信号，单片机读写操作仅需要基于P0口开展，通过解码不同地址，CPLD可对四通道异步收发器的片选线和地址线进行操作，顺利完成数据选择串口和芯片通道设置。对于采用MAX490芯片的接口芯片来说，需应用全双工传输通信协议标准，并基于RS422标准传输进行配置。

4 多功能接口电路板的EMI仿真分析

4.1 仿真软件设计流程

为实现多功能接口电路板的仿真分析，采用EMIStream工具进行研究，基于13条检查规则（EMI问题），即可结合经验理论规则及仿真结果优化完善多功能接口电路板设计。围绕优化后的设计进一步开展EMI检测和仿真分析，最终能获得满足电磁兼容规范的多功能接口电路板设计。

4.2 EMI仿真分析

在基于多功能接口电路板设计的EMI仿真分析过程中，需转换PCB文件得到.dsn文件，转换后的文件可由EMIStream识别，随后需导入，同时设置多功能接口电路板的元件属性和网络属性，即可开展多功能接口电路板的EMI仿真。EMI仿真结果直观展示了SG模式的过孔、电磁辐射、参考平面改变、滤波器的仿真提示，EMI的严重点数判断也在最后括号内有着直观展示，由此开展的优化设计可基于仿真结果开展。打开仿真分析结果开展针对性分析可以发现，该网络的频率、辐射值分别为390 MHz、35.15 dB，35 dB为设置的最大值。网络重新布线基于布线软件开展，同时需要针对性开展NET回路设置，取消网路过孔、缩短布线，由此解决和优化辐射问题。

4.3 电源层和地层谐振仿真分析

需检验PCB有效性检，验证多功能接口电路板，仍采用EMIStream工具，开展多功能接口电路板地层和电源层进行谐振仿真，优选平面VCC对象、针对性设置参数、指定激发谐振位置、开展GND设定、选择扫频范围属于其中的关键。基于仿真得到的谐振仿真及频率特性图进行分析可以发现，预设的电压等级最高值-10 dB在500 MHz和710 MHz时超过峰值，可见两个频段处存在最大的谐振/振幅。为解决多功能接口电路板的电源完整性谐振问题，需采用两种方法，包括优化多功能接口电路板的布局布线及叠层设计、优选合适的去耦电容。对于400 MHz以下工作速率的多功能接口电路板，去耦电容的合理选用可较好实现电源完整性问题处理，但去耦电容作用会随系统速率提高而减少，此时电源完整性问题的处理需优化多功能接口电路板的布局布线及叠层设计。本文开展的多功能接口电路板设计采用改变叠层间距的方式处理电源完整性谐振问题，在改变叠层厚度、减小Plane铜厚后开展仿真，可确定超过-10 dB的电压等级不存在于优化厚度的谐振仿真及频率特性图上，优化的有效性得到证明。