高精度测控系统中的电磁兼容设计
随着科学技术的发展，高精度测控系统广泛的应用于工业生产中，但是随着测控系统的精度不断提高，系统器件工作频率的大幅上升，电磁干扰严重的影响着系统的精确度和可靠性，本课题以电磁兼容为研究对象，介绍了电磁兼容的基本概念，分析了电磁干扰的干扰要素和解决电磁干扰的一些措施，列举了目前电磁兼容的三种方法，分别是问题解决发、规范法和系统分析法。通过研究PCB上的电磁兼容原理，自主研究设计的测控板，不仅实现了高精度信号采集，而且较好的解决了电磁兼容的问题。
硬件设计选用FPGA芯片作为系统的控制、处理核心，FPGA的处理速度比DSP和单片机要快得多，而且FPGA可由用户根据所需的要求自定义芯片功能，自由灵活，而且可以反复擦写，即缩短了开发时间又节省了成本；系统的传感电路收集被测物体的拉伸力数据，然后经过放大电路放大、A/D转换电路传送给FPGA处理；因为传感电路输出的信号是模拟信号，不能被FPGA直接识别，因此要设计一个A/D转换电路将光电转换电路输出的模拟信号转换为数字信号；通讯接口采用USB接口的设计，保证数据的快速传输。
本设计的软件编写，采用大型硬件语言VHDL语言来描述相关软件功能，因为 VHDL 语言功能强大，设计方式多样，且其具有强大的硬件描述能力， VHDL 语言移植能力很强，方便开发，并且VHDL 语言程序易于共享和复用。
关键词：高精度测控系统， 电磁兼容， 抗干扰， PCB
1.1 课题研究背景及意义
在相同的磁场空间、辐射或干扰环境下，一个系统的内部元件与系统之间、系统与设备之间，不影响相互的工作运行的状态叫做电磁兼容性(EMC: Electromagnetic Compatibility) 。EMC的研究对象包括电磁辐射、电磁干扰、频谱管理以及静电放电等。如今，现代科学技术飞速发展，超大规的模数字集成电路不断涌现，器件集成度大幅的提高，数字信号跳变时间变得非常短，变得非常容易受干扰，同时系统的工作频率也大大提高，千兆赫兹以上的电路随处可见，这些集成电路可以满足人们的需求，快速处理图像、音频数据。因此在高速电路中快速的信号频率和切换速度要求设计者考虑信号完整性和电磁兼容性问题，如果不考虑电磁兼容问题，当作PCB板时，看似正确的逻辑电路可能会因为电磁兼容问题而出现逻辑上的错误。
随着电子技术的发展电磁兼容问题越发的被人们重视，众所周知，电子设备在运行时都会产生电磁能量，并向周围辐射，其不仅会影响自身内部的电路信号，还会影响周围电子设备，造成系统的不稳定，而设备自身也可能因周围电磁环境而受到影响。嵌入式系统是电磁兼容技术在众多领域运用的一个很好的例子，它是一个以计算机技术为基础的软硬件均按要求进行增减的专用计算机系统。因为该系统有着可靠性高、成本、体积小的优点。高速电路板设计的主要问题是高速互连设计、高频分析以及布局布线等问题。这些设计工作都对整个电子设备的安全性、可靠性起到关键的作用。
1.2 国内外研究现状
电磁兼容是一门新兴的，综合性交叉的学科，它不仅内容较为广泛，而且应用领域广泛，随着科学技术的发展，电气化与自动化水平的日益提高，在电路的设计中电磁干扰问题日益突出，世界各发达国家都开始重视这个问题，并开始对电磁兼容性这一学科进行理论和应用研究，并且应用到尖端技术产品和民用产品的研制和生产中，获得巨大的利益。相比较于国外，我国的电磁兼容性研究起步较晚，与国外先进水平相比尚有差距，因而更应该加强电磁兼容性技术的研究。
上世纪80年代，嵌入式系统的研究就开始兴起了，而美国早在上世纪50年代起就开始了电磁兼容的研究，60年代末约翰逊和托马斯提出了电磁兼容性的计算机辅助分析， 70, 80年代迅速发展，并且形成了比较完善的电磁兼容理论和标准体系，获得了大量器件的电磁特性数据，推动了电磁兼容仿真软件软件的发展，并使得电磁兼容性的计算机辅助分析技术进用应用阶段，而我国在电磁兼容方面的研究开始较晚，开始于20世纪90年代，嵌入式系统的电磁兼容研究还是从理论开始。目前，国内的嵌入式系统电磁兼容性研究主要是二个方面，一个方是设计、防护的改进方面，第二个是电磁特性的研究。在设计、防护的改进方面，主要是针对于国家自身研究领域所应用的嵌入式系统，在电磁特性的研究方面，目前的成果不是很多，只有少数团体以一定的试验条件为基础，研究了特定环境下某些嵌入式系统的电磁特性，如强静电放电、核电磁脉冲等环境下单片机的效应研究等，积累了一些有价值的实验数据。可以说，我国在嵌入式系统的电磁兼容性研究方面系统不完善，处于分析试验和积累数据阶段。
1.3 本文的主要研究内容
论文研究的是电磁兼容在高精度测控系统中的应用，文章分析了电磁干扰产生的原因及电磁干扰在PCB板上的干扰方式，并详细的分析了几种不同干扰情况下，并提出了减小电磁干扰的办法，将其应用到高精度测控系统的设计中，使硬件的设计符合电磁兼容的要求，这样不仅提高了高精度测控系统自身的抗干扰能力，而且还很好的减小了系统本身的电磁辐射， 降低了对其他设备可能造成的电磁干扰， 提高精度测控系统的稳定性和可靠性；其次本文基于FPGA设计了一种精度较高的测控机，因为相比较于DSP与单片机，FPGA芯片有着更快的处理速度，并且可以根据用户自身的需要定义其可用的管脚，极大的方便了设计，因此这种测控机以处理性能较出色的FPGA为主的控制、处理核心，测控机与上位机的通讯电路则设计成传输数据量大、传输速度快的USB接口，满足了高精度测控下大量数据的传送要求，FPGA芯片的编程语言采用VHDL硬件描述语言进行编程，FPGA在用VHDL语言编程前只是一块没有任何功能的“白片”，而通过在软件上编写好对应相应的功能的程序下载到FPGA中，FPGA就有了用户所需要的特定功能，因此可以在一块FPGA芯片上设计几种逻辑功能的电路，不仅缩短了开发周期，而且还节省了开发费用，还减少了硬件电路。
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