[Zusammenfassung] Mit der zunehmenden Verbreitung von Mikrocontrollersystemen in der Unterhaltungselektronik, Medizintechnik, Industrieautomation, intelligenten Messtechnik, Luft- und Raumfahrt sowie weiteren Bereichen sehen sich Mikrocontroller-Subsysteme der wachsenden Bedrohung durch elektromagnetische Störungen (EMI) ausgesetzt. Auch im Bereich der Wägetechnik gewinnen Fragen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) immer mehr an Bedeutung. Dieser Artikel beschreibt die Erfahrungen des Autors mit EMV-Technologien für Mikrocontrollersysteme und soll zur Diskussion mit Fachkollegen anregen. [Schlüsselwörter] Mikrocontroller, Elektromagnetische Störungen, Elektromagnetische Verträglichkeit, Hardware-Designmethode, Elektromagnetische Verträglichkeit, Software-Designmethode. In Umgebungen mit starker elektromagnetischer Belastung werden einige großflächige integrierte Schaltungen häufig durch Störungen beeinträchtigt, was zu Fehlfunktionen oder Betrieb unter falschen Bedingungen und oft schwerwiegenden Folgen führen kann. Daher stellt die elektromagnetische Störung ein bedeutendes Problem für Entwickler dar. Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) umfasst sowohl die Emissions- als auch die Störfestigkeitsprobleme eines Systems. Ein Mikrocontrollersystem gilt als EMV-konform, wenn es die folgenden drei Bedingungen erfüllt: 1. Es stört keine anderen Systeme; 2. Es ist nicht empfindlich gegenüber Emissionen anderer Systeme; 3. Es beeinträchtigt das System selbst nicht. Auch wenn Störungen nicht vollständig beseitigt werden können, sollten sie minimiert werden. Störungen entstehen entweder direkt (über Leiter, Impedanzkopplung usw.) oder indirekt (durch Übersprechen oder Strahlungskopplung). Elektromagnetische Störungen (EMI) entstehen durch Leiter und Strahlung. Viele magnetoelektrische Emissionsquellen, wie z. B. Licht, Relais, Gleichstrommotoren und Leuchtstofflampen, können Störungen verursachen. Wechselstromleitungen, Verbindungskabel, Metallkabel und interne Schaltkreise von Subsystemen können ebenfalls Strahlung erzeugen oder unerwünschte Signale empfangen. In Hochgeschwindigkeits-Mikrocontrollersystemen sind Taktschaltungen oft die größte Quelle von Breitbandrauschen, das harmonische Verzerrungen bis zu 300 MHz erzeugt, und sollten aus dem System entfernt werden. Darüber hinaus sind Reset-, Interrupt- und Steuerleitungen in Mikrocontrollersystemen besonders störungsanfällig. I. Kopplungsarten von Störungen 1. Leitungsgebundene EMI Einer der offensichtlichsten und oft übersehenen Wege, der Rauschen in einem Schaltkreis verursachen kann, führt über Leiter. Ein Draht, der durch eine störungsanfällige Umgebung verläuft, kann Störungen aufnehmen und an andere Schaltkreise weiterleiten, was zu Interferenzen führt. Entwickler müssen daher vermeiden, dass Drähte Störungen aufnehmen, und diese durch Entkopplung entfernen, bevor sie Interferenzen verursachen. Das häufigste Beispiel ist Rauschen, das über das Netzteil in den Schaltkreis gelangt. Wenn das Netzteil selbst oder andere daran angeschlossene Schaltkreise Störquellen darstellen, müssen diese entkoppelt werden, bevor die Stromleitung in den Schaltkreis eintritt. 2. Impedanzkopplung tritt auf, wenn Ströme aus zwei verschiedenen Schaltkreisen durch eine gemeinsame Impedanz fließen. Der Spannungsabfall über die Impedanz wird durch die beiden Schaltkreise bestimmt, und die Masseströme beider Schaltkreise fließen durch die gemeinsame Masseimpedanz. Das Massepotenzial von Schaltkreis a wird durch Strom b moduliert, und Rauschsignale oder Gleichstromkompensation werden von Schaltkreis b über die gemeinsame Masseimpedanz zu Schaltkreis a eingekoppelt. 3. Abgestrahlte Kopplung. Abgestrahlte Kopplung ist allgemein als Übersprechen bekannt. Übersprechen tritt auf, wenn Strom durch einen Leiter fließt und dabei ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das transiente Ströme in benachbarten Leitern induziert. 4. Abgestrahlte Emissionen Es gibt zwei grundlegende Arten von abgestrahlten Emissionen: Gegentaktstrahlung (DM) und Gleichtaktstrahlung (CM). Gleichtaktstrahlung, auch Monopolantennenstrahlung genannt, entsteht durch unbeabsichtigte Spannungsabfälle, die alle Masseverbindungen im Schaltkreis über das Systemspannungsniveau anheben. Bezüglich der elektrischen Feldstärke ist CM-Strahlung ein gravierenderes Problem als DM-Strahlung. Um CM-Strahlung zu minimieren, muss der Gleichtaktstrom durch eine geeignete Schaltung auf null reduziert werden. II. Einflussfaktoren auf die EMV 1. Spannung Je höher die Versorgungsspannung, desto größer die Spannungsamplitude und desto höher die Emissionen. Eine niedrige Versorgungsspannung hingegen beeinträchtigt die Empfindlichkeit. 2. Höhere Frequenzen und periodische Signale erzeugen mehr Emissionen. In Hochfrequenz-Mikrocontrollersystemen entstehen Stromspitzen beim Schalten von Geräten; in analogen Systemen entstehen Stromspitzen bei Änderungen des Laststroms. 3. Erdung: Von allen EMV-Problemen ist eine unzureichende Erdung das Hauptproblem. Es gibt drei Arten der Signalerdung: Einpunkt-, Mehrpunkt- und Hybrid-Erdung. Einpunkt-Erdung kann bei Frequenzen unter 1 MHz verwendet werden, ist jedoch für hohe Frequenzen ungeeignet. In Hochfrequenzanwendungen wird Mehrpunkt-Erdung bevorzugt. Hybrid-Erdung nutzt Einpunkt-Erdung für niedrige und Mehrpunkt-Erdung für hohe Frequenzen. Das Erdungslayout ist entscheidend; Erdungsschaltungen für hochfrequente digitale Schaltungen und analoge Schaltungen mit niedrigem Pegel dürfen niemals vermischt werden. 4. Leiterplattendesign: Eine korrekte Leiterbahnführung auf der Leiterplatte (PCB) ist entscheidend für die Vermeidung von elektromagnetischen Störungen (EMI). 5. Entkopplung der Stromversorgung: Beim Schalten von Geräten entstehen transiente Ströme in den Stromleitungen, die gedämpft und herausgefiltert werden müssen. Transiente Ströme von Quellen mit hohem Stromanstiegsverhältnis (di/dt) verursachen Erdungs- und Leiterbahn-„Emissionsspannungen“. Ein hohes di/dt erzeugt ein breites Spektrum an hochfrequenten Strömen, die Bauteile und Kabel zur Abstrahlung anregen. Änderungen des Stroms und der Induktivität in einem Leiter verursachen einen Spannungsabfall. Durch Reduzierung der Induktivität oder der Stromänderung über die Zeit kann dieser Spannungsabfall minimiert werden. III. Hardware-Behandlungsmethoden für Störungen 1. Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) – Design von Leiterplatten (PCBs) Leiterplatten dienen als Trägerkomponenten für Schaltungselemente und Geräte in einem Mikrocontrollersystem und stellen die elektrischen Verbindungen zwischen diesen her. Mit der rasanten Entwicklung der Elektroniktechnologie steigt die Leiterplattendichte. Die Qualität des Leiterplattendesigns hat einen signifikanten Einfluss auf die elektromagnetische Verträglichkeit eines Mikrocontrollersystems. Die Praxis hat gezeigt, dass selbst bei korrektem Schaltplan ein fehlerhaftes Leiterplattendesign die Zuverlässigkeit des Mikrocontrollersystems beeinträchtigen kann. Beispielsweise führt ein sehr geringer Abstand zweier dünner paralleler Leiterbahnen auf einer Leiterplatte zu Signalverzögerungen und reflektiertem Rauschen am Leitungsanschluss. Daher ist beim Leiterplattendesign auf die Anwendung korrekter Methoden, die Einhaltung allgemeiner Leiterplattendesignprinzipien und die Erfüllung der Anforderungen an die Störungsunterdrückung zu achten. Das Layout der Bauteile und die Leiterbahnführung sind entscheidend für die optimale Leistung elektronischer Schaltungen. Für die Entwicklung einer hochwertigen und kostengünstigen Leiterplatte sollten die folgenden allgemeinen Prinzipien beachtet werden: A. Die Platzierung spezieller Bauteile beginnt mit der Berücksichtigung der Leiterplattengröße. Eine zu große Leiterplatte führt zu langen Leiterbahnen, erhöhter Impedanz, geringerer Störfestigkeit und höheren Kosten; eine zu kleine Leiterplatte hingegen zu schlechter Wärmeableitung und erhöhter Anfälligkeit für Störungen durch benachbarte Leiterbahnen. Die Position spezieller Bauteile wird erst nach Festlegung der Leiterplattengröße bestimmt. Schließlich werden alle Bauteile entsprechend den Funktionseinheiten der Schaltung platziert. Bei der Positionierung spezieller Bauteile sind folgende Prinzipien zu beachten: ① Minimieren Sie die Verbindungen zwischen Hochfrequenzbauteilen, um deren Streuparameter und gegenseitige elektromagnetische Störungen zu reduzieren. Störanfällige Bauteile sollten nicht zu nah beieinander platziert werden, und Eingangs- und Ausgangsbauteile sollten so weit wie möglich voneinander entfernt sein. ② Bauteile oder Leitungen mit hohen Potenzialdifferenzen sollten weiter voneinander entfernt sein, um versehentliche Kurzschlüsse durch Entladungen zu vermeiden. Hochspannungsbauteile sollten an Stellen platziert werden, die während der Fehlersuche schwer zugänglich sind. ③ Bauteile mit einem Gewicht von über 15 g sollten vor dem Löten mit Halterungen fixiert werden. Große, schwere Bauteile, die viel Wärme erzeugen, eignen sich nicht für die Montage auf der Leiterplatte, sondern sollten auf dem Gehäuseboden montiert werden. Die Wärmeableitung ist zu berücksichtigen, und wärmeempfindliche Bauteile sind von wärmeerzeugenden Bauteilen fernzuhalten. ④ Die Anordnung von einstellbaren Bauteilen wie Potentiometern, einstellbaren Induktivitäten, variablen Kondensatoren und Mikroschaltern muss die Gesamtstruktur des Geräts berücksichtigen. Bei interner Einstellung sollte die Position auf der Leiterplatte gut zugänglich sein; bei externer Einstellung sollte sie der Position des Einstellknopfs auf der Gehäuseplatte entsprechen. ⑤ Platz für die Positionierungslöcher und Montagehalterungen der Leiterplatte lassen. B. Allgemeine Bauteilanordnung Bei der Anordnung aller Bauteile gemäß den Funktionseinheiten des Schaltkreises sind folgende Prinzipien zu beachten: ① Die Positionen der einzelnen Funktionseinheiten sind entsprechend dem Stromfluss anzuordnen, um den Signalfluss zu erleichtern und eine möglichst konsistente Signalrichtung zu gewährleisten. ② Die Anordnung sollte um die Kernkomponente jeder Funktionseinheit erfolgen. Die Bauteile sollten gleichmäßig, ordentlich und kompakt auf der Leiterplatte angeordnet werden, um die Leiterbahnen und Verbindungen zwischen den Bauteilen zu minimieren und zu verkürzen. ③ Bei Schaltungen, die mit hohen Frequenzen arbeiten, sind die Verteilungsparameter der Bauteile zu berücksichtigen. In allgemeinen Schaltungen sollten die Bauteile möglichst parallel angeordnet werden; dies ist nicht nur ästhetisch ansprechend, sondern erleichtert auch das Löten und die Massenproduktion. ④ Bauteile am Rand der Leiterplatte sollten im Allgemeinen mindestens 2 mm vom Rand entfernt sein. Die optimale Form der Leiterplatte ist rechteckig. Das Seitenverhältnis beträgt 3:2 oder 4:3. Bei Leiterplattenabmessungen über 200 mm × 150 mm ist die mechanische Stabilität der Leiterplatte zu berücksichtigen. C. Die Verdrahtungsprinzipien sind wie folgt: ① Die für Ein- und Ausgänge verwendeten Drähte sollten möglichst nicht nebeneinander oder parallel verlaufen. Es empfiehlt sich, zwischen den Drähten Masseleitungen anzubringen, um Rückkopplungen zu vermeiden. ② Die Mindestbreite der Leiterbahnen auf Leiterplatten wird hauptsächlich durch die Haftfestigkeit zwischen den Leiterbahnen und dem isolierenden Substrat sowie den durch sie fließenden Strom bestimmt. Bei einer Kupferfoliendicke von 0,5 mm und einer Breite von 1–15 mm überschreitet der Temperaturanstieg bei einem Strom von 2 A nicht 3 °C. Daher genügt eine Leiterbahnbreite von 1,5 mm. Für integrierte Schaltungen, insbesondere digitale Schaltungen, wird üblicherweise eine Leiterbahnbreite von 0,02–0,3 mm gewählt. Selbstverständlich sollten, wenn möglich, breitere Leiterbahnen verwendet werden, insbesondere für Stromversorgungs- und Masseleitungen. Der Mindestabstand der Leiterbahnen wird hauptsächlich durch den ungünstigsten Isolationswiderstand und die Durchschlagspannung zwischen den Leiterbahnen bestimmt. Bei integrierten Schaltungen, insbesondere digitalen Schaltungen, kann der Abstand, sofern der Fertigungsprozess dies zulässt, weniger als 0,1–0,2 mm betragen. ③ Die Biegungen der Leiterbahnen sind im Allgemeinen abgerundet, während rechte Winkel oder eingeschlossene Winkel die elektrische Leistung in Hochfrequenzschaltungen beeinträchtigen. Vermeiden Sie außerdem die Verwendung großer Kupferfolienflächen, da diese sich bei längerem Erhitzen leicht ausdehnen und ablösen können. Falls große Kupferfolienflächen unumgänglich sind, empfiehlt sich ein Gittermuster, da dieses die beim Erhitzen entstehenden flüchtigen Gase des Klebstoffs zwischen Kupferfolie und Substrat ableitet. ④ Die Mittelbohrung des Lötpads sollte etwas größer sein als der Durchmesser des Bauteilanschlusses. Ein zu großes Lötpad kann leicht zu kalten Lötstellen führen. Der Außendurchmesser D des Lötpads beträgt in der Regel mindestens (d+1,2) mm, wobei d der Durchmesser der Anschlussbohrung ist. Bei hochdichten digitalen Schaltungen kann der minimale Lötpaddurchmesser (d+1,0) mm betragen. D. Maßnahmen zur Störungsunterdrückung von Leiterplatten und Schaltungen Die Störungsunterdrückung von Leiterplatten ist eng mit der jeweiligen Schaltung verknüpft. Im Folgenden werden nur einige gängige Maßnahmen zur Störungsunterdrückung von Leiterplatten erläutert. ① Stromversorgungsleitungsdesign: Entsprechend dem Stromfluss der Leiterplatte sollte die Breite der Stromversorgungsleitungen so groß wie möglich sein, um den Schleifenwiderstand zu reduzieren. Gleichzeitig sollte die Richtung der Strom- und Masseleitungen mit der Datenübertragungsrichtung übereinstimmen, um die Störfestigkeit zu verbessern. 2. Erdungsdesign: In der Mikrocontroller-Systementwicklung ist die Erdung eine wichtige Methode zur Störungsunterdrückung. Durch die korrekte Kombination von Erdung und Abschirmung lassen sich die meisten Störungsprobleme beheben. Die Erdungsstruktur eines Mikrocontroller-Systems umfasst im Allgemeinen Systemmasse, Gehäusemasse (Abschirmungsmasse), digitale Masse (Logikmasse) und analoge Masse. Folgende Punkte sind beim Erdungsdesign zu beachten: a. Die richtige Wahl zwischen Einpunkt- und Mehrpunkterdung ist entscheidend. In Niederfrequenzschaltungen mit einer Signalfrequenz unter 1 MHz hat die Induktivität zwischen Verdrahtung und Bauteilen einen relativ geringen Einfluss, während der durch die Erdungsschaltung entstehende Ausgleichsstrom die Störungen erheblich beeinflusst. Daher wird eine Einpunkterdung verwendet. Bei Signalfrequenzen über 10 MHz steigt die Masseimpedanz stark an. In diesem Fall sollte die Masseimpedanz so weit wie möglich reduziert und eine möglichst nah an die Masse angepasste Mehrpunkterdung eingesetzt werden. Bei Betriebsfrequenzen zwischen 1 und 10 MHz sollte die Masselänge bei einpunktiger Erdung maximal 1/20 der Wellenlänge betragen; andernfalls ist eine mehrpunktige Erdung erforderlich. b. Digitale und analoge Masse müssen getrennt sein. Leiterplatten enthalten sowohl Hochgeschwindigkeitslogikschaltungen als auch lineare Schaltungen; diese sollten möglichst voneinander getrennt und ihre Masseanschlüsse nicht vermischt werden. Jede Schaltung muss separat an die Masse der Stromversorgung angeschlossen werden. Für Niederfrequenzschaltungen ist nach Möglichkeit eine einpunktige Parallelerdung zu verwenden. Ist die praktische Verdrahtung schwierig, kann eine Teilreihenschaltung mit anschließender Parallelerdung eingesetzt werden. Hochfrequenzkomponenten sollten mit einer großflächigen, gitterartigen Erdungsfolie umgeben und die Erdungsfläche linearer Schaltungen maximiert werden. c. Erdungsleitungen sollten so dick wie möglich sein. Bei zu dünnen Erdungsleitungen ändert sich das Erdungspotenzial mit dem Strom, was zu instabilen Taktsignalpegeln in elektronischen Produkten und einer reduzierten Störfestigkeit führt. Daher sollte der Erdungsdraht so dick wie möglich sein, um das Dreifache des zulässigen Stroms der Leiterplatte führen zu können. Idealerweise sollte der Durchmesser des Erdungsdrahts mehr als 3 mm betragen. d. Erdungsdrähte sollten einen geschlossenen Stromkreis bilden. Bei der Auslegung des Erdungssystems einer Leiterplatte, die ausschließlich aus digitalen Schaltungen besteht, kann ein geschlossener Erdungsdraht die Störfestigkeit deutlich verbessern. Dies liegt daran, dass sich auf der Leiterplatte viele integrierte Schaltungselemente befinden, insbesondere bei Hochleistungsbauteilen. Aufgrund der begrenzten Dicke des Erdungsdrahts entsteht eine hohe Potenzialdifferenz, die die Störfestigkeit verringert. Durch die Bildung eines Stromkreises wird diese Potenzialdifferenz reduziert und die Störfestigkeit der elektronischen Geräte verbessert. ③ Konfiguration von Entkopplungskondensatoren: In der Leiterplattenentwicklung ist es üblich, geeignete Entkopplungskondensatoren an verschiedenen kritischen Stellen auf der Leiterplatte zu platzieren. Die allgemeinen Prinzipien für die Konfiguration von Entkopplungskondensatoren sind: a. Schließen Sie einen 10–100 µF Elektrolytkondensator an den Stromeingang an. Ein Kondensator mit 100 µF oder höher ist empfehlenswert. b. Prinzipiell sollte jeder integrierte Schaltkreis (IC) mit einem 0,01 pF Keramikkondensator ausgestattet sein. Bei Platzmangel auf der Leiterplatte kann alle 4–8 Chips ein 1–10 pF Tantalkondensator platziert werden. c. Bei Bauteilen mit geringer Störfestigkeit und starken Spannungsschwankungen beim Abschalten, wie z. B. RAM- und ROM-Speicherbausteinen, sollte ein Entkopplungskondensator direkt zwischen die Strom- und Masseleitung des Chips geschaltet werden. d. Die Anschlussdrähte der Kondensatoren sollten nicht zu lang sein; insbesondere Hochfrequenz-Bypass-Kondensatoren sollten keine Anschlussdrähte haben. Zusätzlich sind folgende zwei Punkte zu beachten: a. Wenn sich Schütze, Relais, Taster usw. auf der Leiterplatte befinden, erzeugt deren Betätigung starke Funkenentladungen. Ein RC-Glied muss verwendet werden, um den Entladungsstrom zu absorbieren. Im Allgemeinen beträgt R 1–2 kΩ und C 2,2–47 μF. b. CMOS-Schaltungen weisen eine hohe Eingangsimpedanz auf und sind induzierbar; daher sollten ungenutzte Anschlüsse geerdet oder an eine positive Spannungsversorgung angeschlossen werden. 2. Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) der Ein-/Ausgänge: In einem Mikrocontrollersystem sind die Ein-/Ausgänge gleichzeitig Leitungswege für Störquellen und Quellen für die Erkennung von Hochfrequenzstörsignalen. Daher sind folgende Maßnahmen erforderlich: ① Einsatz von Gleichtakt- und Gegentaktunterdrückungsschaltungen sowie Filter- und elektromagnetische Abschirmungsmaßnahmen zur Reduzierung von Störungen. ② Sofern möglich, Anwendung verschiedener Isolationsmaßnahmen (z. B. optische oder magnetoelektrische Isolation) zur Verhinderung der Störungsausbreitung. 3. Entwurf der Mikrocontroller-Reset-Schaltung: In einem Mikrocontrollersystem spielt das Watchdog-System eine besonders wichtige Rolle für den Betrieb des gesamten Mikrocontrollers. Da es unmöglich ist, alle Störquellen vollständig zu isolieren oder zu beseitigen, dient das Reset-System in Kombination mit softwareseitigen Verarbeitungsmaßnahmen als effektive Fehlerkorrektur und Schutzbarriere, sobald Störungen während des normalen CPU-Programmbetriebs auftreten. Gängige Reset-Systeme lassen sich in zwei Typen unterteilen: ① Externes Reset-System. Die externe Watchdog-Schaltung kann entweder selbst entwickelt oder mithilfe eines dedizierten Watchdog-Chips realisiert werden. Beide Varianten weisen jedoch Vor- und Nachteile auf. Die meisten dedizierten Watchdog-Chips reagieren nicht auf niederfrequente, sondern nur auf hochfrequente Eingangssignale. Das bedeutet, dass sie bei niederfrequenten Eingangssignalen einen Reset auslösen, bei hochfrequenten jedoch nicht. Befindet sich das Programm in einer Endlosschleife und enthält diese Schleife ein Eingangssignal, kann die Reset-Schaltung ihre Funktion nicht erfüllen. Mit einer Bandpass-Eingangsschaltung und weiteren Reset-Schaltungen lässt sich jedoch ein eigenes System entwickeln, das ein sehr effektives externes Überwachungssystem darstellt. ② Heutzutage verfügen immer mehr Mikrocontroller über eigene On-Chip-Reset-Systeme, die es Anwendern ermöglichen, ihre internen Reset-Timer einfach zu nutzen. Einige Mikrocontroller-Modelle haben jedoch zu einfache Reset-Befehle, die ebenfalls zu Endlosschleifen führen können, wodurch sie für die Überwachung unbrauchbar werden. Andere Mikrocontroller hingegen verfügen über gut durchdachte On-Chip-Reset-Befehle. Diese stellen das Reset-Signal typischerweise in einem festen Format aus mehreren sequenziell ausgeführten Befehlen dar. Tritt ein Fehler auf, wird der Reset-Vorgang abgebrochen, was die Zuverlässigkeit der Reset-Schaltung deutlich verbessert. 4. Oszillator: Die meisten Mikrocontroller besitzen eine Oszillatorschaltung, die an einen externen Quarz- oder Keramikresonator gekoppelt ist. Auf der Leiterplatte sollten die Anschlüsse des externen Kondensators, Quarzes oder Keramikresonators so kurz wie möglich sein. RC-Oszillatoren sind potenziell empfindlich gegenüber Störsignalen und können sehr kurze Taktzyklen erzeugen, daher sind Quarz- oder Keramikresonatoren vorzuziehen. Zusätzlich muss das Gehäuse des Quarzkristalls geerdet sein. 5. Blitzschutz: Bei Mikrocontrollersystemen im Außenbereich oder bei Strom- und Signalleitungen, die von außen ins Gebäude geführt werden, ist ein Blitzschutz erforderlich. Gängige Blitzschutzvorrichtungen sind Gasentladungsröhren und TVS-Dioden (Überspannungsschutzdioden). Eine Gasentladungsröhre entlädt sich, sobald die Versorgungsspannung einen bestimmten Wert, typischerweise mehrere zehn oder hundert Volt, überschreitet. Dabei durchschlägt das Gas und leitet einen starken Überspannungsimpuls gegen Erde ab. TVS-Dioden können als zwei parallelgeschaltete Zenerdioden mit entgegengesetzter Polarität betrachtet werden. Sie leiten, sobald die Spannung an ihnen einen bestimmten Wert überschreitet. Charakteristisch für sie ist, dass sie kurzzeitig Ströme von mehreren hundert oder sogar tausend Ampere führen können. IV. Softwarebasierte Methoden zur Störungsbehebung: Elektromagnetische Störquellen (EMV) können Störsignale unter bestimmten Bedingungen (z. B. in Umgebungen mit starker elektromagnetischer Strahlung) nicht vollständig eliminieren. Letztendlich gelangen diese Störsignale in den Kernprozessor der CPU und stören häufig großflächige integrierte Schaltungen, was zu Fehlfunktionen oder fehlerhaftem Betrieb führen kann. Insbesondere bei Geräten wie RAM, die bistabile Speicher nutzen, können starke Störungen zu einem Umpolen der gespeicherten Werte führen, d. h. von „0“ in „1“ oder umgekehrt. Auch die Zeitabläufe und Daten serieller Übertragungen können sich durch Störungen verändern. Schwerwiegender ist jedoch die Beschädigung wichtiger Datenparameter mit gravierenden Folgen. In diesem Fall beeinflusst die Qualität des Software-Designs direkt die Störfestigkeit des Gesamtsystems. 1. Programme können aufgrund elektromagnetischer Störungen folgende Verhaltensweisen zeigen: ① Programmabstürze. Dies ist die häufigste Folge von Störungen. In der Regel reichen ein gutes Reset-System oder ein Software-Frame-Erkennungssystem aus, sodass der Gesamtbetrieb des Systems nicht wesentlich beeinträchtigt wird. ② Endlosschleifen oder fehlerhafte Programmausführung. Diese Endlosschleifen und fehlerhaften Programmcodes sind natürlich nicht beabsichtigt. Programmbefehle bestehen aus Bytes, manche sind Ein-Byte-Befehle, andere Mehr-Byte-Befehle. Bei Störungen ändert sich der Programmzähler (PC-Zeiger), wodurch der ursprüngliche Programmcode umstrukturiert wird und unvorhersehbarer, ausführbarer Programmcode entsteht. Diese Art von Fehler ist fatal; sie kann wichtige Datenparameter verändern und eine Reihe von Fehlerzuständen, wie z. B. unvorhersehbare Steuerausgaben, hervorrufen. 2. Maßnahmen zur Speicherung wichtiger Parameter. Im Allgemeinen können wir Fehlererkennung und -korrektur einsetzen, um diese Situation effektiv zu reduzieren oder zu vermeiden. Basierend auf den Prinzipien der Fehlererkennung und -korrektur besteht die Hauptidee darin, beim Schreiben von Daten eine bestimmte Anzahl von Prüfsummen basierend auf den geschriebenen Daten zu generieren und diese zusammen mit den entsprechenden Daten zu speichern. Beim Lesen wird die Prüfsumme ebenfalls ausgelesen. Tritt ein Einzelbitfehler auf, wird dieser automatisch korrigiert, die korrekten Daten werden gesendet und gleichzeitig die korrigierten Daten zurückgeschrieben, um die ursprünglichen fehlerhaften Daten zu überschreiben. Bei Zweibitfehlern wird ein Interrupt-Bericht generiert, der die CPU zur Behandlung der Ausnahme benachrichtigt. Alle diese Aktionen werden durch das Softwaredesign automatisch in Echtzeit und vollautomatisch ausgeführt. Dieses Design verbessert die Störfestigkeit des Systems erheblich und erhöht somit seine Zuverlässigkeit. Prinzipien der Fehlererkennung und -korrektur: Betrachten wir zunächst die grundlegenden Prinzipien der Fehlererkennung und -korrektur. Die grundlegende Idee der Fehlerkontrolle besteht darin, dem Informationscode gemäß bestimmter Regeln verschiedene Arten redundanter Codes hinzuzufügen. Beim Auslesen von Informationen können die redundanten Prüf- oder Korrekturcodes zur Fehlererkennung oder automatischen Fehlerkorrektur verwendet werden. Aufgrund der Eigenschaften von Bitfehlern – ihrer Zufälligkeit und geringen Auftretenswahrscheinlichkeit – betrifft ein Fehler fast immer zufällig ein einzelnes Bit in einem Byte. Daher lässt sich die Systemzuverlässigkeit erheblich verbessern, wenn ein Codierungsverfahren entwickelt werden kann, das Ein-Bit-Fehler automatisch korrigiert und gleichzeitig auf Zwei-Bit-Fehler prüft. 3. RAM- und Flash-Speicher-Erkennung (ROM): Bei der Programmierung empfiehlt es sich, Prüfprogramme zu schreiben, die die Datencodes von RAM und Flash-Speicher (ROM) auf Fehler untersuchen. Tritt ein Fehler auf, sollte er sofort korrigiert werden. Ist eine Korrektur nicht möglich, sollte umgehend eine Fehlermeldung ausgegeben werden, damit der Benutzer reagieren kann. Darüber hinaus ist die Integration von Programmredundanz bei der Programmierung unerlässlich. Das Einfügen von drei oder mehr NOP-Befehlen an bestimmten Stellen ist sehr effektiv, um eine Programmrekonfiguration zu verhindern. Gleichzeitig sollten während der Programmausführung Flag-Daten und der Erkennungsstatus eingeführt werden, um Fehler umgehend zu erkennen und zu beheben. Fazit: Um die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) eines Mikrocontrollersystems zu verbessern, muss nicht nur die Leiterplatte durchdacht gestaltet sein, sondern es müssen auch entsprechende Maßnahmen in der Schaltungsstruktur sowie der Hard- und Software getroffen werden. Die Praxis zeigt, dass EMV in jeder Phase der Entwicklung, Fertigung, Installation und des Betriebs eines Mikrocontrollersystems berücksichtigt werden muss. Nur so kann ein langfristig stabiler, zuverlässiger und sicherer Betrieb des Systems gewährleistet werden.