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摘要：目前，市面上的串行通信板卡往往集成几种串行通信方式于一身，在高速情况下带来了不同通信方式之间的相互串扰以及外部干扰问题，这就对该板卡的电磁兼容性提出了更高的要求。该文通过实际需求设计了一种集成RS-232/RS-422/RS-485的多路串行通信板卡，在不改变该板卡电气性能的情况下，采用电磁屏蔽的方式，提出了一种新的设计方法，出色地完成了对多协议串行通信板卡的电磁兼容设计工作。
关键词：串行通信；电磁兼容；电磁屏蔽
中图分类号：TP302 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）35-0052-03
A Kind of Electromagnetic Capability Design of Multiple Serial Communication Protocols
WANG Jian-bo
（Xi’an Aeronautics Computing Technique Research Institute， AVIC， Xi’an 710068， China）
Abstract： At now， there are many serial communication boards which integrated different kinds of standards of serial communication on sale. In the case of mutual crosstalk between the different high-speed serial communication modes and external interference， which the electromagnetic compatibility of these boards put forward higher requirements than before. This article designed a kind of multi-way serial communication board which integrated three kinds of standard of serial communication—RS-232， RS-422 and RS-485 protocols based on the actual demand and proposed a new method by using the electromagnetic shielding method without changing the electrical performance of the board. The electromagnetic compatibility design of the multi-protocol serial communication board was accomplished excellently.
Key words： serial communication； electromagnetic capability； electromagnetic shielding
1 引言
串行通信作為一种十分常见的通信方式，为计算机与其他设备之间广泛使用。但是由于串行通信的高速率造成了诸多电磁兼容性问题，集成多协议串行通信的板卡因高集成度也对板卡的电磁兼容性提出了更高的要求，因此能否在不改变原有电气设计的情况下，满足对高集成度串行通信板卡的电磁兼容性要求，就显得相当重要，该问题也日益成为高速板卡性能的瓶颈。
2 设计方案
多协议串行通信卡是将RS-422、RS-485、RS-232三种串行通信标准集成于一块标准CPCI 6U板卡上，完成外接设备与上位机使用多种串行通信方式相互通讯的需要。由于其所处电磁环境复杂，电磁干扰程度强，而又需满足多路传输的需求，因此需要尽量不改动原电路设计的情况下完成电磁兼容性设计，在本文中主要采用一种新的电磁屏蔽的方法，使其完成电磁兼容要求。
2.1硬件设计方案
本系统的硬件部分主要是由具有SCSI（Small Computer System Interface）标准[1]接口的板卡来实现的，板卡上总共有8路串行通道，每路通道的RS-232、RS-422及RS-485的标准协议的转换控制、同异步串行方式的转换选择均由 Xilinx Spartan6系列的FPGA芯片XC6SLX45完成，FPGA通过PCI9030与上位机控制程序完成通信。PCI9030将复杂的PCI总线转换为简单的Local bus 总线[2]，FPGA通过对Local bus的读写完成与上位机的通信。由于FPGA芯片的管脚电平一般为标准的TTL电平，与RS-232、RS-422和RS-485串行协议的输入电压的电平不符，故还需要相应的电压转换芯片进行电平转换。同时，为了使8路串行通道能够兼容多种串行接口标准，每路通道需要有一款通道转换芯片完成RS-232/RS-422/RS-485协议的电路转换工作，FPGA通过对通道转换芯片进行控制从而配置每路通道所支持的通信协议[3]。图1是多协议串行通信卡的硬件结构图。
影响该板卡的电磁兼容性问题主要有三个：一是每路串行通信通道之间互相串扰的问题；二是因为自身干扰源高速时钟和FPGA、PCI总线的工作频率较高，对板卡自身具有较高的干扰；三则是因为外部干扰源外部电源、线缆、模块等外界干扰大。三种电磁兼容性问题叠加，而又不能改变电路设计的性能，给很好的解决该板卡的电磁兼容性问题带来了难度。
2.2电磁兼容设计方案
电磁兼容的三要素为干扰源、耦合通道和受感器，进行电磁兼容设计即对干扰源进行抑源，对耦合通道进行切断，对受感器进行减敏。多协议串行通信卡面临上述三个主要的电磁兼容性问题，单一的措施已经无法完全解决，为解决该板卡的电磁兼容性问题，其电磁兼容设计包含了5个部分内容：印制板电路设计和有源器件的选用、布线、接地、屏蔽及滤波。本文主要阐述就该板卡进行的电磁屏蔽设计。 屏蔽技术主要解决的是抑制在空间传播的电磁噪声，即切断辐射电磁噪声的耦合途径的问题。采用金属材料或磁性材料把所需要屏蔽的区域包围起来，使屏蔽体内外场隔离是屏蔽技术的主要手段。在本文中，采用双层金属屏蔽腔对多路串行通道进行隔离屏蔽，这样既解决了不同串行通道之间的串扰问题，又切断了内部干扰源及外部强干扰的耦合通道，比较好的解决了上述问题。
3 电磁兼容设计
3.1 预期电磁环境
电磁骚扰沿空间的传播是以电磁波的方式进行的，可分为近场和远场。多协议串行通信卡所处的电磁环境应该是设备内部各电气板卡引入的电磁干扰，根据判别条件：
[d=λ/2π] （1）
多协议串行通信卡与设备内部各部件的距离一般不大于0.1m，可求出对应的临界频率为[f0=477MHz]。目前，计算机内部CPU工作频率已达到2.5GHz以上，某些接口控制器芯片的频率低于临界频率。所以说，多协议串行通信卡的辐射场既有远场也有近场。
3.2 元器件敏感度分析
在多协议串行通信卡中，为接收和信号处理所设计的芯片或器件分为调谐器件和基本频带器件两类。低电平、高密度组装、高速、高频器件很容易受到骚扰，尤其是脉冲骚扰。
为了降低相邻电路之间的串扰，当今电子产品大量应用表面贴装技术，多协议串行通信卡为由SMC所采用的多层板迹，SMD占所用元器件比例超过90%，可以使板卡的辐射量大大低于单面板迹线引起的辐射。
多协议串行通信卡采用的芯片主要有MAX211E用于协议电平转换芯片、MAX3088E转换收发器、XC6SLX45-FGG484处理芯片。它们都是由大量的逻辑门电路组成，这些大规模集成电路是印制电路板的电磁辐射的主要来源，影响了电子设备电磁兼容性。
多协议串行通信卡所处的机箱内，存在来自板卡间的电磁干扰，比方说主板、电源等。它们对多协议串行通信卡上的电气部件除了线上串扰，还可通过辐射产生影响。
3.3 电磁兼容屏蔽设计
3.3.1 屏蔽原理
电磁屏蔽是为避免其它不希望的电磁波对目标电磁场产生耦合干扰进而影响目标电路电气性能而采取的措施，其中最常用的手段是实体性屏蔽。
在物理意义上，常把屏蔽实体看成是完整、电气上连续均匀的金属板，其屏蔽效能由公式3-2给出，式中A为吸收损耗（倍），R为反射损耗（倍），B为多次反射修正系数（倍）。根据Schelkunoff电磁屏蔽理论，屏蔽效能以dB表示时，式中A、R、B均用dB表示。
SE =A R B（dB） （2）
吸收损耗的计算公式为：
[A=20lgetδ=0.131tfμrσr] （3）
公式（3）中t—金属板的厚度（mm），f—电磁波频率，[μr]—相对磁导率，[σr]—相对电导率，吸收损耗正比于金属板的厚度，随着磁导率和电导率的提高而增加。
公式（2）中的反射损耗R和多重反射修正因子B的计算方法这里不予赘述，详情参看参考文献[4]。
3.3.2 材料的选择
选择屏蔽材料主要考虑材料的电磁特性，即主要看屏蔽材料的导磁和导电率。下面针对金属材料的特性和电磁环境的不同，总结了以下几个设计要素：
1） 近场电场屏蔽：采用高导电率金属屏蔽体并接地。宜采用的屏蔽材料，比如铜；
2） 近场低频磁场屏蔽：采用铁等高导磁率的材料作为屏蔽体，为增强屏蔽效果可增加屏蔽体厚度或采用多层屏蔽；
3） 近场高频磁场屏蔽：对高导磁材料来说，高频磁场会导致较高的磁损耗，故应采用高导电金属作为屏蔽体，此时若接地即可屏蔽高频电场；
4） 远场电磁场：采用高导电率金属并良好接地。
多协议串行通信卡所处电磁环境相对复杂。该情况下，屏蔽采用双层屏蔽方式。从具体设计上来说，屏蔽腔外层为铜板具有高导电率，内层为冷轧钢板具有高导磁率。两种金属材料以屏蔽舱壁的形式与印制板的顶层连接，良好接地。
3.3.3 屏蔽效能的计算
多协议串行通信卡与计算机主板、电源等模块工作在机箱里，根据需求所配置的板卡也不相同，根据电磁学原理，由图2可知双层屏蔽的屏蔽效能表示为公式（4）：
[SE∑=SE1 SE2 j8.682πdλ 20lg1-Zs1-ZW1Zs1 Zw1Zs2-Zw2Zs2 Zw2ej4πλd] （4）
公式3-4的第三和四项，如果在一定的频率范围内为负值，说明在该频率范围内双层屏蔽效能小于单层屏蔽之和，这是由于电磁波在两层屏蔽层之间的空间内产生多次反射，会有部分电磁波穿透内屏蔽层进入屏蔽空间，从而造成屏蔽效能反而不如单层屏蔽的效果[5]。
3.3.4 结构设计
根据以上分析，多协议串行通信卡的屏蔽腔采用双层复合金属材料，由双层金属腔壁和双层金属盖构成，见图3。屏蔽腔底部与印制板铜箔通过螺钉连接，为了补偿接缝在压紧时所出现的不均匀性，接触面间安装导电衬垫。屏蔽腔的外层金属为铜，内层为冷轧钢材料。双层金属采用结构胶粘接。相应地，在印制板上依据屏蔽腔的区域划分，敷设导电接地层，见图4，網纹填充区域即为接地层。
在设计过程中屏蔽舱的盖板要距离板上电路5～10h以上，腔体壁要距离板上电路的边缘3h以上，这样是为了避免屏蔽腔体的导电壁对板上电路电场的扰动。
当电路工作频率接近屏蔽腔的谐振频率时，有部分能量被吸收，可能发生衰减尖峰，影响电路的正常工作。因此在设计屏蔽腔尺寸时，为避免此种情况发生，让屏蔽腔体的谐振频率避开电路的工作频率，使它们不一致。屏蔽腔体的谐振频率与其尺寸参数的关系为公式（5）和公式（6）：
[lcM=λ021-Nλ02ac2] （5）
[c=11-hb1-1ε] （6）
式中：λ0—谐振波长；M、N—谐振模次数；l—谐振腔体长；a—谐振腔体宽；b—谐振腔高度；h—介质厚度（印制板厚度）；ε—介质的相对介电常数。一般情况下M和N最大取2和3，因为更大的谐振模式已很微弱。ε=4.2～4.7。
多协议串行通信卡印制板厚度h=1.6mm，屏蔽腔高度b=8mm，屏蔽腔长l=200mm，两个屏蔽腔的宽度分别为a1=40mm，a2=60mm。
4 结论
本文在最后对经过电磁兼容设计的多协议串行通信板卡进行了RE102试验，该板卡如图5所示，实验对该多协议串行通信卡分别在低频2Mhz—30Mhz、中频30Mhz—200Mhz及高频200Mhz—10Ghz的频谱进行了扫描，结果表明，该多协议串行通信卡在低中高频均满足GJB151B-2013的要求。
参考文献：
[1] ANSI SCSI Standard[S]， X3.131-1986， June 23， 1986， 2nd， foreword.
[2] PLX SDK user manual[Z]. PLX Technology， Inc，2006.
[3] 吴德铭. 基于PCI总线的高速串行通信研究与实现 [D]. 厦门：厦门大学，2006：1-70.
[4] 苏东林，陈爱新，谢树果. 电磁场与电磁波[M].北京：高等教育出版社，2009：232-235.
[5] 夏军. 机载光电设备的电磁屏蔽设计[J].航空兵器，2009（1）： 62-64.
关键词：串行通信；电磁兼容；电磁屏蔽
中图分类号：TP302 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）35-0052-03
A Kind of Electromagnetic Capability Design of Multiple Serial Communication Protocols
WANG Jian-bo
（Xi’an Aeronautics Computing Technique Research Institute， AVIC， Xi’an 710068， China）
Abstract： At now， there are many serial communication boards which integrated different kinds of standards of serial communication on sale. In the case of mutual crosstalk between the different high-speed serial communication modes and external interference， which the electromagnetic compatibility of these boards put forward higher requirements than before. This article designed a kind of multi-way serial communication board which integrated three kinds of standard of serial communication—RS-232， RS-422 and RS-485 protocols based on the actual demand and proposed a new method by using the electromagnetic shielding method without changing the electrical performance of the board. The electromagnetic compatibility design of the multi-protocol serial communication board was accomplished excellently.
Key words： serial communication； electromagnetic capability； electromagnetic shielding
1 引言
串行通信作為一种十分常见的通信方式，为计算机与其他设备之间广泛使用。但是由于串行通信的高速率造成了诸多电磁兼容性问题，集成多协议串行通信的板卡因高集成度也对板卡的电磁兼容性提出了更高的要求，因此能否在不改变原有电气设计的情况下，满足对高集成度串行通信板卡的电磁兼容性要求，就显得相当重要，该问题也日益成为高速板卡性能的瓶颈。
2 设计方案
多协议串行通信卡是将RS-422、RS-485、RS-232三种串行通信标准集成于一块标准CPCI 6U板卡上，完成外接设备与上位机使用多种串行通信方式相互通讯的需要。由于其所处电磁环境复杂，电磁干扰程度强，而又需满足多路传输的需求，因此需要尽量不改动原电路设计的情况下完成电磁兼容性设计，在本文中主要采用一种新的电磁屏蔽的方法，使其完成电磁兼容要求。
2.1硬件设计方案
本系统的硬件部分主要是由具有SCSI（Small Computer System Interface）标准[1]接口的板卡来实现的，板卡上总共有8路串行通道，每路通道的RS-232、RS-422及RS-485的标准协议的转换控制、同异步串行方式的转换选择均由 Xilinx Spartan6系列的FPGA芯片XC6SLX45完成，FPGA通过PCI9030与上位机控制程序完成通信。PCI9030将复杂的PCI总线转换为简单的Local bus 总线[2]，FPGA通过对Local bus的读写完成与上位机的通信。由于FPGA芯片的管脚电平一般为标准的TTL电平，与RS-232、RS-422和RS-485串行协议的输入电压的电平不符，故还需要相应的电压转换芯片进行电平转换。同时，为了使8路串行通道能够兼容多种串行接口标准，每路通道需要有一款通道转换芯片完成RS-232/RS-422/RS-485协议的电路转换工作，FPGA通过对通道转换芯片进行控制从而配置每路通道所支持的通信协议[3]。图1是多协议串行通信卡的硬件结构图。
影响该板卡的电磁兼容性问题主要有三个：一是每路串行通信通道之间互相串扰的问题；二是因为自身干扰源高速时钟和FPGA、PCI总线的工作频率较高，对板卡自身具有较高的干扰；三则是因为外部干扰源外部电源、线缆、模块等外界干扰大。三种电磁兼容性问题叠加，而又不能改变电路设计的性能，给很好的解决该板卡的电磁兼容性问题带来了难度。
2.2电磁兼容设计方案
电磁兼容的三要素为干扰源、耦合通道和受感器，进行电磁兼容设计即对干扰源进行抑源，对耦合通道进行切断，对受感器进行减敏。多协议串行通信卡面临上述三个主要的电磁兼容性问题，单一的措施已经无法完全解决，为解决该板卡的电磁兼容性问题，其电磁兼容设计包含了5个部分内容：印制板电路设计和有源器件的选用、布线、接地、屏蔽及滤波。本文主要阐述就该板卡进行的电磁屏蔽设计。 屏蔽技术主要解决的是抑制在空间传播的电磁噪声，即切断辐射电磁噪声的耦合途径的问题。采用金属材料或磁性材料把所需要屏蔽的区域包围起来，使屏蔽体内外场隔离是屏蔽技术的主要手段。在本文中，采用双层金属屏蔽腔对多路串行通道进行隔离屏蔽，这样既解决了不同串行通道之间的串扰问题，又切断了内部干扰源及外部强干扰的耦合通道，比较好的解决了上述问题。
3 电磁兼容设计
3.1 预期电磁环境
电磁骚扰沿空间的传播是以电磁波的方式进行的，可分为近场和远场。多协议串行通信卡所处的电磁环境应该是设备内部各电气板卡引入的电磁干扰，根据判别条件：
[d=λ/2π] （1）
多协议串行通信卡与设备内部各部件的距离一般不大于0.1m，可求出对应的临界频率为[f0=477MHz]。目前，计算机内部CPU工作频率已达到2.5GHz以上，某些接口控制器芯片的频率低于临界频率。所以说，多协议串行通信卡的辐射场既有远场也有近场。
3.2 元器件敏感度分析
在多协议串行通信卡中，为接收和信号处理所设计的芯片或器件分为调谐器件和基本频带器件两类。低电平、高密度组装、高速、高频器件很容易受到骚扰，尤其是脉冲骚扰。
为了降低相邻电路之间的串扰，当今电子产品大量应用表面贴装技术，多协议串行通信卡为由SMC所采用的多层板迹，SMD占所用元器件比例超过90%，可以使板卡的辐射量大大低于单面板迹线引起的辐射。
多协议串行通信卡采用的芯片主要有MAX211E用于协议电平转换芯片、MAX3088E转换收发器、XC6SLX45-FGG484处理芯片。它们都是由大量的逻辑门电路组成，这些大规模集成电路是印制电路板的电磁辐射的主要来源，影响了电子设备电磁兼容性。
多协议串行通信卡所处的机箱内，存在来自板卡间的电磁干扰，比方说主板、电源等。它们对多协议串行通信卡上的电气部件除了线上串扰，还可通过辐射产生影响。
3.3 电磁兼容屏蔽设计
3.3.1 屏蔽原理
电磁屏蔽是为避免其它不希望的电磁波对目标电磁场产生耦合干扰进而影响目标电路电气性能而采取的措施，其中最常用的手段是实体性屏蔽。
在物理意义上，常把屏蔽实体看成是完整、电气上连续均匀的金属板，其屏蔽效能由公式3-2给出，式中A为吸收损耗（倍），R为反射损耗（倍），B为多次反射修正系数（倍）。根据Schelkunoff电磁屏蔽理论，屏蔽效能以dB表示时，式中A、R、B均用dB表示。
SE =A R B（dB） （2）
吸收损耗的计算公式为：
[A=20lgetδ=0.131tfμrσr] （3）
公式（3）中t—金属板的厚度（mm），f—电磁波频率，[μr]—相对磁导率，[σr]—相对电导率，吸收损耗正比于金属板的厚度，随着磁导率和电导率的提高而增加。
公式（2）中的反射损耗R和多重反射修正因子B的计算方法这里不予赘述，详情参看参考文献[4]。
3.3.2 材料的选择
选择屏蔽材料主要考虑材料的电磁特性，即主要看屏蔽材料的导磁和导电率。下面针对金属材料的特性和电磁环境的不同，总结了以下几个设计要素：
1） 近场电场屏蔽：采用高导电率金属屏蔽体并接地。宜采用的屏蔽材料，比如铜；
2） 近场低频磁场屏蔽：采用铁等高导磁率的材料作为屏蔽体，为增强屏蔽效果可增加屏蔽体厚度或采用多层屏蔽；
3） 近场高频磁场屏蔽：对高导磁材料来说，高频磁场会导致较高的磁损耗，故应采用高导电金属作为屏蔽体，此时若接地即可屏蔽高频电场；
4） 远场电磁场：采用高导电率金属并良好接地。
多协议串行通信卡所处电磁环境相对复杂。该情况下，屏蔽采用双层屏蔽方式。从具体设计上来说，屏蔽腔外层为铜板具有高导电率，内层为冷轧钢板具有高导磁率。两种金属材料以屏蔽舱壁的形式与印制板的顶层连接，良好接地。
3.3.3 屏蔽效能的计算
多协议串行通信卡与计算机主板、电源等模块工作在机箱里，根据需求所配置的板卡也不相同，根据电磁学原理，由图2可知双层屏蔽的屏蔽效能表示为公式（4）：
[SE∑=SE1 SE2 j8.682πdλ 20lg1-Zs1-ZW1Zs1 Zw1Zs2-Zw2Zs2 Zw2ej4πλd] （4）
公式3-4的第三和四项，如果在一定的频率范围内为负值，说明在该频率范围内双层屏蔽效能小于单层屏蔽之和，这是由于电磁波在两层屏蔽层之间的空间内产生多次反射，会有部分电磁波穿透内屏蔽层进入屏蔽空间，从而造成屏蔽效能反而不如单层屏蔽的效果[5]。
3.3.4 结构设计
根据以上分析，多协议串行通信卡的屏蔽腔采用双层复合金属材料，由双层金属腔壁和双层金属盖构成，见图3。屏蔽腔底部与印制板铜箔通过螺钉连接，为了补偿接缝在压紧时所出现的不均匀性，接触面间安装导电衬垫。屏蔽腔的外层金属为铜，内层为冷轧钢材料。双层金属采用结构胶粘接。相应地，在印制板上依据屏蔽腔的区域划分，敷设导电接地层，见图4，網纹填充区域即为接地层。
在设计过程中屏蔽舱的盖板要距离板上电路5～10h以上，腔体壁要距离板上电路的边缘3h以上，这样是为了避免屏蔽腔体的导电壁对板上电路电场的扰动。
当电路工作频率接近屏蔽腔的谐振频率时，有部分能量被吸收，可能发生衰减尖峰，影响电路的正常工作。因此在设计屏蔽腔尺寸时，为避免此种情况发生，让屏蔽腔体的谐振频率避开电路的工作频率，使它们不一致。屏蔽腔体的谐振频率与其尺寸参数的关系为公式（5）和公式（6）：
[lcM=λ021-Nλ02ac2] （5）
[c=11-hb1-1ε] （6）
式中：λ0—谐振波长；M、N—谐振模次数；l—谐振腔体长；a—谐振腔体宽；b—谐振腔高度；h—介质厚度（印制板厚度）；ε—介质的相对介电常数。一般情况下M和N最大取2和3，因为更大的谐振模式已很微弱。ε=4.2～4.7。
多协议串行通信卡印制板厚度h=1.6mm，屏蔽腔高度b=8mm，屏蔽腔长l=200mm，两个屏蔽腔的宽度分别为a1=40mm，a2=60mm。
4 结论
本文在最后对经过电磁兼容设计的多协议串行通信板卡进行了RE102试验，该板卡如图5所示，实验对该多协议串行通信卡分别在低频2Mhz—30Mhz、中频30Mhz—200Mhz及高频200Mhz—10Ghz的频谱进行了扫描，结果表明，该多协议串行通信卡在低中高频均满足GJB151B-2013的要求。
参考文献：
[1] ANSI SCSI Standard[S]， X3.131-1986， June 23， 1986， 2nd， foreword.
[2] PLX SDK user manual[Z]. PLX Technology， Inc，2006.
[3] 吴德铭. 基于PCI总线的高速串行通信研究与实现 [D]. 厦门：厦门大学，2006：1-70.
[4] 苏东林，陈爱新，谢树果. 电磁场与电磁波[M].北京：高等教育出版社，2009：232-235.
[5] 夏军. 机载光电设备的电磁屏蔽设计[J].航空兵器，2009（1）： 62-64.