王 成，陳文杰，潘小釵，馬 帥，王 威

（浙江達(dá)峰科技有限公司 浙江 杭州 310023）

智能家居中網(wǎng)絡(luò)控制器控制方式多種，浙江達(dá)峰科技有限公司開(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)觸摸控制器為機(jī)械手動(dòng)控制和移動(dòng)控制（ZIGBEE和WIFI），兩種控制方式可集合在一起，移動(dòng)控制方式有手機(jī)、網(wǎng)關(guān)、計(jì)算機(jī)等，機(jī)械手動(dòng)控制為觸摸按鍵控制。在沒(méi)有外界干擾的情況下，網(wǎng)絡(luò)觸摸控制器在這些控制方式下能很好的實(shí)現(xiàn)既定的功能。在施加外界干擾情況下，手動(dòng)觸控方式可能就存在相關(guān)問(wèn)題，例如觸摸不靈敏，觸摸按鍵不響應(yīng)，響應(yīng)延遲等，移動(dòng)控制可能存在發(fā)送指令無(wú)響應(yīng)，或發(fā)送丟失等。因此，對(duì)于干擾源的抑制和降低是很值得研究學(xué)習(xí)。退耦技術(shù)應(yīng)用優(yōu)化，可以降低成本，提高產(chǎn)品抗干擾的能力，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的[1]。

本課題采用硬件電路設(shè)計(jì)解決上述存在的問(wèn)題，一方面通過(guò)添加退耦電容，另一方面通過(guò)合理的布局布線(xiàn)設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)，二者結(jié)合的方法降低和抑制干擾，并且通過(guò)具體的試驗(yàn)驗(yàn)證（脈沖群干擾試驗(yàn)），很好的驗(yàn)證了退耦技術(shù)應(yīng)用[2]。

1 方案設(shè)計(jì)及器件選擇

浙江達(dá)峰科技有限公司生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)控制器采用ZIGBEE無(wú)線(xiàn)通信模塊，配合網(wǎng)關(guān)，以及不同類(lèi)型的通信轉(zhuǎn)發(fā)模塊，可以適用于遙控器，網(wǎng)關(guān)，手機(jī)，電腦等移動(dòng)控制。

在網(wǎng)絡(luò)控制器中具體設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，這樣便于產(chǎn)品設(shè)備規(guī)約化處理，便于故障排查和生產(chǎn)設(shè)計(jì)，具體設(shè)備模塊化設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 設(shè)備模塊化設(shè)計(jì)Fig.1 Modular design

設(shè)備模塊化功能分為3個(gè)模塊，各個(gè)模塊功能介紹如下：

1）通訊/控制板

ZigBee通訊控制板，通訊控制板完成通訊協(xié)議接收、解析、簡(jiǎn)單執(zhí)行的功能。ZigBee通訊控制板內(nèi)嵌協(xié)議棧，支持路由、組網(wǎng)等功能。通訊控制板小模塊化設(shè)計(jì)，采用插板方式插在控制接口板上或電源板上，也可以集成到控制接口板。

2）控制/接口板

控制接口板ZigBee通訊控制板采用ZigBee模塊，內(nèi)嵌協(xié)議棧，支持路由、組網(wǎng)等功能。

3）電源/執(zhí)行板

電源/執(zhí)行板實(shí)現(xiàn)供電或執(zhí)行功能。

在具體的網(wǎng)絡(luò)觸摸控制器設(shè)計(jì)，其具體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 觸摸控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Touch controller block diagram

在觸摸按鍵控制器中，電源/執(zhí)行板包含電源電路（提供12 V和3.3 V輸出電壓）和繼電器執(zhí)行模塊，外留負(fù)載接口；控制/接口板包含單片機(jī)主控制電路，ZIGBEE通訊電路和按鍵掃描和觸摸驅(qū)動(dòng)電路。所設(shè)計(jì)的電路板一共為2塊，中間通過(guò)通信口連接。其中控制/接口板對(duì)于退耦技術(shù)有很高的實(shí)質(zhì)性的應(yīng)用。

2 退耦技術(shù)

PCB設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)法則：“在電路板的電源接入端放置一個(gè) 1～10μF的電容，濾除低頻噪聲；在電路板上每個(gè)器件的電源與地線(xiàn)之間放置一個(gè)0.01～0.1μF的電容，濾除高頻噪聲。”退耦是為了給電源電路干擾信號(hào)提供一個(gè)低阻抗的出路。一般選擇0.1μF電容作為退耦電容。在高速PCB設(shè)計(jì)[3]中，這個(gè)容值需要依據(jù)信號(hào)頻率具體計(jì)算，防止濾除有效信號(hào)。

實(shí)際電源系統(tǒng)中主要存在電源塌陷噪聲，其噪聲分布不僅僅局限于與芯片內(nèi)部，其實(shí)與整個(gè)電路板芯片引腳，走線(xiàn)長(zhǎng)度，地線(xiàn)處理都有關(guān)系。因此，在具體的網(wǎng)絡(luò)觸摸控制器設(shè)計(jì)中，弱電電路和強(qiáng)電電路區(qū)域必須要分開(kāi)，保持足夠的電氣間隙和爬電距離。對(duì)于開(kāi)關(guān)電源電路紋波要求必須符合企業(yè)或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，以降低電源前端EMI傳導(dǎo)和EMC電磁干擾[3-4]。弱電電路部分充分要考慮退耦電容的使用以及在實(shí)際PCB設(shè)計(jì)中退耦技術(shù)的處理，改善整個(gè)產(chǎn)品EMI和EMC性能。

3 觸摸驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

針對(duì)退耦技術(shù)具體應(yīng)用，選擇電容式觸摸芯片CP2524作為具體分析電路。這個(gè)系列的觸摸芯片通過(guò)感應(yīng)觸摸，引起感應(yīng)電極上的電容變化，進(jìn)而將電容信號(hào)變化量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。在CP2524芯片中應(yīng)用中注重3個(gè)引腳功能，電源引腳，PD引腳和IADJ（調(diào)節(jié)靈敏度）。其中PD是掉電有效，高有效[5]。

在設(shè)計(jì)時(shí)，我們將PD引腳作為復(fù)位引腳，在3.3 V工作電壓輸入端接入104P小電容，便于退耦。所設(shè)計(jì)的CP2524觸摸驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖3 CP2524觸摸驅(qū)動(dòng)電路Fig.3 CP2524 touch chip driver circuit

在具體的PCB布局設(shè)計(jì)中，將電源/執(zhí)行板與控制接口板分開(kāi)，通過(guò)通信口引入3.3 V工作電壓。因此，在控制主板上，對(duì)于電源線(xiàn)布置走線(xiàn)不可能按照最短路徑，其噪聲分布很是明顯。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，3.3 V主電源輸入端附近放一個(gè)0.1μF小電容，并且盡可能的靠近電源端，之后對(duì)其他芯片供電。整個(gè)3.3 V電源線(xiàn)走線(xiàn)附近盡可能的鋪地（GND）。在圖3所示中，CP2524電源端放置C8，其放置位置盡可能靠近電源。在PD引腳端，建議單獨(dú)走一根粗地線(xiàn)。所有信號(hào)線(xiàn)，電源線(xiàn)盡可能走同一板面，地線(xiàn)走另一面。在電源線(xiàn)附近，要預(yù)留足夠的鋪設(shè)地線(xiàn)的空間。

鋪地（鋪銅）之后，就要添加過(guò)孔，將上下兩層地層連接，盡量保持一層地的完整性。一個(gè)過(guò)孔就相當(dāng)于小電容，并且在電源線(xiàn)附近多放置，盡可能的靠近電源線(xiàn)，便于更好的提供退耦，去耦通道[5]。

4 測(cè)試及調(diào)試結(jié)果

實(shí)際中網(wǎng)絡(luò)觸摸控制器設(shè)計(jì)完成后需要功能測(cè)試，各種電氣性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這里主要涉及到靜電放電和脈沖群干擾實(shí)驗(yàn)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，若是電源線(xiàn)處置不合理，以及鋪銅（GND）不合理，導(dǎo)致退耦處理不好，會(huì)影響實(shí)驗(yàn)的具體結(jié)果。初次設(shè)計(jì)控制板走線(xiàn)時(shí)，電源走線(xiàn)單一，電源線(xiàn)走線(xiàn)附近地層割裂，與另一層地層之間過(guò)孔太少，銜接太遠(yuǎn)。

脈沖群干擾試驗(yàn)中，設(shè)定干擾電壓1 kV，1.5 kV、2.5 kV。驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為2.5 kV無(wú)異常，無(wú)死機(jī)。靜電放電試驗(yàn)設(shè)定接觸放在為正負(fù)8 kV。脈沖群干擾測(cè)試分為2種，在干擾情況下，一種是手動(dòng)觸摸按鍵，查看按鍵功能實(shí)現(xiàn)，另一種采用PC主機(jī)（電腦）進(jìn)行通信測(cè)試。通信測(cè)試中，采用通訊調(diào)試板—RL12D-C07V2.00，設(shè)定好波特率等基本參數(shù)，發(fā)送抄讀幀“5A 5C 12 00 00 00 00 00 FF FF FF FF FF 01 01 04 C9 A5”，查看回復(fù)幀，應(yīng)有5A 5C……A5的回復(fù)幀，長(zhǎng)度為22字節(jié)。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試（測(cè)試次數(shù)99次），對(duì)比發(fā)送幀和回復(fù)幀吻合情況。

干擾電壓1 kV，觸摸按鍵測(cè)試和通信測(cè)試均正常。設(shè)定干擾電壓1.5 kV或2.5 kV，觸摸按鍵會(huì)出現(xiàn)很大失靈，觸摸按鍵無(wú)響應(yīng)等情況。干擾電壓2.5 kV時(shí)，通信測(cè)試時(shí)接收出現(xiàn)較大的丟失率，超過(guò)20%。具體通信測(cè)試如圖4所示。

圖4 干擾下通信測(cè)試結(jié)果（改良前）Fig.4 Results under communication interference test（before improved）

改善方法一：在C8端外接接入0.1 uF的瓷片電容（引腳很短），在脈沖群干擾試驗(yàn)中觸摸按鍵控制出現(xiàn)較大的改觀(guān)，在1.5 kV干擾電壓中，觸摸按鍵很少出現(xiàn)失靈，無(wú)響應(yīng)等情況。但是在靜電放電試驗(yàn)（正負(fù)8 kV接觸放電）中，因?yàn)檫@個(gè)電容會(huì)提供暫時(shí)性的充放電功能，導(dǎo)致負(fù)載電壓出現(xiàn)抖動(dòng)，同樣導(dǎo)致試驗(yàn)不合格。在C8端并聯(lián)2個(gè)或3個(gè)及以上的瓷片電容（0.1μF），對(duì)于退耦無(wú)多大改善效果（其效果與額外并聯(lián)一個(gè)瓷片電容基本無(wú)差別）。此方法不適用。

改善方法二：控制主板布局無(wú)改變，著重于電源線(xiàn)走線(xiàn)處理，將電源線(xiàn)分成2部分，分別走線(xiàn)，一線(xiàn)供電于IC芯片，另一條線(xiàn)供電于其他芯片。在電源線(xiàn)分線(xiàn)附近添加一個(gè)0.1μF小電容，在芯片電源端引腳盡可能放置一個(gè)0.1μF貼片小電容，在電源線(xiàn)走線(xiàn)附近兩側(cè)，鋪設(shè)地層，電源線(xiàn)另一層地層包含電源線(xiàn)走線(xiàn)區(qū)域，并且上下二層地層用過(guò)孔連接，保持一層地線(xiàn)的完整性，電源線(xiàn)附近地層過(guò)孔放置要多。改良設(shè)計(jì)后進(jìn)行脈沖群干擾試驗(yàn)2.5 kV測(cè)試，觸摸按鍵和通信測(cè)試均取得良好的測(cè)試結(jié)果，通信測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 干擾下通信測(cè)試結(jié)果（改良后）Fig.5 Results under communication interference test（after improved）

5 結(jié) 論

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，尤其對(duì)于網(wǎng)絡(luò)觸摸控制器而言，對(duì)于電源噪聲影響很敏感。尤其產(chǎn)品設(shè)計(jì)完工需要進(jìn)行EMI和EMC測(cè)試，直接關(guān)系到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的成敗。在原理圖上設(shè)計(jì)考慮退耦電容的同時(shí)，在進(jìn)行具體的PCB設(shè)計(jì)時(shí)同樣需要考慮退耦的處理。只有考慮全面，以及實(shí)際性的試驗(yàn)驗(yàn)證，才能進(jìn)一步增加退耦技術(shù)實(shí)際上的應(yīng)用，絕不是停留在理論上。

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