【正文】 要原因。中等電壓時，有輝光放電發(fā)生，這使上升時間增加，并減小了峰值電流。在每個多次放電序列中，會有一個以上的低電壓放電，這會導(dǎo)致快速上升時間和高峰值電流，產(chǎn)生嚴重的問題。下面仍用這個例子來討論靜電放電的影響，但得出的結(jié)論具有一般性。一定要記住，解決靜電放電問題要從系統(tǒng)的角度考慮問題。實際上，這個模塊往往是一個殼體，殼體內(nèi)有鍵盤的開關(guān)和電子線路。　　靜電場的強度取決于充電物體上的電荷數(shù)量，和與其它電荷量不同的物體之間的距離。有時電壓會更高，達到12~15kV。但這是假設(shè)身體的最小輝光放電放電半徑為1厘米。人體上的最高電壓應(yīng)該是20kV。導(dǎo)體內(nèi)的電荷重新分布會加劇介電物質(zhì)的機化，甚至強度會達到將介質(zhì)擊穿的程度。雖然靜電場本身會造成問題，但放電的后果更嚴重，因為這有直接注入電荷的效應(yīng)。在這些強電場的作用下，芯片會被擊穿而損壞?！　〗鉀Q電荷注入問題的一個方法是在人體和電子器件之間放置一塊絕緣屏障。另一個方法是在人體與器件之間放置一塊金屬擋板。這時，靜電放電事件是向金屬板注入電荷，而不是器件。使用金屬擋板時的不同點是，當放電發(fā)生后，電場是在擋板和器件之間，而不是在人體和器件之間。當金屬板與大地連接后，金屬板上的電荷會泄放掉，從而消除靜電場。（這相當于系統(tǒng)中所有的設(shè)備都有金屬外客，電纜也是屏蔽的場合）　　金屬擋板的方法常被用來保護設(shè)備，一旦安裝好并接地后，其效果是很好的。不幸的是，人們對低于數(shù)千伏的電場或放電是毫無察覺的，因此當他對設(shè)備造成損壞時，甚至他還不知道?！　≡倩氐角懊娴睦樱僭O(shè)鍵盤在制造和運輸過程中是有良好保護的。當放電發(fā)生時，電流流過這個金屬板和地線。在這種場合，金屬板是電荷源。這種場合，金屬板不再是主要的電荷源，而僅是電流的一個路徑。這些高頻電流是金屬板內(nèi)的電荷再分布電流。這些低頻電流是地通路電流。 圖10靜電放電的輻射狀電流　　人體上的低頻放電電流的路徑是選擇一條電阻最小的路徑直接到地，如圖11所示。圖11 流向地的靜電放電電流　　在了解放電電流的路徑和頻率的基礎(chǔ)上，可以分析它們對電子系統(tǒng)性能的影響。對于設(shè)計而言，防止電荷注入和損壞是最基本的要求?！　‘敺烹婋娏髟谙到y(tǒng)內(nèi)部流動時，會對電流路徑上的許多天線產(chǎn)生激勵。靜電放電產(chǎn)生的頻率的波長可以在數(shù)厘米至數(shù)百米的范圍內(nèi)。下面還以鍵盤為例，看一下電子系統(tǒng)中的天線是怎樣形成的。并且，通常電纜是與金屬板聯(lián)在一起的，電纜往往呈螺旋狀，如圖12所示。圖12 鍵盤上的靜電放電電流圖13是電纜的情況　　為了簡化分析，我們分別考慮各個環(huán)節(jié)。電纜相當于一根直天線，場的方向如圖所示。由于人體所帶電荷的極性通常是未知的，因此在后面的圖中將方向省略。這是一個典型的環(huán)天線。圖14靜電放電電流在電纜螺旋部分產(chǎn)生的場　　根據(jù)尺寸不同，金屬板上的開口可以看成縫隙天線，或?qū)㈤_口之間的導(dǎo)體看成獨立的天線，它所產(chǎn)生的場與直電纜相似（圖15）。但是在近場區(qū)（距離天線1/6波長以內(nèi)），電場和磁場的相對強弱是不可預(yù)測的。這意味著，對于大多數(shù)靜電放電頻率而言，鍵盤內(nèi)的大部分電子器件處于近場，大多數(shù)電子系統(tǒng)也是這種情況。通常高阻抗和低阻抗的天線都是同時存在的，因此兩種場也都存在。當靜電放電電流產(chǎn)生的磁力線從天線輻射出來后，會穿過電路中的導(dǎo)體。同樣，輻射電場也會在系統(tǒng)電路上感應(yīng)出電壓。同樣，低阻抗天線更易接收磁場。磁場會在低阻抗回路中感應(yīng)出電流，電場會在高阻抗線上感應(yīng)出電壓。電壓和地電路通常是低阻抗的，輸出電路既可以高阻抗也可以低阻抗。另一方面，輸入電路往往對電場更敏感，必須對感應(yīng)電壓采取措施?！　≡诜治鲮o電放電的影響時，還要記住，場不僅對系統(tǒng)內(nèi)的電路會產(chǎn)生直接的影響，而且還會產(chǎn)生間接的影響。一個典型的例子是場在電纜屏蔽層上感應(yīng)出電流。這時，盡管原始的場不能穿透機箱，但通過電纜上的感應(yīng)電流，場還是會對機箱內(nèi)的電路造成影響。這一點很重要。不幸的是，由于幅度、相位和頻率成分的變化不同，原始的共模噪聲總是會在系統(tǒng)的某一點變?yōu)椴钅Ｔ肼??！　‰m然靜電放電解決方案貫穿整個系統(tǒng)，但是如果不將系統(tǒng)從概念上分解為若干部分，分析將是十分困難的。但是，一定要記住，系統(tǒng)問題絕不能通過僅對系統(tǒng)的一部分進行處理來解決。因此，必須對系統(tǒng)的所有部分采取防護措施?！　‰m然固件設(shè)計不能防止系統(tǒng)中器件的損壞，但是能夠有效地避免一些非永久性的損壞?！　∪缤布系撵o電放電措施一樣，抗靜電放電的固件也是有代價的。權(quán)衡得失時，要將這種代價與單純依靠硬件解決靜電放電問題時的成本做對比。　　在編寫靜電放電抗擾性強的固件時一定要樹立的的一個觀念是“不確定性”。例如，當使用一個索引寄存器時，應(yīng)該問一下，如果這個索引發(fā)生錯誤時，會發(fā)生什么問題。如果會發(fā)生很嚴重的問題，例如系統(tǒng)發(fā)生死鎖，則必須采取措施來避免問題的發(fā)生。由于不可能預(yù)見到所有的特殊情況，要使固件能夠抵抗靜電放電，設(shè)計人員必須對整個系統(tǒng)有一個全面的了解?！　∷⑿拢骸　∵M行刷新時，程序員不關(guān)心過去的情況，而僅是用確定的數(shù)據(jù)來保證今后的狀態(tài)。即使這個端口從上次更新以后一直沒有改寫，也要進行這個步驟。刷新時需要考慮的其它因素包括：　　A) 按照一定的時間間隔打開中斷使能端（在8049中是RETR，在8051中是RETI）　　B) 當端口用于串行數(shù)據(jù)輸出時，刷新停止位的電平?！　) 定期讀取控制和選擇輸入，保證系統(tǒng)工作在適當狀態(tài)?！　≡谶M行刷新時，另一個需要考慮的因素是刷新的順序。例如，在同步輸入/輸出中，數(shù)據(jù)線一定要在時鐘線之前刷新。如前所述，一定要考慮在錯誤條件下每條指令的順序。在有些情況下，刷新甚至?xí)谏w一些嚴重的問題。如果狀態(tài)不對，程序應(yīng)該試圖對其進行更正。雖然系統(tǒng)的狀態(tài)可能有疑問，但是將系統(tǒng)徹底初始化并不是一個好方法。應(yīng)該遵守的原則是，使系統(tǒng)處于最可能的狀態(tài)，而這個狀態(tài)應(yīng)該使問題的危害最小。這便于以后采用投票的方式來確定當前狀態(tài)?！　z驗函數(shù)通常可以分為3類。　　A) 檢驗程序流是否正確：　　　1) 在主程序中，在子程序返回前，要定期檢驗子程序堆棧指針，以確認子程序在預(yù)定的范圍內(nèi)運行。當進入一個子程序時，保存標牌，當離開子程序時，檢查這個標牌。當程序要執(zhí)行這些碼時，就被抓?。ɡ缭谖词褂玫谋砀裰邪才欧祷刂噶睿?。　　　5) 主程序應(yīng)定時檢查上面的定時程序，確認其是否運行正常（如果微處理器沒有內(nèi)置的計時器，可以使用外置的硬件“看門狗”電路?！　) 檢驗存儲的數(shù)據(jù)和信息是否正確　　　1) 定期對保留的項目進行表決，如果沒有一致性，進行初始化。除了備份以外，還可以使用糾錯碼?！　　?) 如果關(guān)鍵數(shù)據(jù)很多而不適合備份，或者無法檢驗所有信息時，可以用檢驗和或周期性冗余檢驗（CRC）來對數(shù)據(jù)塊檢驗。　　如果以上措施均不能正確檢查，則要求能自動恢復(fù)。實際上，由于靜電放電（ESD）而使錯誤程序反向復(fù)位時，執(zhí)行硬件初始化程序不應(yīng)妨礙處理器的工作。如果已經(jīng)設(shè)定標志，則應(yīng)避免完全復(fù)位。特別地，通常應(yīng)按以下步驟來完成復(fù)位：　　復(fù)位子程序堆棧指針?！　?fù)位計數(shù)器?！　≡趶?fù)位完成時才允許中斷，然后再重新啟動計數(shù)器?！　∪绻鳈C系統(tǒng)接受復(fù)位，最好使其發(fā)磅一代碼以通知復(fù)位已完成?！　‘斎唬瑥?fù)位程序必須清除引起復(fù)位動作的具體問題。從理論上講，內(nèi)存單元值可能會引起看門狗計數(shù)器停止計數(shù)，從而使處理器進入死循環(huán)。循環(huán)期間的一個內(nèi)存單元值應(yīng)由一個返回指令來代替。（如果有可能的話，空閑的內(nèi)存單元地址應(yīng)用于控制這個返回操作碼。）當然，這個邏輯分析儀也能夠發(fā)現(xiàn)程序其他部分的死循環(huán)。這種情況下，在調(diào)試后，程序可以在仿真系統(tǒng)中具有“靜電放電加固”的性質(zhì)。　　程序計數(shù)器是很關(guān)鍵的，應(yīng)被設(shè)置成隨意值。通過在仿真過程中作這些變化且不影響結(jié)果，許多潛在的問題都可以得以發(fā)現(xiàn)。應(yīng)用這些原理，與固件相關(guān)的靜電放電問題相對來說會很少的。為了便于對系統(tǒng)硬件解決進行討論，將系統(tǒng)上的靜電放電效應(yīng)劃分成以下三個部分：　　1. 靜電放電之前靜電場的效應(yīng)　　2. 放電產(chǎn)生的電荷注入效應(yīng)　　3. 靜電放電電流產(chǎn)生的場效應(yīng)　　盡管印刷線路板（PWB，通常也稱之為PCB）的設(shè)計會對上述三種效應(yīng)都產(chǎn)生影響，但是主要是對第三種效應(yīng)產(chǎn)生影響?！　⊥ǔ?，源與接收電路之間的場耦合可以通過下列方式之一減?。ㄟ@些通用方法也會在其它討論場的章節(jié)中提到）：　　1. 在源端使用濾波器以衰減信號　　2. 在接收端使用濾波器以衰減信號　　3. 增加距離以減小耦合　　4. 降低源和/或接收電路的天線效果以減小耦合　　5. 將接收天線與發(fā)射天線垂直放置以減小耦合　　6. 在接收天線與發(fā)射天線之間加屏蔽　　7. 減小發(fā)射及接收天線的阻抗來減小電場耦合　　8. 增加發(fā)射或接收天線之一的阻抗來減小磁場耦合　　9. 采用一致的、低阻抗參考平面（如同多層PCB板所提供的）耦合信號，使它們保持共模方式　　在具體設(shè)計中，如電場或磁場占主導(dǎo)地位，應(yīng)用方法7和8就可以解決。方法8則與方法7帶來的效果相反。不管是電場還是磁場，使用方法1 ～ 6與9都會取得一定的效果，但PCB設(shè)計的解決方法主要取決于方法3 ～ 6和9的綜合使用。一、保持環(huán)路面積最小　　任意一個電路回路中有變化的磁通量穿過時，將會在環(huán)路內(nèi)感應(yīng)出電流。較小的環(huán)路中通過的磁通量也較少，因此感應(yīng)出的電流也較小，這就說明環(huán)路面積必須最小。每個人都知道圖16中所示的環(huán)路，但要正確識別圖17中所示的環(huán)路則比較困難。 圖17 電源線與地線構(gòu)成的PCB回路　　與其試著去找出所有可能的環(huán)路，還不如采取下列步驟來減小環(huán)路面積：　　A、 電源線與地線應(yīng)緊靠在一起以減小電源和地間的環(huán)路面積。圖18 電源與地形成的環(huán)路面積的減小　　B、多條電源及地線應(yīng)連接成網(wǎng)格狀?！　∪鐖D19所示，這個典型的地線結(jié)構(gòu)會使環(huán)路面積很大，可以在雙面板上添加一些連接線以減小環(huán)路面積，如圖20所示。插在底板（或母板）PCB上的PCB板，應(yīng)該有多個地線和電源線節(jié)點，且在連接器長度方向上均勻布置。圖19 典型的PCB地線結(jié)構(gòu)圖20 地線網(wǎng)格　　上述步驟A和B既可減小電源與地之間的環(huán)路面積，同時也可減小環(huán)路天線的效能，下面講的步驟C和D將降低天線及信號線的效率。圖21表明了這一原則。圖21 縮短平行路徑　　D、 信號線應(yīng)與地線應(yīng)緊挨著放在一起。不過，這也許會產(chǎn)生很多平行地線。一個