摘要:可穿戴计算机特珠的穿戴形式会对其EMC问题产生直接和间接的影响。文章分析了可
穿戴计算机EMC问题的特殊性及设计原理，详细阐述了可穿戴计算机EMC设计中几种特殊的技
术及方法。该技术及方法不但可应用于可穿戴计算机，还可以推广到PDA,智能手持设备等的
EMC设计。
关键词:可穿戴计算机EMC 电磁干扰滤波技术
1 可穿戴计算机EMC问题的特殊性
可穿 戴 计 算机(WearableC omputer)是一种个
人移动计算系统，穿戴在人的身上(图la)，与使
用者紧密结合，与外界密切交互，具有传统计算机
所不具备的属性、交互方式和功能。可穿戴计算机
特殊的穿戴工作方式使得其工作环境与人类可以生
存的环境产生交集，这会使其对EMC指标的需求
与台式PC, PDA等智能设备有很大区别。可穿戴
计算机的小型化决定了其自身资源(重量、体积、
功耗等)受限，这就决定了很多通常意义下的
EMC设计方法和手段不能直接或间接应用在可穿
戴机的设计中。由于可穿戴计算机和使用者之间的
“亲密接触”，需要随时随地穿戴在人的身上，其
EMC指标又有特殊要求。EMI不仅会干扰可穿戴
计算机各功能的正常工作，更会对人体的健康产生
危害。长期受到辐射甚至还会影响到人的后代，越
来越多的研究表明电磁辐射对人体的严重伤害是存
在的。在强调“计算以人为本”的今天，除了功
能上的以人为本外，还应该包括人的健康。对可穿
戴计算机来说，由于和人体几乎容为一体，而且经
常为长时间使用，所以硬件系统的辐射一定要控制
在安全的范围内，避免对穿戴者和周围人群的危
害。
2 可穿戴计算机EMC原理研究
电磁 兼 容 (EMC)问题包括电磁干扰(EMI)
和电磁抗干扰(EMS) 2方面，EMI是指产品本身
产生的电磁千扰对外界环境(包含人)的影响，
16 0
EMS是指产品抵抗外来电磁干扰影响的能力。本
文重点讨论由于可穿戴计算机的穿戴特性引起的特
殊的EMI问题。同时，对于可穿戴计算机的EMI
指标，目前国际上还没有一个统一的强制标准或是
建议标准，这对可穿戴计算机EMI的研究非常不
利。本文试图在这方面进行一些有意义的探索。
2.1 电磁兼容的一般原理
它是 电 子 、电气设备或系统的一种重要的技术
性能。其包括2方面的含义:① 设备或系统应具
有抵抗给定电磁干扰的能力，并且有一定的安全余
量;② 设备或系统不产生超过规定限度的电磁干
扰。从电磁兼容性的观点出发，电子设备或系统可
分为兼容、不兼容和临界状态3种状态:
IM 二 P i一 Ps (d B ) ( 1 )
(1) 式 中 : IM — 电磁千扰余量，Pi— 干
扰电平，Ps— 敏感度门限电平。
当 Pi> P s即干扰电平高于敏感度门限电平时，
IM > 0，设备或系统处于不兼容状态
当 Pi < P s即干扰电平低于敏感度门限电平时，
IM < 0，表示设备或系统处于兼容状态
当 Pi 二P s即干扰电平等于敏感度门限电平时，
IM二0，表示设备或系统处于临界状态
2.2 可穿戴计算机的EMC问题
可穿 戴 计 算机EMC研究的有多方面问题需要
考虑:①可穿戴计算机对人体的EMI;②可穿戴计
算机对环境(人除外)的EMI;③环境对可穿戴
计算机的EMI。可穿戴计算机的典型穿戴形式如图
la)所示;可穿戴计算机C、使用者H(人)及所
处环境S之间的关系可VA用如图lb)所示。可穿
戴计算机产生的EMI/RF1在图1中用箭头加弧线
示意。事实上，噪声(任何有害的单一或宽带辐
射)通过2个方向传播:进人和来自系统。随着
高频应用的激增，可穿戴计算机广泛采用无线装
置，包含WiFi, 802.11b/g, GPRS等，更加紧迫
的滤波需求主要取决于3个因素。无线技术的趋势
是采用最小功率等级，本地产生的噪声成为到达便
携装置的主要频谱块。其次，人口密度越大，人越
多，相互邻近的装置越多，相互的影响就越大。此
外，可穿戴计算机中的器件非常紧凑，电感和辐射
场相互偶合。半导体器件对直接和间接的电磁影响
更加敏感。
.gh凤吻
图1 a) 可 穿戴 计 算 机 的典 型 穿 戴形 式
根据 电 磁 兼容的一般性原理，可穿戴计算机
的EMC问题分别讨论如下:
(1) 可 穿 戴计算机对人体的EMI
由于 可 穿 戴计算机与人“亲密接触”，穿戴在’
人的身上，穿戴机与人之间的距离r值和我们一般
意义上的电子设备与人的距离非常小，小到只有所
穿衣服的厚度，而且使用者多属长时间使用，这对
可穿戴计算机对人体的电磁辐射提出了十分严格的
要求。以可穿戴机产生电磁干扰的电偶极子为例，
则根据电偶极子公式可知，
b)人、机、环境关系模型
、.月声、、了
2 1)
2忆、声了、
E,=，Io2lvcorZs9}‘·j_k1r]一
.ks roc os e
月r=I一二一气厂-
乙7 T T
1 1- -A ,
1十芍，!ejx
rj
Er, H r均 含有1/r2因子项，而这里的r取值
很小，一般<O.Olm，所以，能够容许的EMI要求
十分苛刻。
(2) 可 穿 戴计算机对环境的EMI
这里 的 环 境指的是除人以外的外界环境，作为
电子产品，需要满足相关标准的EMI要求，这方
面已经有现成的标准，不再详述。
(3 )环 境 对可穿戴计算机的EMI
可穿 戴 计 算机在工业场合使用的过程中会不可
避免的受到外界电子设备的电磁干扰，要保证可穿
戴计算机的可靠运行，在主机和通讯系统的设计时
就不得不考虑这一方面的问题。工业十电磁环境十
分复杂，大致可以用3类现象来描述所有的电磁干
.扰:
A、 低 频 现象(9KHZ以下频率占主要成分的
传导和辐射现象，不含静电的放电现象)。低频传
导有谐波、谐间波，信号电压，电压波动，电压暂
降与短时中断，电压不平衡，电网频率变化，低频
感应电压，交流电网络中的电流。低频辐射有磁场
和电场。
B、 高 频 现象(9KHZ以上频率占主要成分的
传导和辐射现象，不含静电的放电现象)。高频传
导有感应连续波电压与电流，单向瞬态，振荡瞬
态。高频辐射有磁场，电场，电磁场。
C、 静 电 放电(ElectronicD ischarge,E SD)
(传导和辐射的静电放电现象)。由于可穿戴计算
机时刻穿戴在人的身上，很容易产生静电放电，而
可穿戴计算机的机壳又无法直接的接地，因此，应
该特别关注对静电放电的处理。静电放电不但对人
体有害，对可穿戴计算机也极为不利。
3 可穿戴计算机EMC设计
可穿 戴 计 算机的电磁兼容设计的难度要高于其
他计算机系统，这主要体现在可穿戴计算机面临的
工业电磁环境非常复杂，无法用一个通用的公式或
模型来准确预测;可穿戴计算机向高速、宽带、高
密集度、小型化发展，会导致干扰问题更加严重，
给可穿戴计算机电磁兼容性间题带来更多问题;可
16 1
穿戴计算机相比其他的便携计算机与人体接触的更
加紧密，我们不得不进行电磁兼容的人因考虑，例
如人体静电和电磁辐射对人体的影响。
由于 可 穿 戴计算机电磁兼容技术的复杂性，本
文没有按照电磁兼容理论中藕合原理进行分类，而
是针对可穿戴计算机主机设计所面临的实际问题分
类展开讨论。
3.1 敏感设备和骚扰源的三种棍合方式
讨论 电 子 设备的电磁兼容性，首先我们应该从
理论上了解电磁干扰和电磁骚扰产生的原理，了解
敏感设备和骚扰源都是通过什么途径藕合的，针对
不同的藕合途径，我们可以采用不同的措施来抑制
祸合，提高可穿戴计算机的电磁兼容性。
3.1.1 传导祸合
2个 电 路 通过直接的电气连接形成了公共回
路，如果这种藕合是意外形成的，那就会给电路的
正常工作带来干扰。其解决方法一般是电路去祸和
滤波。这样的祸合方式对于可穿戴计算机来说，可
能会出现在PCB设计的不良布线时产生;还可能
在可穿戴计算机通过接口(例如串口)与其他设备
交互时，外界的非标准电流通过导线直接进人可穿
戴计算机带来的直接电流冲击，给其造成影响。
3.1.2 辐射藕合
电子 设 备 在工作的时候产生的伴随电磁辐射是
一类主要的干扰源，这种辐射源于电路中2种寄生
天线结构，电流环天线和电偶极天线。这2种寄生
天线在空间形成电磁场，对处于远场区的设备产生
通过电磁波藕合的干扰，这样的祸合方式称为辐射
祸合。
一般 来 说 通过电缆连接的2个设备，其辐射藕
合可以分为差模辐射和共模辐射。
差模
粗射h9/1**2
--------A}Ng二_J
’-一丫一~-
，_#k Av 一， i干 杂” 电”
对于 可 穿 戴计算机来说，外部电缆形成的差模
辐射可以通过很简单的措施来抑制，例如机壳外部
的电缆连接采用双纹线或屏蔽电缆连接，且在每一
组电缆中都提供信号回线(信号地线)，这样就可
以简单的解决外部电缆的差模辐射。而对于PCB
走线和内部扁平电缆的差模辐射，一般通过减少差
模回路面积来解决。
由于 可 穿 戴计算机一般不会直接通过地线与大
地形成可靠的连接，因此其低频信号就不会通过大
地形成共模回路。但是由于机壳与大地之间杂散电
容的存在，高频信号可以轻易的形成共模回路，因
此电缆的高频共模辐射是可穿戴计算机系统中最重
要的辐射，90%的系统不能通过辐射试验都是由外
部电缆的高频共模辐射造成的。
电缆 的 共 模辐射可以通过以下几个措施来抑
制:增加共模电流阻抗(串连共模扼流圈);减小
共模电压(良好的地线设计和机壳内部屏蔽);共
模滤波(并联共模滤波电容);提供低阻抗共模回
路(电缆屏蔽层良好接地)。
3.1.3 感应藕合(串扰)
感应 藕 合 是在PCB上相互靠近的导线或是相
互靠近的电缆之间，通过杂散电容和互感祸合产生
的。因此根据其形成原理不同，可以分为电容性藕
合和电感性藕合。一般在数字电路中，感性串扰>
容性串扰，在数字电路设计中，我们往往对容性串
扰考虑得比较多。容性串扰比较好理解，是2根信
号线靠得近，由线间藕合电容引起的串扰。是我们
往往会忽略感性串扰。实际上，在数字电路中，感
性串扰的影响，远大于容性串扰。感性串扰往往还
会同时产生大的共模辐射，更易受外界干扰影响。
对于 可 穿 戴计算机来说，容性串扰可能出现在
相互靠近的PCB信号线、PCB连接电缆和外部电
缆上;而最典型的感性串扰会出现在PCB地平面
连续性被破坏(高密度接插件或过孔)后产生的
两个信号回路中。
3.2 PCB和电缆的干扰滤波
滤波 是 电 子电路设计时最常使用的干扰抑制手
段，在可穿戴计算机主机PCB设计和电缆设计中
很多地方可以采用简单的滤波措施来增强其电磁兼
容性。干扰滤波可以解决诸如传导，辐射，电脉冲
和静电放电等。无论是抑制干扰源、消除祸合或提
高接收电路的抗能力，都可以采用滤波技术。为了
最大限度地减小PCB面积，在可穿戴计算机的滤
波方案中主要考虑集成滤波器。
唯一地
以尸||1||L 大
图2 电缆差模和共模辐射示意图
图3 电统接口处干净地线面示愈图
根据 滤 波 要求的不同，主要分为简单的电容滤
波器图4a)和高速信号线的滤波器，这里选用安
森美半导体的高集成度EMI滤波器阵列具备ESD
保护功能，是在产业界中第一个使用薄型DFN
(TDFN)封装的滤波器。它是针对手机中的高速
数据接口设计的，有4, 6, 8信道的滤波器，性能
优异，十分可靠，采用插人式可更换封装到传统的
芯片级封装。由于在TDFN封装底部的接地焊盘
大，减少了寄生电感，因而滤波性能极好。
当可 穿 戴 计算机主机的外拖电缆(例如主机
与头戴显示器的连线)面临恶劣的电磁干扰时，
无论是通过何种途径祸合到电缆上的噪声，我们都
可以通过一个比较通用的方法来解决，对电缆的信
号进行干扰滤波。针对不同的源阻抗和负载阻抗，
我们应该选择不同形式的低通滤波器，这几种常用
低通滤波器所对应的源阻抗和负载阻抗的关系如表
I所示。
电容 器 的 正确选用对干扰滤波器的高频性能影
响很大，一般电容由于引线部分有很大的寄生电
感，其高频滤波性能很差，即使按照一般电子工程
师的经验把大小2个电容并联起来使用，大电容抑
制低频干扰，小电容抑制高频干扰，这样的方法也
会造成某些中间频率区会产生并联谐振，影响滤波
性能。因此可以我们采用一种贴片三端电容作为干
扰滤波电容，这种电容的接地电感很小，有效滤波
范围可以达到上1GHZ。尽管还有更多的性能更好
的滤波器但是都不太适合可穿戴计算机的电缆信号
滤波，例如穿心电容安装不方便，馈通滤波器体积
较大，滤波连接器的密封性能不好，不容易找到专
用接插件的滤波板。
表 1 滤 波 器 电 路 与 阻 抗 的 关系
电路形式源阻抗负载阻抗
C，二，多级， 高高
r，多级r 高低
反r，多级反r 低高
L, T，多级T 低低
在信 号 线 缆上滤波时，首先要保证滤波器的截
止频率不能低于信号的带宽，对于模拟信号，带宽
很容易确定，对于上升沿为tr的数字脉冲信号，
信号带宽可以近似为I/-l rtr
图4 a) 8 路 三端 电 容 阵 列 及 PC B安 装 示 意 图
上图 是 在 保证信号带宽的情况下常用接口电路
所允许的滤波电容参考值
表 2 常 用 接 口电路允许的滤波电容参考值’
b)四路二阶竹型低通滤波器
低速接口CMOs 们飞HCMOS/AC
上升时间，r (na) 0.5一1 1o 10 3.5一1.5
带宽BW (MHZ) 0.3 3 30 100一230
阻抗Z(0) 100 500 100 50一30
最大电容(FF) 2400 1o 30 20
3.3 电缆共模辐射的估算和抑制
可穿 戴 计 算机主机外拖电缆的共模辐射可能会
达到整体辐射的90%，是其辐射的主要来源，因
此电缆共模辐射的估算和抑制对于抗恶劣电磁环境
设计是十分重要的。但是纯粹从理论上来预测电缆
的共模辐射几乎是不可能的，因为影响共模电压的
因素很多，常用的方法是用电流卡钳测出电缆上的
共模电流，用频谱分析仪观察共模电流的频率，由
于一般可穿戴计算机主机外拖电缆所连接的设备都
没有接地，且离地面较远，所以我们可以采用公式
来求:E二1.26 MMwV/m，其中I是电缆中的共模
电流泌;L是电缆长度m; D为观测点距离m; f
是共模电流的频率MHZ。这样预测出来的结果可
以作为可穿戴计算机主机辐射的一个估计值，这个
估计值可以与信息技术设备的无线电骚扰限值和测
量方法的国家标准GB/T9254一1998的要求进行比
较，看是否满足辐射标准，若不满足可采用以下方
法对辐射进行抑制。
(1 )增 加 共模电流阻抗，在电缆端头串连共
模扼流圈，即铁氧体，这样可以对共模电流产生很
大的阻抗但是对差模信号却没有影响，不用考虑信
号失真的问题; (下转第174页)
16 3
4 结论
insmod驱动加载
init module()
tty register driver()
初始化指针调用初始化函数
mknode
在 Lin ux 环境下开发设备的驱动时，通常都有
一些模式或规律可寻，开发起来也较容易。本实例
虽是基于四串口的，但同样也可以设计两串口、八
串口板的驱动。值得一提的是，针对某一内核版本
开发的驱动，一般不能直接移植到其它版本内核中
去，因为不同内核版本的Linux ，其数据结构会有
轻微变化。要想开发一个适合多个内核版本的驱
动，需要对不同版本的内核进行研究，然后进行通
用处理，通常的做法是在驱动程序中加人预编译机
制。
生成终端设备文件
打开串口设备文件
串口设备的发送与接收
关闭串口设备
rmmod模块卸载
参考文献
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北京 :机械工业出版社，2002.
图3 Linux下四串口板驭动的实现模式
(上接第163页)
(2) 减 小 共模电压，共模电压的产生一般会
有2种途径，地线的噪声和靠近电缆的辐射。因此
可以通过在电缆接口处设置干净地，减少地线噪
声;将强干扰电路远离10端口，并且将内部电缆
良好屏蔽从而减少辐射。(图3)
(3) 提 供 低阻抗共模回路，将电缆屏蔽层通
过360度端接良好接地，如果采用全金属航空插
头，那么就已经拥有了这种可靠连接。
(4 )共 模 滤波，在信号导线和金属机壳之间
并联共模滤波电容，利用低通滤波的特性将高频噪
声滤掉，这种方法一般只适合于传输信号频率较低
的电缆的共模滤波。
3.4 其他设计原则及方法
PC B布 局 设计，地线面设计，串扰的抑制等的
具体原则和方法在此不再详述。
处于起步阶段，特别是对可穿戴计算机抗恶劣环境
方面的研究几乎是空白，EMC作为可穿戴计算机
抗恶劣环境研究中关键的一项，对于这个领域的研
究可以拓宽可穿戴计算机的应用领域，加速其产业
化进程，对可穿戴计算机的硬件研发有实际的指导
意义。
4 结论
目前 ， 国 内的可穿戴计算机硬件研究和开发还
参考文献
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设计 ，2005.6.
4.陈东义.抗恶劣环境可穿戴计算浅析，第十四届全国抗
恶劣 环境年会论文集，2004.

(电子科技大学自动化工程学院/移动计算研究中心，成都610054

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