單片機系統(tǒng)的故障重現(xiàn)設(shè)計及實現(xiàn)

電磁脈沖輻照效應(yīng)實驗方法

電磁脈沖對電予系統(tǒng)的輻照效應(yīng)實驗方法，簡單地說就是將被測電子系統(tǒng)置于電磁脈沖輻射場中，接受電磁脈沖的照射，研究被測系統(tǒng)在電磁脈沖照射下受干擾、損傷的情況。

實驗配置如圖1所示。主要由吉赫橫電磁波傳輸室(GTEM Cell)、Marx發(fā)生器、控制臺和被試系統(tǒng)等組成。Marx發(fā)生器用于產(chǎn)生高電壓，與GTEM室配合，在GTEM室內(nèi)產(chǎn)生均勻電磁場?？刂婆_主要由示波器、光接收機和Marx控制面板組成。光接收機和電場傳感器組成模擬量光纖場測量系統(tǒng)，主要用于將輻射電磁場轉(zhuǎn)換成電壓信號;示波器用來顯示電場波形;Marx控制面板用來控制Marx發(fā)生器的充放電操作和陡化間隙的調(diào)整。

故障重現(xiàn)原理

故障重現(xiàn)的概念

計算機系統(tǒng)在電磁脈沖作用下可產(chǎn)生硬件損壞、數(shù)據(jù)采集誤差增大、內(nèi)存數(shù)據(jù)改變、程序跳轉(zhuǎn)、重啟動和死機等故障。這些故障現(xiàn)象是大量的、不同的計算機在不同環(huán)境、不同時間受干擾后產(chǎn)生的故障現(xiàn)象的集總。如果拿出任意一臺計算機做實驗，只能產(chǎn)生很少的幾個故障現(xiàn)象，由于這些計算機沒有自動檢測功能，有的故障即使是發(fā)生了，也觀察不到。如

果連故障現(xiàn)象都觀察不全，就無法找出故障出現(xiàn)的規(guī)律和原因，更談不上進(jìn)行防護(hù)技術(shù)研究。因此，很有必要設(shè)計一套專門用于電磁脈沖效應(yīng)實驗的計算機系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下功能：

·自動檢測并顯示系統(tǒng)本身出現(xiàn)的故障;

·干擾時故障最容易出現(xiàn);

·使出現(xiàn)故障的種類最多;

·具有故障重現(xiàn)功能。

故障重現(xiàn)是指主動地采取一定的技術(shù)手段，使故障反復(fù)出現(xiàn)。想看哪種故障就能出現(xiàn)哪種故障，想讓它出現(xiàn)兒次就出現(xiàn)幾次。這與一般電路中采取有效措施抗干擾的設(shè)計思想截然不同。

故障重現(xiàn)的條件

故障重現(xiàn)并不是用計算機軟件進(jìn)行故障仿真，而是故障的真實再現(xiàn)。要使故障重現(xiàn)，除了輻射場的幅度要足夠強外，被測系統(tǒng)還要具備必需的硬件電路和軟件環(huán)境。軟件環(huán)境是指干擾出現(xiàn)時控制功能電路工作的程序正在運行，即時間對準(zhǔn)。例如，如果要考查電磁脈沖對A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換精度的影響，首先要有ADC，其次要保證照射時ADC正在工作。

實現(xiàn)故障重現(xiàn)的技術(shù)手段

對輻射場強度和硬件電路的要求比較容易實現(xiàn)，難點是保證時間對準(zhǔn)。當(dāng)然，有些故障的重現(xiàn)對時間對準(zhǔn)要求很寬松，如死機和重啟動，計算機幾乎在運行任何程序時都有可能出現(xiàn)這兩種故障現(xiàn)象。

解決這一難點的方法是采取程序模塊化和循環(huán)等待技術(shù)。程序模塊化使每一種故障(效應(yīng))對應(yīng)一個程序模塊，想看哪種故障，就運行相應(yīng)的程序模塊;想讓故障多次出現(xiàn)，就反復(fù)進(jìn)行效應(yīng)實驗。循環(huán)等待技術(shù)是讓計算機始終運行某一段或某一句程序，可大大提高干擾成功的概率，使故障最容易出現(xiàn)。

系統(tǒng)組成及工作原理

硬件組成

本系統(tǒng)采用51系列單片機。為便于研究程序存儲器的效應(yīng)情況，選用內(nèi)部不含EPROM的8031作為中央處理器，程序固化在外部程序存儲器中，這里采用的是擦、寫方便的E2PROM(2864或28C64)。由于8031內(nèi)含CTC和SIO，不再另設(shè)外CTC和SIO。為使系統(tǒng)能夠重現(xiàn)盡可能多的故障現(xiàn)象，采用的外設(shè)芯片還有：外部數(shù)據(jù)存儲器(6264)和ADC(AD0809)。另外，增加4位數(shù)碼管用于信息顯示，顯示數(shù)據(jù)由4個鎖存器(74LS373)保存。上述硬件電路既完成一定的功能又是被試驗對象。系統(tǒng)組成如圖2所示。

程序執(zhí)行流程

該系統(tǒng)軟件共由8個程序模塊組成：指示單片機重啟動的程序模塊;檢查CTC運行情況的程序模塊;串口通訊功能檢查程序模塊;判斷外RAM內(nèi)容是否改變及讀寫是否出錯的程序模塊;判斷內(nèi)RAM內(nèi)容是否改變程序模塊;檢查A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換誤差是否增大程序模塊;判斷外中斷足否被誤觸發(fā)程序模塊;顯示E2PROM內(nèi)容是否被改寫的程序模塊。

系統(tǒng)的工作過程也就是上述8個程序模塊的運行過程，它們是在執(zhí)行開關(guān)K的控制下順序執(zhí)行的。圖3給出了流程圖。幾乎每一種效應(yīng)實驗對應(yīng)一個程序模塊。由于硬件損壞故障與軟件運行關(guān)系不大，而且故障現(xiàn)象明顯，無需專門設(shè)置程序模塊。重肩動效應(yīng)實驗可以工作在除指示單片機重啟動的程序模塊的任一程序模塊。死機效應(yīng)實驗可以工作在任一程序模塊，由于故障現(xiàn)象明顯，無需檢測程序。 故障重現(xiàn)及檢測的具體實現(xiàn)不同的故障現(xiàn)象有不同的重現(xiàn)和檢測方法。由于篇幅有限，只給出三種故障重現(xiàn)及檢測的實現(xiàn)方法。

外RAM效應(yīng)

這部分實驗包括三部分：一是不進(jìn)行讀寫操作時，檢查外RAM內(nèi)容是否被改寫;二是檢查讀操作是否出錯;三是檢查寫操作是否出錯。

第一部分實驗中，RAM內(nèi)容被改寫是由于RAM芯片被干擾所致，只需編制檢測程序。先在RAM的0000H～1FFFH單元寫入同一數(shù)據(jù)(AA)，然后等待執(zhí)行開關(guān)K的按下，等待期間進(jìn)行沖擊實驗。沖擊完畢，讀出RAM內(nèi)容并判斷是否改變。

第二、三部分實驗，檢查RAM的讀寫操作是否因干擾而出錯。讓持續(xù)時間只有微秒量級的干擾脈沖去干擾執(zhí)行時間只有幾個微秒的讀寫指令，這種事件發(fā)生的概率幾乎為0。對于干擾源可以工作在重復(fù)工作方式的情況，可以使其在重復(fù)工作方式下工作，這無疑是一種不錯的想法。但是，由于重復(fù)工作方式的重復(fù)頻率并不能做得很高，最高只能達(dá)到1kHz左右，所以其效果并不明顯。最有效的方法是使程序重復(fù)執(zhí)行一條讀或?qū)懼噶睿m然兩次讀或?qū)懼g還有幾條判斷讀或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)是否正確的指令，但兩次讀或?qū)懼g的時間間隔也只有數(shù)十微秒量級，這就相當(dāng)于讓讀寫指令等著電磁脈沖來干擾，從而大大提高了被干擾的概率。

第二、三部分程序編制開始時，為了使其更具代表性，對RAM的所有單元進(jìn)行讀或?qū)?，即先將RAM的0000H～1FFFH單元清0，然后使程序循環(huán)讀這些單元，或向這些單元循環(huán)寫入數(shù)據(jù)AA，并實時檢查讀出或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)是否正確。在實驗中發(fā)現(xiàn)，第二、三部分實驗出錯的次數(shù)，比第一部分實驗出現(xiàn)的次數(shù)還多。盡管采取了上述循環(huán)等待技術(shù)，但某條指令被干擾的可能性還是很小。多次實驗不得其解，后來在讀實驗顯示出錯信息時檢查RAM各單元的內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)每次都有一部分RAM單元的內(nèi)容出錯，而讀操作出錯不可能導(dǎo)致RAM內(nèi)容改變，因此，并不是或不全是讀寫操作出錯，而是由于RAM內(nèi)容被改寫后，誤判為讀或?qū)懗鲥e。解決這一問題的方法是，使讀寫操作只對某一一固定的RAM單元進(jìn)行，由于一個單元被改寫的概率是所有單元被改寫概率的l/2，這就大大降低了誤警概率。