強(qiáng)電磁脈沖對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的輻照效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

目前，電磁環(huán)境日趨惡劣，電子系統(tǒng)工作的可靠性和安全性受到了嚴(yán)重威脅。研究在復(fù)雜的電磁環(huán)境下，特別是在核電磁脈沖(NEMP)、雷電電磁脈沖(LEMP)和高功率微波(HPM)等強(qiáng)電磁環(huán)境下，電子系統(tǒng)的電磁兼容性問題顯得尤為重要。為此，石家莊軍械工程學(xué)院靜電與電磁防護(hù)研究所申請(qǐng)了國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目:強(qiáng)電磁脈沖對(duì)電子設(shè)備的效應(yīng)和防護(hù)技術(shù)研究。單片機(jī)系統(tǒng)的效應(yīng)實(shí)驗(yàn)是其重要組成部分。為有效地進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)的效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究，專門設(shè)計(jì)了用于強(qiáng)電磁脈沖效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的具有故障自動(dòng)檢測(cè)及顯示功能的單片機(jī)系統(tǒng)，并將其運(yùn)用于效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)在強(qiáng)電磁環(huán)境下的效應(yīng)問題進(jìn)行了深入研究。

1 強(qiáng)電磁脈沖對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的方法及配置

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

　　強(qiáng)電磁脈沖對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)采用輻照法，即將被試系統(tǒng)置于電磁脈沖輻射場(chǎng)中，研究其在電磁脈沖照射下，受干擾、損傷的情況[1]。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及對(duì)象

　　實(shí)驗(yàn)設(shè)備為吉赫橫電磁波傳輸室(GTEM Cell)。本所的GTEM室采用嶄新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有GHz的極寬頻帶，可模擬NEMP和LEMP輻射場(chǎng)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。Marx發(fā)生器用來產(chǎn)生單個(gè)高壓脈沖，脈沖前沿為數(shù)十ns量級(jí)，脈沖向負(fù)載傳輸過程中在GTEM室內(nèi)產(chǎn)生均勻電磁場(chǎng)[2]?？刂婆_(tái)用于各種操作和信號(hào)監(jiān)測(cè)。

實(shí)驗(yàn)對(duì)象選用本文作者設(shè)計(jì)的專門用于強(qiáng)電磁脈沖效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的單片機(jī)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將其置于測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)上，接受電磁脈沖輻照。該系統(tǒng)由CPU(8051)、EPROM、RAM、AD0809、鎖存器、數(shù)碼管和直流穩(wěn)壓電源等硬件電路組成。電路中的每個(gè)芯片既能完成一定功能，同時(shí)也是實(shí)驗(yàn)對(duì)象。系統(tǒng)軟件由五部分組成:檢查CTC運(yùn)行情況模塊、串口通訊功能檢查模塊、A/D轉(zhuǎn)換電路檢測(cè)模塊、RAM內(nèi)容檢測(cè)模塊、EPROM內(nèi)容檢測(cè)模塊。

2 效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

　　本效應(yīng)實(shí)驗(yàn)包括八部分:重啟動(dòng)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)、“死機(jī)” 效應(yīng)實(shí)驗(yàn)、控制狀態(tài)改變效應(yīng)實(shí)驗(yàn)、A/D轉(zhuǎn)換電路效應(yīng)實(shí)驗(yàn)、串口通訊電路效應(yīng)實(shí)驗(yàn)、讀寫存儲(chǔ)器RAM效應(yīng)實(shí)驗(yàn)、程序存儲(chǔ)器EPROM效應(yīng)實(shí)驗(yàn)、定時(shí)器CTC電路效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。

　　實(shí)驗(yàn)中沒有發(fā)現(xiàn)芯片的硬損傷及EPROM內(nèi)容的改變。其原因可能與電磁脈沖的強(qiáng)度以及脈寬、前后沿和頻帶等參數(shù)有關(guān)。

2.1 重啟動(dòng)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

　　給單片機(jī)加電，按動(dòng)“執(zhí)行”開關(guān)K，使其工作于指示單片機(jī)重啟動(dòng)程序模塊。按下控制臺(tái)上的充電開關(guān)，充到一定數(shù)值后，按下停止開關(guān)，再按下放電開關(guān)，GTEM室中便產(chǎn)生單脈沖電磁輻射場(chǎng)。這就完成了對(duì)單片機(jī)的一次輻照實(shí)驗(yàn)，一般稱為沖擊實(shí)驗(yàn)(以下同)。沖擊后，打開GTEM室，發(fā)現(xiàn)單片機(jī)發(fā)生了重啟動(dòng)。圖2是單片機(jī)重啟動(dòng)時(shí)在RST腳上采集到的干擾信號(hào)波形。

fc=12MHz時(shí)，要使單片機(jī)可靠復(fù)位，需在RST腳出現(xiàn)不小于2個(gè)機(jī)器周期的高電平(2μs)。圖2中，干擾信號(hào)的正負(fù)脈沖寬度都遠(yuǎn)小于2μs，似乎不滿足復(fù)位條件。但該條件是可靠復(fù)位的條件，CPU 內(nèi)的復(fù)位電路在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2采樣RST的狀態(tài)，如果連續(xù)兩次采樣值都為高電平，則CPU同樣進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。這就是頻繁出現(xiàn)重啟動(dòng)現(xiàn)象的原因所在。

2.2 “死機(jī)”效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究