強電磁脈沖對單片機系統(tǒng)的輻照效應(yīng)實驗研究

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)研究所申請了國防科技重點實驗室基金項目:強電磁脈沖對電子設(shè)備的效應(yīng)和防護(hù)技術(shù)研究。單片機系統(tǒng)的效應(yīng)實驗是其重要組成部分。為有效地進(jìn)行單片機系統(tǒng)的效應(yīng)實驗研究，專門設(shè)計了用于強電磁脈沖效應(yīng)實驗的具有故障自動檢測及顯示功能的單片機系統(tǒng)，并將其運用于效應(yīng)實驗，對單片機系統(tǒng)在強電磁環(huán)境下的效應(yīng)問題進(jìn)行了深入研究。

1 強電磁脈沖對單片機系統(tǒng)效應(yīng)實驗的方法及配置

1.1 實驗方法

　　強電磁脈沖對單片機系統(tǒng)效應(yīng)實驗采用輻照法，即將被試系統(tǒng)置于電磁脈沖輻射場中，研究其在電磁脈沖照射下，受干擾、損傷的情況[1]。

1.2 實驗設(shè)備及對象

　　實驗設(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，具有GHz的極寬頻帶，可模擬NEMP和LEMP輻射場，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。Marx發(fā)生器用來產(chǎn)生單個高壓脈沖，脈沖前沿為數(shù)十ns量級，脈沖向負(fù)載傳輸過程中在GTEM室內(nèi)產(chǎn)生均勻電磁場[2]?？刂婆_用于各種操作和信號監(jiān)測。

實驗對象選用本文作者設(shè)計的專門用于強電磁脈沖效應(yīng)實驗的單片機系統(tǒng)。實驗時，將其置于測試轉(zhuǎn)臺上，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。電路中的每個芯片既能完成一定功能，同時也是實驗對象。系統(tǒng)軟件由五部分組成:檢查CTC運行情況模塊、串口通訊功能檢查模塊、A/D轉(zhuǎn)換電路檢測模塊、RAM內(nèi)容檢測模塊、EPROM內(nèi)容檢測模塊。

2 效應(yīng)實驗研究

　　本效應(yīng)實驗包括八部分:重啟動效應(yīng)實驗、“死機” 效應(yīng)實驗、控制狀態(tài)改變效應(yīng)實驗、A/D轉(zhuǎn)換電路效應(yīng)實驗、串口通訊電路效應(yīng)實驗、讀寫存儲器RAM效應(yīng)實驗、程序存儲器EPROM效應(yīng)實驗、定時器CTC電路效應(yīng)實驗。

　　實驗中沒有發(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度以及脈寬、前后沿和頻帶等參數(shù)有關(guān)。

2.1 重啟動效應(yīng)實驗研究

　　給單片機加電，按動“執(zhí)行”開關(guān)K，使其工作于指示單片機重啟動程序模塊。按下控制臺上的充電開關(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。這就完成了對單片機的一次輻照實驗，一般稱為沖擊實驗(以下同)。沖擊后，打開GTEM室，發(fā)現(xiàn)單片機發(fā)生了重啟動。圖2是單片機重啟動時在RST腳上采集到的干擾信號波形。

fc=12MHz時，要使單片機可靠復(fù)位，需在RST腳出現(xiàn)不小于2個機器周期的高電平(2μs)。圖2中，干擾信號的正負(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)位電路在每個機器周期的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)重啟動現(xiàn)象的原因所在。

2.2 “死機”效應(yīng)實驗研究

　　按動開關(guān)K，使單片機工作于任一程序模塊，對單片機進(jìn)行沖擊實驗。實驗中多次出現(xiàn)程序跳轉(zhuǎn)和“死機”現(xiàn)象。程序跳轉(zhuǎn)是指程序跳過一段指令后仍能正常運行?！八罊C”有兩種表現(xiàn):一是按動開關(guān)K，數(shù)碼管顯示內(nèi)容無變化;二是按動開關(guān)K，數(shù)碼管顯示內(nèi)容改變幾次后不再發(fā)生變化。圖3 是示波器上記錄下的單片機“死機”時，腳上的干擾波形。

“死機”是指干擾使程序計數(shù)器內(nèi)容改變，結(jié)果可能將一條指令的后半字節(jié)與下一條指令的前半字節(jié)當(dāng)做一條指令來執(zhí)行，從而使程序進(jìn)入一個意想不到的死循環(huán)[4]。程序跳轉(zhuǎn)不一定必然引起“死機”。當(dāng)程序跳轉(zhuǎn)到某條指令首字節(jié)時，一般不會引起“死機”，如實驗中出現(xiàn)的程序跳轉(zhuǎn)現(xiàn)象。實驗中“死機”的第一種表現(xiàn)是干擾后程序已進(jìn)入死循環(huán);第二種表現(xiàn)是干擾后程序并未立即進(jìn)入死循環(huán)，先停留在一條等待指令上，即:WAIT:JNB P1.0 WAIT，等待開關(guān)K的按下，按下開關(guān)K后，程序繼續(xù)運行錯誤指令而進(jìn)入死循環(huán)。此時執(zhí)行的等待指令并不是正常的等待指令，而是由一條指令的后半字節(jié)與下一條指令的前半字節(jié)組合成的指令。

　　一般認(rèn)為“死機”是由于干擾改變了程序計數(shù)器的PC值引起的。但通過實驗，并根據(jù)單片機的讀指時序圖，我們認(rèn)為還有兩種可能造成“死機”:一是由于數(shù)據(jù)線上的干擾信號使CPU讀入了錯誤的跳轉(zhuǎn)指令;二是由于腳上的干擾信號(如圖3)使CPU在非讀指周期發(fā)生讀指操作，讀入了錯誤的跳轉(zhuǎn)指令。

2.3 控制狀態(tài)改變效應(yīng)實驗研究

　　單片機系統(tǒng)的控制信號一般由鎖存器保存[5]，因此，可通過研究鎖存器輸出數(shù)據(jù)的變化情況來研究控制狀態(tài)的變化。該單片機系統(tǒng)中的數(shù)碼管的數(shù)據(jù)是由四位鎖存器74LS373保存的，數(shù)碼管顯示內(nèi)容的變化可直觀地反映鎖存器輸出狀態(tài)的變化。

按動開關(guān)K，使單片機工作于任一程序模塊，對單片機進(jìn)行沖擊實驗。幾乎每次沖擊都能使數(shù)碼管顯示內(nèi)容發(fā)生改變。由鎖存器74LS373的時序圖可知，ALE腳上脈沖的上升沿可將數(shù)據(jù)輸入端的信號存入鎖存器。在每次沖擊實驗中，ALE腳有很強的干擾信號，而每次數(shù)據(jù)輸入端的干擾數(shù)據(jù)都不同，因此每次數(shù)碼管的顯示內(nèi)容也都不同。

2.4 A/D轉(zhuǎn)換電路效應(yīng)實驗研究

　　按動開關(guān)K，使單片機工作于A/D轉(zhuǎn)換電路檢測模塊。A/D轉(zhuǎn)換程序循環(huán)運行(提高A/D轉(zhuǎn)換期間受沖擊的概率)，并隨時顯示轉(zhuǎn)換結(jié)果的最大、最小值，在此期間進(jìn)行沖擊實驗。   

　　實驗中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)換結(jié)果的最大、最小值嚴(yán)重偏離正常值“8AH”(可調(diào))，最大值可達(dá)“FFH”(對應(yīng)5V，滿量程)，最小值到“00”。其原因有三:(1)模擬輸入端的輸入信號上迭加有干擾信號(干擾脈沖峰值可達(dá)幾十伏);(2)讀轉(zhuǎn)換結(jié)果時，數(shù)據(jù)線上的干擾信號使讀入數(shù)據(jù)出錯;(3)強干擾使AD0809的工作異常。實驗表明，數(shù)據(jù)采集誤差增大主要由前兩個因素引起。

2.5 串行通訊電路效應(yīng)實驗研究

　　按動開關(guān)K，使單片機工作于串口通訊功能檢查模塊。這部分程序也是循環(huán)進(jìn)行的(提高通訊期間受到?jīng)_擊的概率)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)接收數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)不符時，顯示出錯信息。在此期間進(jìn)行沖擊實驗，圖4是RXD腳上的正常波形和通訊出錯時的干擾波形。

串口通訊出錯的原因有兩個:(1)干擾使CPU內(nèi)的串口電路工作失誤，從而使接收與發(fā)送不符;(2)RXD線上的干擾信號使串行數(shù)據(jù)發(fā)生混亂。圖4中，RXD上有很強的干擾信號，而且低電平被展寬了3～4倍。這是通訊出錯的主要原因。

2.6 讀寫存儲器RAM效應(yīng)實驗研究

　　按動開關(guān)K，使單片機工作于RAM檢測模塊。該部分實驗由三部分組成:(1)先在RAM的0000H～1FFFH單元寫入數(shù)據(jù)(“AAH”、“55H”)， 然后等待開關(guān)K按下，等待期間進(jìn)行沖擊實驗。沖擊完畢，按下開關(guān)K，判斷RAM內(nèi)容是否改變并顯示數(shù)據(jù)改變的個數(shù)。(2)先進(jìn)行循環(huán)寫(提高寫期間受到?jīng)_擊的概率)，在寫期間進(jìn)行沖擊實驗，沖擊完畢，顯示數(shù)據(jù)改變的個數(shù)。(3)先寫入，然后循環(huán)讀(提高讀期間受到?jīng)_擊的概率)，在讀期間進(jìn)行沖擊實驗，并顯示數(shù)據(jù)改變的個數(shù)。圖5是循環(huán)讀出現(xiàn)2個錯誤時，采集到的
腳和腳上的干擾波形。

第一部分實驗中RAM內(nèi)容改變，是由于沖擊期間發(fā)生了寫操作。RAM芯片的腳、腳和數(shù)據(jù)線上都有很強的干擾信號，根據(jù)RAM寫時序圖，當(dāng)腳和腳上同時出現(xiàn)低電平時，就可能發(fā)生寫操作，將數(shù)據(jù)線上帶有干擾的錯誤數(shù)據(jù)寫入RAM。第二部分實驗中RAM內(nèi)容改變的原因有兩個:(1)由于在兩次寫之間約有7～8μs的間隔，在此期間可能發(fā)生了不該發(fā)生的寫操作，從而寫入錯誤數(shù)據(jù);(2)循環(huán)寫時，將數(shù)據(jù)線上帶有干擾的錯誤數(shù)據(jù)寫入RAM。第三部分實驗中RAM內(nèi)容改變的原因也有兩個:(1)兩次讀之間發(fā)生了不該發(fā)生的寫操作，改寫了RAM內(nèi)容;(2)正常讀時，將數(shù)據(jù)線上的錯誤數(shù)據(jù)讀入CPU。從讀寫時序圖及圖5干擾波形來看，以上兩種情況都有可能發(fā)生。但從實驗結(jié)果看，第二種可能性較大，第一種可能性則很小。如果在兩次讀之間發(fā)生了不該發(fā)生的寫操作，循環(huán)讀時，累計數(shù)據(jù)改變的個數(shù)將使顯示的值很大。但實際上，顯示只有1～5。

2.7 定時器CTC電路效應(yīng)實驗研究

　　按動開關(guān)K，使單片機工作于檢查CTC運行情況模塊。在該模塊中，設(shè)置定時器0工作于方式1，利用CTC中斷服務(wù)程序，在P1.1口產(chǎn)生一方波信號使LED發(fā)光。主程序停留在等待開關(guān)K按下的指令上。在此期間對單片機進(jìn)行沖擊實驗。

　　實驗中有“死機”、重啟動等現(xiàn)象發(fā)生。“死機”后CTC的狀態(tài)有停止工作和正常工作兩種。停止工作出現(xiàn)的原因有兩個:(1)干擾使CTC停止計數(shù)，CTC不再產(chǎn)生中斷;(2)程序跑飛時執(zhí)行了禁止中斷等指令。CTC仍能正常工作是因為程序雖進(jìn)入死循環(huán)，但CTC仍在計數(shù)，計滿后執(zhí)行中斷子程序(賦初值，P1.1口電位取反)，使P1.1口輸出正常波形。

　　每次實驗在P1.1口采集到的波形與正常信號相比，其周期、脈寬等都有一定程度的變化。圖6給出了P1.1口的正常波形和單片機重啟動時的干擾波形。正常波形的正負(fù)脈沖寬度為35μs左右;而重啟動時干擾脈沖所在的低電平只有15μs，干擾過后，P1.1口一直為高電平(復(fù)位時的狀態(tài))。

本文對單片機系統(tǒng)在強電磁脈沖輻照下的重啟動、死機、通訊出錯、改變控制狀態(tài)和A/D轉(zhuǎn)換誤差增加等效應(yīng)進(jìn)行了研究。由于實驗的不徹底性，還未能觀察到硬損傷現(xiàn)象，對上述現(xiàn)象的解釋也不夠準(zhǔn)確，有待進(jìn)行深入的實驗研究。