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，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[2]?？刂婆_(tái)用于各種操作和信號(hào)監(jiān)測。

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)換電路檢測模塊、RAM內(nèi)容檢測模塊、EPROM內(nèi)容檢測模塊。

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。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[!--empirenews.page--]

　　按動(dòng)開關(guān)K，使單片機(jī)工作于任一程序模塊，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中多次出現(xiàn)程序跳轉(zhuǎn)和“死機(jī)”現(xiàn)象。程序跳轉(zhuǎn)是指程序跳過一段指令后仍能正常運(yùn)行?！八罊C(jī)”有兩種表現(xiàn):一是按動(dòng)開關(guān)K，數(shù)碼管顯示內(nèi)容無變化;二是按動(dòng)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(jī)“死機(jī)”時(shí)，腳上的干擾波形。

“死機(jī)”是指干擾使程序計(jì)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(gè)意想不到的死循環(huán)[4]。程序跳轉(zhuǎn)不一定必然引起“死機(jī)”。當(dāng)程序跳轉(zhuǎn)到某條指令首字節(jié)時(shí)，一般不會(huì)引起“死機(jī)”，如實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的程序跳轉(zhuǎn)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)中“死機(jī)”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(yùn)行錯(cuò)誤指令而進(jìn)入死循環(huán)。此時(shí)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(jī)”是由于干擾改變了程序計(jì)數(shù)器的PC值引起的。但通過實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)單片機(jī)的讀指時(shí)序圖，我們認(rèn)為還有兩種可能造成“死機(jī)”:一是由于數(shù)據(jù)線上的干擾信號(hào)使CPU讀入了錯(cuò)誤的跳轉(zhuǎn)指令;二是由于腳上的干擾信號(hào)(如圖3)使CPU在非讀指周期發(fā)生讀指操作，讀入了錯(cuò)誤的跳轉(zhuǎn)指令。

2.3 控制狀態(tài)改變效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

　　單片機(jī)系統(tǒng)的控制信號(hào)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(jī)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(dòng)開關(guān)K，使單片機(jī)工作于任一程序模塊，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)。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(shí)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(hào)存入鎖存器。在每次沖擊實(shí)驗(yàn)中，ALE腳有很強(qiáng)的干擾信號(hào)，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(shí)驗(yàn)研究

　　按動(dòng)開關(guān)K，使單片機(jī)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(yùn)行(提高A/D轉(zhuǎn)換期間受沖擊的概率)，并隨時(shí)顯示轉(zhuǎn)換結(jié)果的最大、最小值，在此期間進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)。   

　　實(shí)驗(yàn)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(duì)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(hào)上迭加有干擾信號(hào)(干擾脈沖峰值可達(dá)幾十伏);(2)讀轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)，數(shù)據(jù)線上的干擾信號(hào)使讀入數(shù)據(jù)出錯(cuò);(3)強(qiáng)干擾使AD0809的工作異常。實(shí)驗(yàn)表明，數(shù)據(jù)采集誤差增大主要由前兩個(gè)因素引起。

2.5 串行通訊電路效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

　　按動(dòng)開關(guān)K，使單片機(jī)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(shí)，顯示出錯(cuò)信息。在此期間進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，圖4是RXD腳上的正常波形和通訊出錯(cuò)時(shí)的干擾波形。

串口通訊出錯(cuò)的原因有兩個(gè):(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(hào)使串行數(shù)據(jù)發(fā)生混亂。圖4中，RXD上有很強(qiáng)的干擾信號(hào)，而且低電平被展寬了3～4倍。這是通訊出錯(cuò)的主要原因。

2.6 讀寫存儲(chǔ)器RAM效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

　　按動(dòng)開關(guān)K，使單片機(jī)工作于RAM檢測模塊。該部分實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。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(gè)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(shí)驗(yàn)，沖擊完畢，顯示數(shù)據(jù)改變的個(gè)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(shí)驗(yàn)，并顯示數(shù)據(jù)改變的個(gè)數(shù)。圖5是循環(huán)讀出現(xiàn)2個(gè)錯(cuò)誤時(shí)，采集到的
腳和腳上的干擾波形。[!--empirenews.page--]

第一部分實(shí)驗(yàn)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(qiáng)的干擾信號(hào)，根據(jù)RAM寫時(shí)序圖，當(dāng)腳和腳上同時(shí)出現(xiàn)低電平時(shí)，就可能發(fā)生寫操作，將數(shù)據(jù)線上帶有干擾的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)寫入RAM。第二部分實(shí)驗(yàn)中RAM內(nèi)容改變的原因有兩個(gè):(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(cuò)誤數(shù)據(jù);(2)循環(huán)寫時(shí)，將數(shù)據(jù)線上帶有干擾的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)寫入RAM。第三部分實(shí)驗(yàn)中RAM內(nèi)容改變的原因也有兩個(gè):(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(shí)，將數(shù)據(jù)線上的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)讀入CPU。從讀寫時(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)，累計(jì)數(shù)據(jù)改變的個(gè)數(shù)將使顯示的值很大。但實(shí)際上，顯示只有1～5。

2.7 定時(shí)器CTC電路效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

　　按動(dòng)開關(guān)K，使單片機(jī)工作于檢查CTC運(yùn)行情況模塊。在該模塊中，設(shè)置定時(shí)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(hào)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(duì)單片機(jī)進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)。

　　實(shí)驗(yàn)中有“死機(jī)”、重啟動(dòng)等現(xiàn)象發(fā)生?！八罊C(jī)”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(gè):(1)干擾使CTC停止計(jì)數(shù)，CTC不再產(chǎn)生中斷;(2)程序跑飛時(shí)執(zhí)行了禁止中斷等指令。CTC仍能正常工作是因?yàn)槌绦螂m進(jìn)入死循環(huán)，但CTC仍在計(jì)數(shù)，計(jì)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(shí)驗(yàn)在P1.1口采集到的波形與正常信號(hào)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(jī)重啟動(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)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(shí)的狀態(tài))。

本文對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)在強(qiáng)電磁脈沖輻照下的重啟動(dòng)、死機(jī)、通訊出錯(cuò)、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(shí)驗(yàn)的不徹底性，還未能觀察到硬損傷現(xiàn)象，對(duì)上述現(xiàn)象的解釋也不夠準(zhǔn)確，有待進(jìn)行深入的實(shí)驗(yàn)研究。