瞬態(tài)電磁脈沖對單片機的輻照效應實(shí)驗及加固方法

2.2 典型故障分析

2.2.1 單片機重啟動(dòng)原因分析

重啟動(dòng)是指單片機在正常運行過(guò)程中被復位而使程序重新運行的一種現象。單片機重啟動(dòng)的原因之一是RST腳上的干擾信號被誤認為是復位信號。圖2是單片機重啟動(dòng)時(shí)在RST腳上采集到的干擾信號波形。要使單片機可靠復位,需RST腳出現不小于2個(gè)機器周期的電平[2]。當晶振頻率fc=12MHz時(shí),該高電平應最少保持2μs。圖2中,干擾信號的正負脈沖寬度都遠小于2μs,似乎不滿(mǎn)足復位條件。但該條件是可靠復位的條件,CPU內的復位電路在每個(gè)機器周期 S5P2采樣一次RST的狀態(tài),如果連續兩次采集到的RST都處于高電平,則CPU同樣進(jìn)入復位狀態(tài)。由于RST腳上的干擾信號的持續時(shí)間接近2μs,在RST腳上連續兩次采集到高電平的可能性是存在的。

另一個(gè)原因是CPU內部的復位信號線(xiàn)（RST不是直接復位信號）上有干擾信號,直接使單片機復位。后面的加固實(shí)驗將進(jìn)一步證明兩種原因的同時(shí)存在。

2.2.2 E2PROM內容被改寫(xiě)原因分析

E2PROM是電擦除程序存貯器,本系統采用28C64,工作電壓只有5V。28C64的正常寫(xiě)操作要求其控制信號OE為高電平,CE和WE為低電平。單片機正常工作時(shí),經(jīng)常出現OE為高電平同時(shí)CE為低電平的情況,但由于WE腳直接與電源相連,因此不可能發(fā)生寫(xiě)操作。當單片機受到干擾時(shí),情況就不同了,WE腳上出現很強的干擾信號,從而使28C64工作于寫(xiě)工作狀態(tài),改寫(xiě)其程序內容。

實(shí)驗中,用編程器顯示被改寫(xiě)的E2PROM的內容。其中一塊的顯示信息為：Different Bytes=000057;First Buffer Difference:000180H;First Device Difference:000180H。E2PROM內容被改寫(xiě)的情況有一定的規律性,即從某一單元開(kāi)始,成片的內容被改寫(xiě),有的達數百個(gè)字節。28C64正常工作時(shí),其標準的字節寫(xiě)入時(shí)間是10ms[3],而干擾持續時(shí)間只有微秒量級,顯然發(fā)生了異常操作。根據28C64的內部組成框圖,很可能是干擾使內部鎖存器將帶有干擾的控制信號鎖存了一段時(shí)間。在這段時(shí)間內,由于PC內容連續改寫(xiě),從而使28C64內容成片地被改寫(xiě)。

3 ESD EMP的防護加固方法研究

靜電放電電磁脈沖與電子系統的耦合途徑主要有：前門(mén)（天線(xiàn)）耦合和后門(mén)（孔、縫）耦合。電磁脈沖通過(guò)前門(mén)或后門(mén)耦合進(jìn)入電路,從而形成邏輯干擾或硬損傷。防護瞬變電磁場(chǎng)電子系統的損傷主要是控制電磁能量進(jìn)入電子系統,概括起來(lái)為空域防護控制（屏蔽）、頻域防護控制、時(shí)域防護控制和能域防護控制。本文對最常用的屏蔽法和旁路保持法進(jìn)行了實(shí)驗研究。

3.1 屏蔽

屏蔽是用導電或導磁體將被保護體包圍起來(lái),從而進(jìn)行電磁性隔離的一種措施。對于輻射電磁脈沖場(chǎng)來(lái)說(shuō),屏蔽是非常效的一種防護方法。

本實(shí)驗將單片機電路放入一個(gè)尺寸為140mm×280mm×120mm的鐵制金屬盒內,金屬板厚度約為1mm。金屬盒的一側開(kāi)有兩個(gè)直徑約18mm的圓孔,放置電源線(xiàn)和示波器探頭線(xiàn)。實(shí)驗環(huán)境為：溫度31.0℃,濕謔62%。實(shí)驗表明,如屏蔽后,干擾幅值衰減為原來(lái)的1/3。同時(shí),還測出了加與不加屏蔽兩種情況下部分效應的最小放電電壓：不加屏蔽時(shí),死機、重啟動(dòng)、控制狀態(tài)改變的最小放電電壓分別為4.8kV、4kV和2.6kV;加屏蔽后分別為14kV、12kV和7.6kV。由于溫濕度的升高,不加屏蔽時(shí)測得的最小放電電壓高于表1給出的結果,說(shuō)明實(shí)驗結果與環(huán)境有很大關(guān)系。因此,每次實(shí)驗必須記錄實(shí)驗環(huán)境。