強電磁脈沖對單片機系統的輻照效應實(shí)驗研究

目前，電磁環(huán)境日趨惡劣，電子系統工作的可靠性和安全性受到了嚴重威脅。研究在復雜的電磁環(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，電子系統的電磁兼容性問(wèn)題顯得尤為重要。為此，石家莊軍械工程學(xué)院靜電與電磁防護研究所申請了國防科技重點(diǎn)實(shí)驗室基金項目:強電磁脈沖對電子設備的效應和防護技術(shù)研究。單片機系統的效應實(shí)驗是其重要組成部分。為有效地進(jìn)行單片機系統的效應實(shí)驗研究，專(zhuān)門(mén)設計了用于強電磁脈沖效應實(shí)驗的具有故障自動(dòng)檢測及顯示功能的單片機系統，并將其運用于效應實(shí)驗，對單片機系統在強電磁環(huán)境下的效應問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。

1 強電磁脈沖對單片機系統效應實(shí)驗的方法及配置

1.1 實(shí)驗方法

　　強電磁脈沖對單片機系統效應實(shí)驗采用輻照法，即將被試系統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)驗設備及對象

　　實(shí)驗設備為吉赫橫電磁波傳輸室(GTEM Cell)。本所的GTEM室采用嶄新的結構設計，具有GHz的極寬頻帶，可模擬NEMP和LEMP輻射場(chǎng)，其結構示意圖如圖1所示。Marx發(fā)生器用來(lái)產(chǎn)生單個(gè)高壓脈沖，脈沖前沿為數十ns量級，脈沖向負載傳輸過(guò)程中在GTEM室內產(chǎn)生均勻電磁場(chǎng)[2]?？刂婆_用于各種操作和信號監測。

實(shí)驗對象選用本文作者設計的專(zhuān)門(mén)用于強電磁脈沖效應實(shí)驗的單片機系統。實(shí)驗時(shí)，將其置于測試轉臺上，接受電磁脈沖輻照。該系統由CPU(8051)、EPROM、RAM、AD0809、鎖存器、數碼管和直流穩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)驗對象。系統軟件由五部分組成:檢查CTC運行情況模塊、串口通訊功能檢查模塊、A/D轉換電路檢測模塊、RAM內容檢測模塊、EPROM內容檢測模塊。

2 效應實(shí)驗研究

　　本效應實(shí)驗包括八部分:重啟動(dòng)效應實(shí)驗、“死機” 效應實(shí)驗、控制狀態(tài)改變效應實(shí)驗、A/D轉換電路效應實(shí)驗、串口通訊電路效應實(shí)驗、讀寫(xiě)存儲器RAM效應實(shí)驗、程序存儲器EPROM效應實(shí)驗、定時(shí)器CTC電路效應實(shí)驗。

　　實(shí)驗中沒(méi)有發(fā)現芯片的硬損傷及EPROM內容的改變。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有關(guān)。

2.1 重啟動(dòng)效應實(shí)驗研究

　　給單片機加電，按動(dòng)“執行”開(kāi)關(guān)K，使其工作于指示單片機重啟動(dòng)程序模塊。按下控制臺上的充電開(kāi)關(guān)，充到一定數值后，按下停止開(kāi)關(guān)，再按下放電開(kāi)關(guān)，GTEM室中便產(chǎn)生單脈沖電磁輻射場(chǎng)。這就完成了對單片機的一次輻照實(shí)驗，一般稱(chēng)為沖擊實(shí)驗(以下同)。沖擊后，打開(kāi)GTEM室，發(fā)現單片機發(fā)生了重啟動(dòng)。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。

fc=12MHz時(shí)，要使單片機可靠復位，需在RST腳出現不小于2個(gè)機器周期的高電平(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)機器周期的S5P2采樣RST的狀態(tài)，如果連續兩次采樣值都為高電平，則CPU同樣進(jìn)入復位狀態(tài)。這就是頻繁出現重啟動(dòng)現象的原因所在。

2.2 “死機”效應實(shí)驗研究