瞬態(tài)電磁脈沖對單片機(jī)的輻照效應(yīng)實(shí)驗(yàn)及加固方法

2.2 典型故障分析

2.2.1 單片機(jī)重啟動原因分析

重啟動是指單片機(jī)在正常運(yùn)行過程中被復(fù)位而使程序重新運(yùn)行的一種現(xiàn)象。單片機(jī)重啟動的原因之一是RST腳上的干擾信號被誤認(rèn)為是復(fù)位信號。圖2是單片機(jī)重啟動時在RST腳上采集到的干擾信號波形。要使單片機(jī)可靠復(fù)位,需RST腳出現(xiàn)不小于2個機(jī)器周期的電平[2]。當(dāng)晶振頻率fc=12MHz時,該高電平應(yīng)最少保持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(jī)器周期 S5P2采樣一次RST的狀態(tài),如果連續(xù)兩次采集到的RST都處于高電平,則CPU同樣進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。由于RST腳上的干擾信號的持續(xù)時間接近2μs,在RST腳上連續(xù)兩次采集到高電平的可能性是存在的。

另一個原因是CPU內(nèi)部的復(fù)位信號線（RST不是直接復(fù)位信號）上有干擾信號,直接使單片機(jī)復(fù)位。后面的加固實(shí)驗(yàn)將進(jìn)一步證明兩種原因的同時存在。

2.2.2 E2PROM內(nèi)容被改寫原因分析

E2PROM是電擦除程序存貯器,本系統(tǒng)采用28C64,工作電壓只有5V。28C64的正常寫操作要求其控制信號OE為高電平,CE和WE為低電平。單片機(jī)正常工作時,經(jīng)常出現(xiàn)OE為高電平同時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)生寫操作。當(dāng)單片機(jī)受到干擾時,情況就不同了,WE腳上出現(xiàn)很強(qiáng)的干擾信號,從而使28C64工作于寫工作狀態(tài),改寫其程序內(nèi)容。

實(shí)驗(yàn)中,用編程器顯示被改寫的E2PROM的內(nèi)容。其中一塊的顯示信息為：Different Bytes=000057;First Buffer Difference:000180H;First Device Difference:000180H。E2PROM內(nèi)容被改寫的情況有一定的規(guī)律性,即從某一單元開始,成片的內(nèi)容被改寫,有的達(dá)數(shù)百個字節(jié)。28C64正常工作時,其標(biāo)準(zhǔn)的字節(jié)寫入時間是10ms[3],而干擾持續(xù)時間只有微秒量級,顯然發(fā)生了異常操作。根據(jù)28C64的內(nèi)部組成框圖,很可能是干擾使內(nèi)部鎖存器將帶有干擾的控制信號鎖存了一段時間。在這段時間內(nèi),由于PC內(nèi)容連續(xù)改寫,從而使28C64內(nèi)容成片地被改寫。

3 ESD EMP的防護(hù)加固方法研究

靜電放電電磁脈沖與電子系統(tǒng)的耦合途徑主要有：前門（天線）耦合和后門（孔、縫）耦合。電磁脈沖通過前門或后門耦合進(jìn)入電路,從而形成邏輯干擾或硬損傷。防護(hù)瞬變電磁場電子系統(tǒng)的損傷主要是控制電磁能量進(jìn)入電子系統(tǒng),概括起來為空域防護(hù)控制（屏蔽）、頻域防護(hù)控制、時域防護(hù)控制和能域防護(hù)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(yàn)研究。

3.1 屏蔽

屏蔽是用導(dǎo)電或?qū)Т朋w將被保護(hù)體包圍起來,從而進(jìn)行電磁性隔離的一種措施。對于輻射電磁脈沖場來說,屏蔽是非常效的一種防護(hù)方法。

本實(shí)驗(yàn)將單片機(jī)電路放入一個尺寸為140mm×280mm×120mm的鐵制金屬盒內(nèi),金屬板厚度約為1mm。金屬盒的一側(cè)開有兩個直徑約18mm的圓孔,放置電源線和示波器探頭線。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為：溫度31.0℃,濕謔62%。實(shí)驗(yàn)表明,如屏蔽后,干擾幅值衰減為原來的1/3。同時,還測出了加與不加屏蔽兩種情況下部分效應(yīng)的最小放電電壓：不加屏蔽時,死機(jī)、重啟動、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,不加屏蔽時測得的最小放電電壓高于表1給出的結(jié)果,說明實(shí)驗(yàn)結(jié)果與環(huán)境有很大關(guān)系。因此,每次實(shí)驗(yàn)必須記錄實(shí)驗(yàn)環(huán)境。