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(tǒng)的電磁兼容性問題顯得尤為重要。為此，石家莊軍械工程學院靜電與電磁防護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，干擾信號的正負脈沖寬度都遠小于2μs，似乎不滿足復位條件。但該條件是可靠復位的條件，CPU 內(nèi)的復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同樣進入復位狀態(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