瞬態(tài)電磁脈沖對單片機的輻照效應實驗及加固方法

2.2 典型故障分析

2.2.1 單片機重啟動原因分析

重啟動是指單片機在正常運行過程中被復位而使程序重新運行的一種現(xiàn)象。單片機重啟動的原因之一是RST腳上的干擾信號被誤認為是復位信號。圖2是單片機重啟動時在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(xiàn)不小于2個機器周期的電平[2]。當晶振頻率fc=12MHz時,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 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同樣進入復位狀態(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)部的復位信號線（RST不是直接復位信號）上有干擾信號,直接使單片機復位。后面的加固實驗將進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。當單片機受到干擾時,情況就不同了,WE腳上出現(xiàn)很強的干擾信號,從而使28C64工作于寫工作狀態(tài),改寫其程序內(nèi)容。

實驗中,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,有的達數(shù)百個字節(jié)。28C64正常工作時,其標準的字節(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入電路,從而形成邏輯干擾或硬損傷。防護瞬變電磁場電子系統(tǒng)的損傷主要是控制電磁能量進入電子系統(tǒng),概括起來為空域防護控制（屏蔽）、頻域防護控制、時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行了實驗研究。

3.1 屏蔽

屏蔽是用導電或?qū)Т朋w將被保護體包圍起來,從而進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方法。

本實驗將單片機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。實驗環(huán)境為：溫度31.0℃,濕謔62%。實驗表明,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的最小放電電壓：不加屏蔽時,死機、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,說明實驗結(jié)果與環(huán)境有很大關系。因此,每次實驗必須記錄實驗環(huán)境。