強電磁脈沖對單片機系統的輻照效應實驗研究

目前，電磁環境日趨惡劣，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)等強電磁環境下，電子系統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備的效應和防護技術研究。單片機系統的效應實驗是其重要組成部分。為有效地進行單片機系統的效應實驗研究，專門設計了用于強電磁脈沖效應實驗的具有故障自動檢測及顯示功能的單片機系統，并將其運用于效應實驗，對單片機系統在強電磁環境下的效應問題進行了深入研究。

1 強電磁脈沖對單片機系統效應實驗的方法及配置

1.1 實驗方法

　　強電磁脈沖對單片機系統效應實驗采用輻照法，即將被試系統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 實驗設備及對象

　　實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，其結構示意圖如圖1所示。Marx發生器用來產生單個高壓脈沖，脈沖前沿為數十ns量級，脈沖向負載傳輸過程中在GTEM室內產生均勻電磁場[2]。控制臺用于各種操作和信號監測。

實驗對象選用本文作者設計的專門用于強電磁脈沖效應實驗的單片機系統。實驗時，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。電路中的每個芯片既能完成一定功能，同時也是實驗對象。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 效應實驗研究

　　本效應實驗包括八部分:重啟動效應實驗、“死機” 效應實驗、控制狀態改變效應實驗、A/D轉換電路效應實驗、串口通訊電路效應實驗、讀寫存儲器RAM效應實驗、程序存儲器EPROM效應實驗、定時器CTC電路效應實驗。

　　實驗中沒有發現芯片的硬損傷及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。

2.1 重啟動效應實驗研究

　　給單片機加電，按動“執行”開關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，充到一定數值后，按下停止開關，再按下放電開關，GTEM室中便產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，發現單片機發生了重啟動。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 內的復位電路在每個機器周期的S5P2采樣RST的狀態，如果連續兩次采樣值都為高電平，則CPU同樣進入復位狀態。這就是頻繁出現重啟動現象的原因所在。

2.2 “死機”效應實驗研究