瞬态电磁脉冲对单片机的辐照效应实验及加固方法
2.2 典型故障分析
2.2.1 单片机重启动原因分析
重启动是指单片机在正常运行过程中被复位而使程序重新运行的一种现象。单片机重启动的原因之一是RST脚上的干扰信号被误认为是复位信号。图2是单片机重启动时在RST脚上采集到的干扰信号波形。要使单片机可靠复位,需RST脚出现不小于2个机器周期的电平[2]。当晶振频率fc=12MHz时,该高电平应最少保持2μs。图2中,干扰信号的正负脉冲宽度都远小于2μs,似乎不满足复位条件。但该条件是可靠复位的条件,CPU内的复位电路在每个机器周期 S5P2采样一次RST的状态,如果连续两次采集到的RST都处于高电平,则CPU同样进入复位状态。由于RST脚上的干扰信号的持续时间接近2μs,在RST脚上连续两次采集到高电平的可能性是存在的。
另一个原因是CPU内部的复位信号线（RST不是直接复位信号）上有干扰信号,直接使单片机复位。后面的加固实验将进一步证明两种原因的同时存在。
2.2.2 E2PROM内容被改写原因分析
E2PROM是电擦除程序存贮器,本系统采用28C64,工作电压只有5V。28C64的正常写操作要求其控制信号OE为高电平,CE和WE为低电平。单片机正常工作时,经常出现OE为高电平同时CE为低电平的情况,但由于WE脚直接与电源相连,因此不可能发生写操作。当单片机受到干扰时,情况就不同了,WE脚上出现很强的干扰信号,从而使28C64工作于写工作状态,改写其程序内容。
实验中,用编程器显示被改写的E2PROM的内容。其中一块的显示信息为：Different Bytes=000057;First Buffer Difference:000180H;First Device Difference:000180H。E2PROM内容被改写的情况有一定的规律性,即从某一单元开始,成片的内容被改写,有的达数百个字节。28C64正常工作时,其标准的字节写入时间是10ms[3],而干扰持续时间只有微秒量级,显然发生了异常操作。根据28C64的内部组成框图,很可能是干扰使内部锁存器将带有干扰的控制信号锁存了一段时间。在这段时间内,由于PC内容连续改写,从而使28C64内容成片地被改写。
静电放电电磁脉冲与电子系统的耦合途径主要有：前门（天线）耦合和后门（孔、缝）耦合。电磁脉冲通过前门或后门耦合进入电路,从而形成逻辑干扰或硬损伤。防护瞬变电磁场电子系统的损伤主要是控制电磁能量进入电子系统,概括起来为空域防护控制（屏蔽）、频域防护控制、时域防护控制和能域防护控制。本文对最常用的屏蔽法和旁路保持法进行了实验研究。
3.1 屏蔽
屏蔽是用导电或导磁体将被保护体包围起来,从而进行电磁性隔离的一种措施。对于辐射电磁脉冲场来说,屏蔽是非常效的一种防护方法。
本实验将单片机电路放入一个尺寸为140mm×280mm×120mm的铁制金属盒内,金属板厚度约为1mm。金属盒的一侧开有两个直径约18mm的圆孔,放置电源线和示波器探头线。实验环境为：温度31.0℃,湿谑62%。实验表明,如屏蔽后,干扰幅值衰减为原来的1/3。同时,还测出了加与不加屏蔽两种情况下部分效应的最小放电电压：不加屏蔽时,死机、重启动、控制状态改变的最小放电电压分别为4.8kV、4kV和2.6kV;加屏蔽后分别为14kV、12kV和7.6kV。由于温湿度的升高,不加屏蔽时测得的最小放电电压高于表1给出的结果,说明实验结果与环境有很大关系。因此,每次实验必须记录实验环境。
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