强电磁脉冲对单片机系统的辐照效应实验研究

目前，电磁环境日趋恶劣，电子系统工作的可靠性和安全性受到了严重威胁。研究在复杂的电磁环境下，特别是在核电磁脉冲(NEMP)、雷电电磁脉冲(LEMP)和高功率微波(HPM)等强电磁环境下，电子系统的电磁兼容性问题显得尤为重要。为此，石家庄军械工程学院静电与电磁防护研究所申请了国防科技重点实验室基金项目:强电磁脉冲对电子设备的效应和防护技术研究。单片机系统的效应实验是其重要组成部分。为有效地进行单片机系统的效应实验研究，专门设计了用于强电磁脉冲效应实验的具有故障自动检测及显示功能的单片机系统，并将其运用于效应实验，对单片机系统在强电磁环境下的效应问题进行了深入研究。

1 强电磁脉冲对单片机系统效应实验的方法及配置

1.1 实验方法

　　强电磁脉冲对单片机系统效应实验采用辐照法，即将被试系统置于电磁脉冲辐射场中，研究其在电磁脉冲照射下，受干扰、损伤的情况[1]。

1.2 实验设备及对象

　　实验设备为吉赫横电磁波传输室(GTEM Cell)。本所的GTEM室采用崭新的结构设计，具有GHz的极宽频带，可模拟NEMP和LEMP辐射场，其结构示意图如图1所示。Marx发生器用来产生单个高压脉冲，脉冲前沿为数十ns量级，脉冲向负载传输过程中在GTEM室内产生均匀电磁场[2]。控制台用于各种操作和信号监测。

实验对象选用本文作者设计的专门用于强电磁脉冲效应实验的单片机系统。实验时，将其置于测试转台上，接受电磁脉冲辐照。该系统由CPU(8051)、EPROM、RAM、AD0809、锁存器、数码管和直流稳压电源等硬件电路组成。电路中的每个芯片既能完成一定功能，同时也是实验对象。系统软件由五部分组成:检查CTC运行情况模块、串口通讯功能检查模块、A/D转换电路检测模块、RAM内容检测模块、EPROM内容检测模块。

2 效应实验研究

　　本效应实验包括八部分:重启动效应实验、“死机” 效应实验、控制状态改变效应实验、A/D转换电路效应实验、串口通讯电路效应实验、读写存储器RAM效应实验、程序存储器EPROM效应实验、定时器CTC电路效应实验。

　　实验中没有发现芯片的硬损伤及EPROM内容的改变。其原因可能与电磁脉冲的强度以及脉宽、前后沿和频带等参数有关。

2.1 重启动效应实验研究

　　给单片机加电，按动“执行”开关K，使其工作于指示单片机重启动程序模块。按下控制台上的充电开关，充到一定数值后，按下停止开关，再按下放电开关，GTEM室中便产生单脉冲电磁辐射场。这就完成了对单片机的一次辐照实验，一般称为冲击实验(以下同)。冲击后，打开GTEM室，发现单片机发生了重启动。图2是单片机重启动时在RST脚上采集到的干扰信号波形。

fc=12MHz时，要使单片机可靠复位，需在RST脚出现不小于2个机器周期的高电平(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的S5P2采样RST的状态，如果连续两次采样值都为高电平，则CPU同样进入复位状态。这就是频繁出现重启动现象的原因所在。

2.2 “死机”效应实验研究