摘? 要： 為研究強電磁脈沖" title="電磁脈沖">電磁脈沖對單片機系統" title="單片機系統">單片機系統的輻照效應，在GTEM室內進行了輻照效應實驗。實驗表明，單片機系統在強電磁脈沖作用下，會出現“死機”、重啟動、通訊出錯和數據采集誤差增大等現象。在實驗基礎上，對單片機系統的各種效應進行了深入研究。
關鍵詞： 強電磁脈沖? 單片機? 輻照效應? 電磁兼容
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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。
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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" title="鎖存器">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" title="A/D">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" title="干擾信號">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。
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2.2 “死機”效應實驗研究
按動開關K，使單片機工作于任一程序模塊，對單片機進行沖擊實驗。實驗中多次出現程序跳轉和“死機”現象。程序跳轉是指程序跳過一段指令后仍能正常運行。“死機”有兩種表現:一是按動開關K，數碼管顯示內容無變化;二是按動開關K，數碼管顯示內容改變幾次后不再發生變化。圖3 是示波器上記錄下的單片機“死機”時，
腳上的干擾波形。
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“死機”是指干擾使程序計數器內容改變，結果可能將一條指令的后半字節與下一條指令的前半字節當做一條指令來執行，從而使程序進入一個意想不到的死循環[4]。程序跳轉不一定必然引起“死機”。當程序跳轉到某條指令首字節時，一般不會引起“死機”，如實驗中出現的程序跳轉現象。實驗中“死機”的第一種表現是干擾后程序已進入死循環;第二種表現是干擾后程序并未立即進入死循環，先停留在一條等待指令上，即:WAIT:JNB P1.0 WAIT，等待開關K的按下，按下開關K后，程序繼續運行錯誤指令而進入死循環。此時執行的等待指令并不是正常的等待指令，而是由一條指令的后半字節與下一條指令的前半字節組合成的指令。
一般認為“死機”是由于干擾改變了程序計數器的PC值引起的。但通過實驗，并根據單片機的讀指時序圖，我們認為還有兩種可能造成“死機”:一是由于數據線上的干擾信號使CPU讀入了錯誤的跳轉指令;二是由于
腳上的干擾信號(如圖3)使CPU在非讀指周期發生讀指操作，讀入了錯誤的跳轉指令。
2.3 控制狀態改變效應實驗研究
單片機系統的控制信號一般由鎖存器保存[5]，因此，可通過研究鎖存器輸出數據的變化情況來研究控制狀態的變化。該單片機系統中的數碼管的數據是由四位鎖存器74LS373保存的，數碼管顯示內容的變化可直觀地反映鎖存器輸出狀態的變化。
按動開關K，使單片機工作于任一程序模塊，對單片機進行沖擊實驗。幾乎每次沖擊都能使數碼管顯示內容發生改變。由鎖存器74LS373的時序圖可知，ALE腳上脈沖的上升沿可將數據輸入端的信號存入鎖存器。在每次沖擊實驗中，ALE腳有很強的干擾信號，而每次數據輸入端的干擾數據都不同，因此每次數碼管的顯示內容也都不同。
2.4 A/D轉換電路效應實驗研究
按動開關K，使單片機工作于A/D轉換電路檢測模塊。A/D轉換程序循環運行(提高A/D轉換期間受沖擊的概率)，并隨時顯示轉換結果的最大、最小值，在此期間進行沖擊實驗。???
實驗中發現轉換結果的最大、最小值嚴重偏離正常值“8AH”(可調)，最大值可達“FFH”(對應5V，滿量程)，最小值到“00”。其原因有三:(1)模擬輸入端的輸入信號上迭加有干擾信號(干擾脈沖峰值可達幾十伏);(2)讀轉換結果時，數據線上的干擾信號使讀入數據出錯;(3)強干擾使AD0809的工作異常。實驗表明，數據采集誤差增大主要由前兩個因素引起。
2.5 串行通訊電路效應實驗研究
按動開關K，使單片機工作于串口通訊功能檢查模塊。這部分程序也是循環進行的(提高通訊期間受到沖擊的概率)，當發現接收數據與發送數據不符時，顯示出錯信息。在此期間進行沖擊實驗，圖4是RXD腳上的正常波形和通訊出錯時的干擾波形。
串口通訊出錯的原因有兩個:(1)干擾使CPU內的串口電路工作失誤，從而使接收與發送不符;(2)RXD線上的干擾信號使串行數據發生混亂。圖4中，RXD上有很強的干擾信號，而且低電平被展寬了3～4倍。這是通訊出錯的主要原因。
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2.6 讀寫存儲器RAM效應實驗研究
按動開關K，使單片機工作于RAM檢測模塊。該部分實驗由三部分組成:(1)先在RAM的0000H～1FFFH單元寫入數據(“AAH”、“55H”)， 然后等待開關K按下，等待期間進行沖擊實驗。沖擊完畢，按下開關K，判斷RAM內容是否改變并顯示數據改變的個數。(2)先進行循環寫(提高寫期間受到沖擊的概率)，在寫期間進行沖擊實驗，沖擊完畢，顯示數據改變的個數。(3)先寫入，然后循環讀(提高讀期間受到沖擊的概率)，在讀期間進行沖擊實驗，并顯示數據改變的個數。圖5是循環讀出現2個錯誤時，采集到的
腳和
腳上的干擾波形。
第一部分實驗中RAM內容改變，是由于沖擊期間發生了寫操作。RAM芯片的
腳、腳和數據線上都有很強的干擾信號，根據RAM寫時序圖，當腳和腳上同時出現低電平時，就可能發生寫操作，將數據線上帶有干擾的錯誤數據寫入RAM。第二部分實驗中RAM內容改變的原因有兩個:(1)由于在兩次寫之間約有7～8μs的間隔，在此期間可能發生了不該發生的寫操作，從而寫入錯誤數據;(2)循環寫時，將數據線上帶有干擾的錯誤數據寫入RAM。第三部分實驗中RAM內容改變的原因也有兩個:(1)兩次讀之間發生了不該發生的寫操作，改寫了RAM內容;(2)正常讀時，將數據線上的錯誤數據讀入CPU。從讀寫時序圖及圖5干擾波形來看，以上兩種情況都有可能發生。但從實驗結果看，第二種可能性較大，第一種可能性則很小。如果在兩次讀之間發生了不該發生的寫操作，循環讀時，累計數據改變的個數將使顯示的值很大。但實際上，顯示只有1～5。
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2.7 定時器CTC電路效應實驗研究
按動開關K，使單片機工作于檢查CTC運行情況模塊。在該模塊中，設置定時器0工作于方式1，利用CTC中斷服務程序，在P1.1口產生一方波信號使LED發光。主程序停留在等待開關K按下的指令上。在此期間對單片機進行沖擊實驗。
實驗中有“死機”、重啟動等現象發生。“死機”后CTC的狀態有停止工作和正常工作兩種。停止工作出現的原因有兩個:(1)干擾使CTC停止計數，CTC不再產生中斷;(2)程序跑飛時執行了禁止中斷等指令。CTC仍能正常工作是因為程序雖進入死循環，但CTC仍在計數，計滿后執行中斷子程序(賦初值，P1.1口電位取反)，使P1.1口輸出正常波形。
每次實驗在P1.1口采集到的波形與正常信號相比，其周期、脈寬等都有一定程度的變化。圖6給出了P1.1口的正常波形和單片機重啟動時的干擾波形。正常波形的正負脈沖寬度為35μs左右;而重啟動時干擾脈沖所在的低電平只有15μs，干擾過后，P1.1口一直為高電平(復位時的狀態)。
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本文對單片機系統在強電磁脈沖輻照下的重啟動、死機、通訊出錯、改變控制狀態和A/D轉換誤差增加等效應進行了研究。由于實驗的不徹底性，還未能觀察到硬損傷現象，對上述現象的解釋也不夠準確，有待進行深入的實驗研究。
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參考文獻
1 申菊愛，黃文華.數字集成電路的高功率微波損傷效應[J].高功率微波技術，1999;1:15～20
2 王 瑩. 高功率脈沖電源[M]. 北京：原子能出版社，1991:12～14
3 丁志剛，李剛民.單片微型計算機原理與應用[M].北京:電子工業出版社，1990:37～38
4 孔 蕙，徐國華.微機應用系統程序失控的若干防護措施[J].微型機與應用，1996;15(9):31～33
5 魏明，劉尚合.雷電電磁脈沖對數字電路的干擾機理研究[J].軍械工程學院學報，2000;12(2)：49～53