強電磁脈沖對單片機系統(tǒng)的輻照效應(yīng)實驗研究

　　按動開關(guān)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(xiàn)程序跳轉(zhuǎn)和“死機”現(xiàn)象。程序跳轉(zhuǎn)是指程序跳過一段指令后仍能正常運行?！八罊C”有兩種表現(xiàn):一是按動開關(guān)K，數(shù)碼管顯示內(nèi)容無變化;二是按動開關(guān)K，數(shù)碼管顯示內(nèi)容改變幾次后不再發(fā)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。

“死機”是指干擾使程序計數(shù)器內(nèi)容改變，結(jié)果可能將一條指令的后半字節(jié)與下一條指令的前半字節(jié)當做一條指令來執(zhí)行，從而使程序進入一個意想不到的死循環(huán)[4]。程序跳轉(zhuǎn)不一定必然引起“死機”。當程序跳轉(zhuǎn)到某條指令首字節(jié)時，一般不會引起“死機”，如實驗中出現(xiàn)的程序跳轉(zhuǎn)現(xiàn)象。實驗中“死機”的第一種表現(xiàn)是干擾后程序已進入死循環(huán);第二種表現(xiàn)是干擾后程序并未立即進入死循環(huán)，先停留在一條等待指令上，即:WAIT:JNB P1.0 WAIT，等待開關(guān)K的按下，按下開關(guān)K后，程序繼續(xù)運行錯誤指令而進入死循環(huán)。此時執(zhí)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(jié)與下一條指令的前半字節(jié)組合成的指令。

　　一般認為“死機”是由于干擾改變了程序計數(shù)器的PC值引起的。但通過實驗，并根據(jù)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(shù)據(jù)線上的干擾信號使CPU讀入了錯誤的跳轉(zhuǎn)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(fā)生讀指操作，讀入了錯誤的跳轉(zhuǎn)指令。

2.3 控制狀態(tài)改變效應(yīng)實驗研究

　　單片機系統(tǒng)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(shù)據(jù)的變化情況來研究控制狀態(tài)的變化。該單片機系統(tǒng)中的數(shù)碼管的數(shù)據(jù)是由四位鎖存器74LS373保存的，數(shù)碼管顯示內(nèi)容的變化可直觀地反映鎖存器輸出狀態(tài)的變化。

按動開關(guān)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(shù)碼管顯示內(nèi)容發(fā)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)輸入端的干擾數(shù)據(jù)都不同，因此每次數(shù)碼管的顯示內(nèi)容也都不同。

2.4 A/D轉(zhuǎn)換電路效應(yīng)實驗研究

　　按動開關(guān)K，使單片機工作于A/D轉(zhuǎn)換電路檢測模塊。A/D轉(zhuǎn)換程序循環(huán)運行(提高A/D轉(zhuǎn)換期間受沖擊的概率)，并隨時顯示轉(zhuǎn)換結(jié)果的最大、最小值，在此期間進行沖擊實驗。

　　實驗中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)換結(jié)果的最大、最小值嚴重偏離正常值“8AH”(可調(diào))，最大值可達“FFH”(對應(yīng)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(zhuǎn)換結(jié)果時，數(shù)據(jù)線上的干擾信號使讀入數(shù)據(jù)出錯;(3)強干擾使AD0809的工作異常。實驗表明，數(shù)據(jù)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(yīng)實驗研究

　　按動開關(guān)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(huán)進行的(提高通訊期間受到?jīng)_擊的概率)，當發(fā)現(xiàn)接收數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)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(nèi)的串口電路工作失誤，從而使接收與發(fā)送不符;(2)RXD線上的干擾信號使串行數(shù)據(jù)發(fā)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。

2.6 讀寫存儲器RAM效應(yīng)實驗研究

　　按動開關(guān)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(shù)據(jù)(“AAH”、“55H”)， 然后等待開關(guān)K按下，等待期間進行沖擊實驗。沖擊完畢，按下開關(guān)K，判斷RAM內(nèi)容是否改變并顯示數(shù)據(jù)改變的個數(shù)。(2)先進行循環(huán)寫(提高寫期間受到?jīng)_擊的概率)，在寫期間進行沖擊實驗，沖擊完畢，顯示數(shù)據(jù)改變的個數(shù)。(3)先寫入，然后循環(huán)讀(提高讀期間受到?jīng)_擊的概率)，在讀期間進行沖擊實驗，并顯示數(shù)據(jù)改變的個數(shù)。圖5是循環(huán)讀出現(xiàn)2個錯誤時，采集到的
腳和腳上的干擾波形。