基于51單片機系統(tǒng)的故障重現(xiàn)實驗設(shè)計

電磁脈沖輻照效應(yīng)實驗方法

電磁脈沖對電予系統(tǒng)的輻照效應(yīng)實驗方法，簡單地說就是將被測電子系統(tǒng)置于電磁脈沖輻射場中，接受電磁脈沖的照射，研究被測系統(tǒng)在電磁脈沖照射下受干擾、損傷的情況。

實驗配置如圖1所示。主要由吉赫橫電磁波傳輸室(GTEM Cell)、Marx發(fā)生器、控制臺和被試系統(tǒng)等組成。Marx發(fā)生器用于產(chǎn)生高電壓，與GTEM室配合，在GTEM室內(nèi)產(chǎn)生均勻電磁場。控制臺主要由示波器、光接收機和Marx控制面板組成。光接收機和電場傳感器組成模擬量光纖場測量系統(tǒng)，主要用于將輻射電磁場轉(zhuǎn)換成電壓信號；示波器用來顯示電場波形；Marx控制面板用來控制Marx發(fā)生器的充放電操作和陡化間隙的調(diào)整。

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故障重現(xiàn)原理

故障重現(xiàn)的概念

計算機系統(tǒng)在電磁脈沖作用下可產(chǎn)生硬件損壞、數(shù)據(jù)采集誤差增大、內(nèi)存數(shù)據(jù)改變、程序跳轉(zhuǎn)、重啟動和死機等故障。這些故障現(xiàn)象是大量的、不同的計算機在不同環(huán)境、不同時間受干擾后產(chǎn)生的故障現(xiàn)象的集總。如果拿出任意一臺計算機做實驗，只能產(chǎn)生很少的幾個故障現(xiàn)象，由于這些計算機沒有自動檢測功能，有的故障即使是發(fā)生了，也觀察不到。如
果連故障現(xiàn)象都觀察不全，就無法找出故障出現(xiàn)的規(guī)律和原因，更談不上進行防護技術(shù)研究。因此，很有必要設(shè)計一套專門用于電磁脈沖效應(yīng)實驗的計算機系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下功能：

·自動檢測并顯示系統(tǒng)本身出現(xiàn)的故障；

·干擾時故障最容易出現(xiàn)；

·使出現(xiàn)故障的種類最多；

·具有故障重現(xiàn)功能。

故障重現(xiàn)是指主動地采取一定的技術(shù)手段，使故障反復(fù)出現(xiàn)。想看哪種故障就能出現(xiàn)哪種故障，想讓它出現(xiàn)兒次就出現(xiàn)幾次。這與一般電路中采取有效措施抗干擾的設(shè)計思想截然不同。

故障重現(xiàn)的條件

故障重現(xiàn)并不是用計算機軟件進行故障仿真，而是故障的真實再現(xiàn)。要使故障重現(xiàn)，除了輻射場的幅度要足夠強外，被測系統(tǒng)還要具備必需的硬件電路和軟件環(huán)境。軟件環(huán)境是指干擾出現(xiàn)時控制功能電路工作的程序正在運行，即時間對準(zhǔn)。例如，如果要考查電磁脈沖對A／D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換精度的影響，首先要有ADC，其次要保證照射時ADC正在工作。

實現(xiàn)故障重現(xiàn)的技術(shù)手段

對輻射場強度和硬件電路的要求比較容易實現(xiàn)，難點是保證時間對準(zhǔn)。當(dāng)然，有些故障的重現(xiàn)對時間對準(zhǔn)要求很寬松，如死機和重啟動，計算機幾乎在運行任何程序時都有可能出現(xiàn)這兩種故障現(xiàn)象。

解決這一難點的方法是采取程序模塊化和循環(huán)等待技術(shù)。程序模塊化使每一種故障(效應(yīng))對應(yīng)一個程序模塊，想看哪種故障，就運行相應(yīng)的程序模塊；想讓故障多次出現(xiàn)，就反復(fù)進行效應(yīng)實驗。循環(huán)等待技術(shù)是讓計算機始終運行某一段或某一句程序，可大大提高干擾成功的概率，使故障最容易出現(xiàn)。

系統(tǒng)組成及工作原理

本系統(tǒng)采用51系列單片機。為便于研究程序存儲器的效應(yīng)情況，選用內(nèi)部不含EPROM的8031作為中央處理器，程序固化在外部程序存儲器中，這里采用的是擦、寫方便的E2PROM(2864或28C64)。由于8031內(nèi)含CTC和SIO，不再另設(shè)外CTC和SIO。為使系統(tǒng)能夠重現(xiàn)盡可能多的故障現(xiàn)象，采用的外設(shè)芯片還有：外部數(shù)據(jù)存儲器(6264)和ADC(AD0809)。另外，增加4位數(shù)碼管用于信息顯示，顯示數(shù)據(jù)由4個鎖存器(74LS373)保存。上述硬件電路既完成一定的功能又是被試驗對象。系統(tǒng)組成如圖2所示。

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?? 程序執(zhí)行流程

該系統(tǒng)軟件共由8個程序模塊組成：指示單片機重啟動的程序模塊；檢查CTC運行情況的程序模塊；串口通訊功能檢查程序模塊；判斷外RAM內(nèi)容是否改變及讀寫是否出錯的程序模塊；判斷內(nèi)RAM內(nèi)容是否改變程序模塊；檢查A／D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換誤差是否增大程序模塊；判斷外中斷足否被誤觸發(fā)程序模塊；顯示E2PROM內(nèi)容是否被改寫的程序模塊。

系統(tǒng)的工作過程也就是上述8個程序模塊的運行過程，它們是在執(zhí)行開關(guān)K的控制下順序執(zhí)行的。圖3給出了流程圖。幾乎每一種效應(yīng)實驗對應(yīng)一個程序模塊。由于硬件損壞故障與軟件運行關(guān)系不大，而且故障現(xiàn)象明顯，無需專門設(shè)置程序模塊。重肩動效應(yīng)實驗可以工作在除指示單片機重啟動的程序模塊的任一程序模塊。死機效應(yīng)實驗可以工作在任一程序模塊，由于故障現(xiàn)象明顯，無需檢測程序。 故障重現(xiàn)及檢測的具體實現(xiàn)不同的故障現(xiàn)象有不同的重現(xiàn)和檢測方法。由于篇幅有限，只給出三種故障重現(xiàn)及檢測的實現(xiàn)方法。

? ? ? ? 外RAM效應(yīng)

這部分實驗包括三部分：一是不進行讀寫操作時，檢查外RAM內(nèi)容是否被改寫；二是檢查讀操作是否出錯；三是檢查寫操作是否出錯。

第一部分實驗中，RAM內(nèi)容被改寫是由于RAM芯片被干擾所致，只需編制檢測程序。先在RAM的0000H～1FFFH單元寫入同一數(shù)據(jù)("AA")，然后等待執(zhí)行開關(guān)K的按下，等待期間進行沖擊實驗。沖擊完畢，讀出RAM內(nèi)容并判斷是否改變。

第二、三部分實驗，檢查RAM的讀寫操作是否因干擾而出錯。讓持續(xù)時間只有微秒量級的干擾脈沖去干擾執(zhí)行時間只有幾個微秒的讀寫指令，這種事件發(fā)生的概率幾乎為0。對于干擾源可以工作在重復(fù)工作方式的情況，可以使其在重復(fù)工作方式下工作，這無疑是一種不錯的想法。但是，由于重復(fù)工作方式的重復(fù)頻率并不能做得很高，最高只能達到1kHz左右，所以其效果并不明顯。最有效的方法是使程序重復(fù)執(zhí)行一條讀或?qū)懼噶?，雖然兩次讀或?qū)懼g還有幾條判斷讀或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)是否正確的指令，但兩次讀或?qū)懼g的時間間隔也只有數(shù)十微秒量級，這就相當(dāng)于讓讀寫指令等著電磁脈沖來干擾，從而大大提高了被干擾的概率。

第二、三部分程序編制開始時，為了使其更具代表性，對RAM的所有單元進行讀或?qū)?，即先將RAM的0000H～1FFFH單元清0，然后使程序循環(huán)讀這些單元，或向這些單元循環(huán)寫入數(shù)據(jù)"AA"，并實時檢查讀出或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)是否正確。在實驗中發(fā)現(xiàn)，第二、三部分實驗出錯的次數(shù)，比第一部分實驗出現(xiàn)的次數(shù)還多。盡管采取了上述循環(huán)等待技術(shù)，但某條指令被干擾的可能性還是很小。多次實驗不得其解，后來在讀實驗顯示出錯信息時檢查RAM各單元的內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)每次都有一部分RAM單元的內(nèi)容出錯，而讀操作出錯不可能導(dǎo)致RAM內(nèi)容改變，因此，并不是或不全是讀寫操作出錯，而是由于RAM內(nèi)容被改寫后，誤判為讀或?qū)懗鲥e。解決這一問題的方法是，使讀寫操作只對某一一固定的RAM單元進行，由于一個單元被改寫的概率是所有單元被改寫概率的l／2，這就大大降低了誤警概率。

串口SIO效應(yīng)實驗主要是看串口通訊是否出錯。要觀察到這種故障現(xiàn)象，就必須讓單片機運行串口通訊程序。由于51型單片機只有一個串口，而要使其進行通訊，最少需要兩個串口，這就至少需要有兩套單片機系統(tǒng)，這將使設(shè)備和實驗復(fù)雜化。在認真研究串口工作原理后，終于找到了只用一個單片機模擬串口通訊的方案：把CPU的TXD和RXD短接，將TXD端發(fā)出的數(shù)據(jù)直接送入RXD進行接收，使單片機工作于自發(fā)自收狀態(tài)，通過檢查接收與發(fā)送的數(shù)據(jù)是否相等判斷通訊是否正常。當(dāng)然，仍需采用循環(huán)等待技術(shù)，使通訊循環(huán)進行，當(dāng)運行正常時，在P1.1口產(chǎn)生脈沖信號，使紅色LED亮。如果通汛出現(xiàn)異常，數(shù)碼管將顯示出錯信息，并將LED熄滅。

為使CTC工作失誤故障重現(xiàn)，可在主程序中加入允許CTC中斷的指令，使程序運行時，CTC一直在工作，等待電磁脈沖來干擾。 定時器采用CPU內(nèi)部定時器0，工作方式為方式1。編寫CTC0的中斷子程序，與軟件計數(shù)器R0配合，在P1.1口產(chǎn)生一個方波信號，驅(qū)動LED閃亮。主程序等待K按下指令，等待期間進行干擾實驗。如果LED閃亮異常，表明CTC工作不正常。以下為定時器0的中斷子程序：

實驗結(jié)果

在設(shè)計該單片機系統(tǒng)以前，曾用一單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)做效應(yīng)實驗，結(jié)果只能觀察到死機現(xiàn)象。而將該系統(tǒng)用于效應(yīng)實驗后，觀察到了硬件損壞、A／D轉(zhuǎn)換誤差增大、內(nèi)存數(shù)據(jù)改變、程序跳轉(zhuǎn)、死機、CTC工作失誤、串口通訊出錯和程序存儲器E2PROM內(nèi)容被改寫等多種故障現(xiàn)象。通過大量、反復(fù)地實驗，測出了各種故障出現(xiàn)的閾值，分析了故障出現(xiàn)的原因。

圖4是示波器記錄下的串口RXD引腳上的正常信號和通訊出錯時的干擾波形。圖4表明，RXD上有很強的干擾信號，而且低電平被展寬了3～4倍。
根據(jù)實驗數(shù)據(jù)及串口工作原理，得出申行通訊出錯的原因有兩個：
1．干擾使SIO電路工作失誤，如串口控制寄存器SCON內(nèi)容改變，發(fā)送或接收SBUF內(nèi)容改變等，這些都可能引起接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)不符，從而使通訊出錯；
2．RXD線上的干擾信號使串行數(shù)據(jù)發(fā)生混亂，從而使接收數(shù)據(jù)出錯。