电磁脉冲对电子设备的耦合效应试验研究

关程序, 动态运行过程中施加电磁脉冲干扰 , 通过指 示灯的亮灭、 示波器显示波形和串口通信数据的正 确性监测干扰过后电路板的工作状况。为了尽可能 的减少各种接口耦合, 图 2 中的电源和信号电缆都 包裹了屏蔽罩 , 并且和大地连接在一起。
第 28 卷
第 5期
张春侠等 : 电磁脉冲对电子设备 的耦合效应试验研究
O ct 2010 V ol 28 , No . 5
航 天 控 制 A erospace Contro l
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电磁脉冲对电子设备的耦合效应试验研究
张春侠
1 , 2
周春梅
1 ,2
பைடு நூலகம்
林金永
1, 2
1 . 北京航天自动控制研究所 , 北京 100854 2 . 宇航智能控制技术国家级重点实验室 , 北京 100854 摘 要 大规模和超大规模集成电路 ( LSI /VLSI) 在飞行器中得到了日益广泛的
应用 , 有效减小了电子设备的体积、 增强了飞行器系统的性能 , 但同时给系统抗 电磁脉冲 ( E M P ) 辐射效 应的可 靠性带 来了一 定的风 险。 通 过对飞 行器进 行 EM P耦合途径分析, 本文给出了电磁脉冲环境耦合到电子设备内部集成电路上 的主要途径 , 并通过针对典型的 CPU 板进行的电磁脉冲辐照试验 , 证明 CPU 抗 EM P耦合的能力弱于存储器及其它集成电路 , 得到了 CPU 板电磁辐照导致 死 机 场强的临界值。 关键词 大规模集成电路 ; 电子设备; 耦合效应; CPU 中图分类号 : TN47 ; TN751. 1 文献标识码 : A 文章编号: 1006 -3242( 2010) 05 -0089 -04
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图 2 试验原理
2 . 2 试验对象 试验采用的 CPU 电路板主要由 CPU、 同步动态 存储器、 闪速存储器和串口总线接口芯片等大规模集 成电路组成, CPU 板上带有一个指示灯用来表明程序 是否正常运行, CPU 板是否处于正常工作状态。 2 . 3 试验施加波形 试验采用波形 的参数为脉冲 前沿为 2 . 5ns 左 右 , 半高宽为 30ns左右, 施加场强大小 1~ 50kV /m 可调。有界波电磁脉冲模拟器工作空间为 1 . 5m 1 . 5m 1 . 5m, 在工作空间内波的极化方向为垂直极 化。试验施加有界波波形如图 3 所示 ( 示波器显示 的波形幅度已经过衰减 )。 始 );
图 1 飞行器的 EM P环境及耦合途 径示意图
距离为 2 . 5m 左右 )。加电后 CPU 板自引导运行相
2 CPU 板 EM P 效应试验
2 . 1 试验原理 CPU 板按照垂直 电场极化方向放 置在电磁脉 冲模拟器工作空间中, 测试 计算机、 示波器和 + 5V 直流稳压电源置于电磁脉冲模拟器外 ( 与模拟器的
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器 ( SDRAM )运行的失效阈值基本相同 , 并且每次手 动复位后可以从 FLAS H 中重新搬移程序继续运行 , 说明闪速存储器 FLAS H 和外部存储器 SDRAM 的 抗辐照能力优于 CPU, 死机 现象是由于 CPU 首先 受到干扰引起的。针对特定 CPU 电路板通过上述 试验可以得到以下初步结论: 1) CPU 板辐照的薄弱环节在于 CPU, 存储器和 其它芯片的抗辐照能力优于 CPU; 2) 辐照场强在 2 . 5kV /m 以下 , CPU 板就可以不 受影响, 保持正常工作; 3) 辐照场强在 3~ 16kV /m 之间 , CPU 板受到不 同程度的干扰 , 但是可以自恢复运行; 4) 辐照 场强在 26kV /m 以上 , CPU 板出 现 死 机 的频率比较高; 5) 辐照过程中异常状态具有偶然性, 未发现规 律, 表明受辐照时 CPU 受干扰的状态不同。 针对 CPU 的抗辐射能力弱于其它芯片的结论 , 可以在 CPU 板的电路设计时有针对性地进行加固 措施 , 采用看门狗、 容错算法及其它的一些软硬件措 施, 避免出现整机的 死机 和系统的 瘫痪 , 提高 整机和系统的抗电磁脉冲干扰能力。
电磁脉冲的 能量仍 有一部 分可以 直接 穿透进 去 , 并且缝隙和 孔洞总 是客观 存在 , 这些 缝隙 和孔洞 的存在 , 导致 EM P 可以耦合进入 , 对各种电子设备 造成危害。 2) 外界的电磁信号通过天线窗、 级间缝隙耦合 到飞行器的内部, 或者飞行器整流头罩分离、 级间分 离后尾部开放状态 , 外界的电磁信号直接进入到飞 行器的内部。 3) 飞行器 的各种连接电缆吸收外界的电 磁能 量, 然后作用于飞行器内部的电子设备。 外界电磁信号对飞行器上电子设备安全构成威 胁的最主要原因是入射的电磁信号、 透射的电磁信 号和通过孔缝耦合到系统内的电磁信号作用到电缆 上, 使电缆产生感应电压或感应电流, 或通过间接耦 合的方式 , 使接于电缆的电子设备被干扰或破坏 , 从 而对系统的可靠性产生影响。 EM P通过电缆连接器或电缆屏蔽层耦合 到电 子设备内部的各种信号传输通道上 , 将造成各种干 扰或损伤效应 , 如点火器误触发等。图 1 是电子设 备 EM P 耦合的总体框图 , 给出了电磁脉冲环境通过 飞行器耦合到内部电路上的几个主要途径。
收稿日期 : 2008 -09-10 作者简介 : 张春侠 ( 1979- ), 女 , 河南人 , 硕士 , 主要从事电磁 脉冲效 应研究 及电子 设备研制 工作 ; 周春 梅 ( 1982- ) , 女 , 宁夏人 , 硕士 , 工程师 , 主要研究方向为飞 行器硬件设计 ; 林金永 ( 1964- ), 男 , 福建 人 , 博士 , 研究 员 , 主要 研究方 向为飞行器与武 器系统的信息化。
图 3 试验施加波形显示 ( 每格 20ns)
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2 . 4 试验步骤 1) CPU 板加电 , 从 FLASH 中引导运行串口通 信程序 ( 测试计算机实时显示接收数据 ), 定时器初 始化程序 ( 输出波形可以通过示波器监视到 ) 以及 点灯程序;
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2) 试验波形 试验中出现的异常波形如图 4~ 图 9 所示。
E xperim ental Study of EM P Coupling for E lectronic Equipm ent
ZHANG Chunx ia
1 , 2
ZHOU Chunm ei
1, 2
L IN Jin yong
1, 2
1 . Be ijing A erospace Autom at ic Control Institute , Beijin g 100854, China 2 . Nat io nal K ey L aboratory o f Science and T echnology on Aerospace Intellig ence Contro, l Be ijing 100854 , Chin a Abstract T he large scale in tegrated circuit and very large scale integra ted circu it ( LS I/VLSI) are progressively app lied to aerocraf t . T he size of cubage of electronic equ ipm ents is reduced and the p erf orm ance of aerocraf t is enhanced by app ly ing th e LSI /VLSI , how ever th e hazard is brought in to low er the reliability of system anti-EMP ability. Through the analy sis of aerocraf t, the m ain coup ling approach of E M P coup ling to inner circuit is introduced. Due to the accomp lishm ent of an exp erim en t f or CPU board under lim ited electrom agnetic pulse rad icaliza tion, the ability of an ti-EM P coup ling of CPU is p roven w eaker than th e other circuits and the critical f ield intensity value while CPU crashes is gained. K ey w ord s Large scale integrated circuit ; E lectronic equipm ent; C oup ling effects; CPU 大规模和超大规模集 成电路技术 ( LSI/VLS I) 是现代电子学迅速发展的核心和关键因素 , 在国防 和航天领域得到了日益广泛的应用。其工作于电磁 脉冲辐射环境中 , LSI/VLSI 集成度的增加带来器件 尺寸的缩小, 使得器件对辐射感生电荷更加敏感, 从
3 结论
本文对飞行器的 EM P耦合途径进行了分析, 明 确了 3 种耦合途径 , 通过采用合适的试验方案对核 心 CPU 板进行了电磁脉冲辐照试验, 初步掌握了电 子设备电磁脉冲耦合效应的薄弱环节 , 研究结果将 为飞行器的整机级和系统级 加固设计提供技 术基 础。 参
2) 施加电 磁脉冲干 扰 ( 从较 小的电 场强度 开 3) 在施加电场干扰之后, 通过串口发送数据的 正确性、 示波器监测波形的改变以及灯的亮、 灭确定 电路板的运行状态 ; 4) 若出现 死机 , 则通过手动复位检测是否属 于永久性故障 ; 5) 根据详细工作状态及测试数据分析 CPU 板 的电磁场效应 , 进行数据判读 , 给出试验结果。 2 . 5 试验结果 1) 试验数据 试验中施加的电磁脉冲干扰每个场强值辐照 5 次, 试验数据如表 1 所示。
1 飞行器上电子设备 EM P 耦合途径
飞行器内部的电子设备主要由各种大规模的集 成电路组成 , 极易遭受强电磁脉冲的损伤 , 当飞行器 遭遇电磁干扰时 , EM P 可以通过以下 3 种途径耦合 到系统内部
[ 5]
。
1) 低频信号穿透 外壳进入飞行器内部。即使 电子元器件安 装在没 有缝隙 没有孔 洞的 壳体内 ,
表 1 试验测量数据
场强值 ( kV /m ) 0 . 6 1 2 . 5 3 6 7 串口通信 正常 正常 正常 正常 正常 正常 正常 正常 正常 误码 试验现象 ( 每个场强值辐照 5 次 ) 示波器显示 正常 正常 正常 短暂异常 上下尖脉冲异常 波形短暂异常并且 出现一次 死机 短暂异常 较长时间波形异常 脉宽展宽为原来的 4 倍 较长时间波形异常 自恢复 自恢复 手动复位恢复 自恢复 自恢复 手动复位恢复 手动复位恢复 自动或手动恢复
而更容易受到辐射的影响 , 给系统可靠工作带来风 险, 因此, 研究大规模集成电路的 EMP 耦合效应对于 提高飞行器系统的抗辐射可靠性具有重要的意义。 飞行器上电子设备的核心计算机是 LSI /VLS I 运用最集中的地方 , 极易受到电磁脉冲的干扰, 本文
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把因外界因素使计算机程序进入非工作区或死循环 的异常工作状态称为 死机 。以往研究结果表明 , 计算机在一 定强度 的电磁脉 冲干 扰下会 出现 死 机 , 但对 死机 的原因尚不明确 , 无法定位计算机 出现 死机 到底是由哪部分电路首先出现问题而 导致的。因此有必要对 CPU 板进行电磁脉冲辐照 试验方法研究 , 摸清导致 死机 的薄弱环节, 进而 采取适宜的防护措施是飞行器上电子设备 EM P 效 应和防护加固研究中的一项重要工作。本文以典型 CPU 电路为研究对象进行了有界波电 磁脉冲辐照 试验, 初步确定了电子设备耦合效应的薄弱环节, 为 进行系统级加固设计提供了技术依据。