基于故障重现的单片机系统设计

文章摘要：引言为研究电磁脉冲对计算机系统的干扰和破坏机理，利用GTEM室等大型装置产生的模拟核电磁脉冲为照射源，对计算机系统进行辐照效应实验。为了有效地研究计算机系统的电磁脉冲效应，需要专门用于电磁脉冲效应实验、具有故障重现功能的单片机系统。本文介绍了该系统的组成和原理，并给出了将该系统用于电磁脉冲效应实验的结果。电磁脉冲辐照效应实验方法电磁脉冲对电予系统的辐照效应实验方法，简单地说就是将被测电子系统置于电磁脉冲辐射场中，接受电磁脉冲的照射，研究被测系统在电磁脉冲照射下受干扰、损伤的情况。实验配置如图1所示。主要由吉赫横电磁波传输室(GTEM Cell)、Marx发生器、控制台和被试系统等组成。Marx

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引言

为研究电磁脉冲对计算机系统的干扰和破坏机理，利用GTEM室等大型装置产生的模拟核电磁脉冲为照射源，对计算机系统进行辐照效应实验。为了有效地研究计算机系统的电磁脉冲效应，需要专门用于电磁脉冲效应实验、具有故障重现功能的单片机系统。本文介绍了该系统的组成和原理，并给出了将该系统用于电磁脉冲效应实验的结果。

电磁脉冲辐照效应实验方法

电磁脉冲对电予系统的辐照效应实验方法，简单地说就是将被测电子系统置于电磁脉冲辐射场中，接受电磁脉冲的照射，研究被测系统在电磁脉冲照射下受干扰、损伤的情况。

实验配置如图1所示。主要由吉赫横电磁波传输室(GTEM Cell)、Marx发生器、控制台和被试系统等组成。Marx发生器用于产生高电压，与GTEM室配合，在GTEM室内产生均匀电磁场。控制台主要由示波器、光接收机和Marx控制面板组成。光接收机和电场传感器组成模拟量光纤场测量系统，主要用于将辐射电磁场转换成电压信号；示波器用来显示电场波形；Marx控制面板用来控制Marx发生器的充放电操作和陡化间隙的调整。

故障重现原理

故障重现的概念

计算机系统在电磁脉冲作用下可产生硬件损坏、数据采集误差增大、内存数据改变、程序跳转、重启动和死机等故障。这些故障现象是大量的、不同的计算机在不同环境、不同时间受干扰后产生的故障现象的集总。如果拿出任意一台计算机做实验，只能产生很少的几个故障现象，由于这些计算机没有自动检测功能，有的故障即使是发生了，也观察不到。如果连故障现象都观察不全，就无法找出故障出现的规律和原因，更谈不上进行防护技术研究。因此，很有必要设计一套专门用于电磁脉冲效应实验的计算机系统，该系统具有以下功能：

·自动检测并显示系统本身出现的故障；

·干扰时故障最容易出现；

·使出现故障的种类最多；

·具有故障重现功能。

故障重现是指主动地采取一定的技术手段，使故障反复出现。想看哪种故障就能出现哪种故障，想让它出现儿次就出现几次。这与一般电路中采取有效措施抗干扰的设计思想截然不同。

故障重现的条件

故障重现并不是用计算机软件进行故障仿真，而是故障的真实再现。要使故障重现，除了辐射场的幅度要足够强外，被测系统还要具备必需的硬件电路和软件环境。软件环境是指干扰出现时控制功能电路工作的程序正在运行，即时间对准。例如，如果要考查电磁脉冲对A／D转换电路转换精度的影响，首先要有ADC，其次要保证照射时ADC正在工作。

实现故障重现的技术手段

对辐射场强度和硬件电路的要求比较容易实现，难点是保证时间对准。当然，有些故障的重现对时间对准要求很宽松，如死机和重启动，计算机几乎在运行任何程序时都有可能出现这两种故障现象。

解决这一难点的方法是采取程序模块化和循环等待技术。程序模块化使每一种故障(效应)对应一个程序模块，想看哪种故障，就运行相应的程序模块；想让故障多次出现，就反复进行效应实验。循环等待技术是让计算机始终运行某一段或某一句程序，可大大提高干扰成功的概率，使故障最容易出现。

系统组成及工作原理

硬件组成

本系统采用51系列单片机。为便于研究程序存储器的效应情况，选用内部不含EPROM的8031作为中央处理器，程序固化在外部程序存储器中，这里采用的是擦、写方便的E2PROM(2864或28C64)。由于8031内含CTC和SIO，不再另设外CTC和SIO。为使系统能够重现尽可能多的故障现象，采用的外设芯片还有：外部数据存储器(6264)和ADC(AD0809)。另外，增加4位数码管用于信息显示，显示数据由4个锁存器(74LS373)保存。上述硬件电路既完成一定的功能又是被试验对象。系统组成如图2所示。

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