基于故障重现的单片机系统设计
北京航空工程技术研究中心 侯民胜 贾宏亮
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
